Aula 10 – Abrandamento de água

Prof. José Carlos Mierzwa

PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de

abastecimento

Abrandamento de água por precipitação química


Dureza da água

O termo dureza foi originado em razão da dificuldade no processo de lavagem de roupas, com águas contendo elevada concentração de certos íons minerais;

Isto era resultado da capacidade deste íons reagirem com sabões, evitando a formação de espuma;

Na reação eram formados sabões insolúveis, que precipitavam.


Dureza da água

Além de reagir com sabões, a dureza da água pode resultar na formação de incrustações em tubulações e dispositivos de troca térmica.


Dureza da água

A dureza é resultado da presença de íons bivalentes, destacando-se o cálcio e o magnésio;

Outros íons também podem atribuir dureza a água:

Ferro;

Manganês;

Estrôncio;

Bário;

Zinco;

Alumínio


Medida da dureza

Em tratamento de água a dureza é expressa em concentração equivalente ao carbonato de cálcio (mg/L);

Ela pode ser designada de várias maneiras: Dureza total: soma da concentração de todos os íons

responsáveis pela dureza; Dureza devida a carbonatos: parcela relacionada a

presença de sais na forma de carbonatos (HCO3-,

CaCO3); Dureza devida a não carbonatos: parcela devida a sais

diferentes: Sulfato de cálcio, cloreto de cálcio, sulfato de

manganês e cloreto de manganês.


Classificação das águas em função da dureza Com relação a concentração de dureza, a água pode

ser classificada em quatro categorias:

ClassificaçãoDureza

(mg CaCO3/L)

Branda < 75

Dureza moderada 76 - 150

Dura 151 - 300

Muito dura > 300


Fatores associados à dureza

Para o controle da corrosão e incrustações em redes de água, o controle da dureza devido a carbonatos é muito importante;

Em função do equilíbrio entre carbonatos a água pode ser corrosiva ou incrustante:

Se a água tiver tendência para solubilizar carbonato ela é considerada corrosiva;

No caso de haver tendência para precipitação de carbonato a água e considerada incrustante.

Iso pode ser verificado pelo Índice de Saturação de Langelier;


Equilíbrio de Carbonatos

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

0 2 4 6 8 10 12 14pH

Fra

ção

Mo

lar

Ácido Carbônico Bicarbonato Carbonato


Índice de Langelier

O índice de Langelier, ou Índice de Saturação mede a tendência de corrosividade ou incrustação de uma água:

IS = pH – pHs

IS = 0 (sem tendência para corrosão ou deposição);

IS < 0 (água com características corrosivas);

IS > 0 (água com característica incrustante).


pH de Saturação em função das Constantes de Solubilidade e Equilíbrio de Carbonatos

32

32

2

.log

]log[]log[

HCOCaS

SHCOCapKpKpH pss

• O fator S ajusta a equação para a verdadeira atividade dos íons na expressão de equilíbrio.

• A expressão final é válida para uma faixa de pH variando entre 6,0 e 8,5.


Coeficiente de Atividade

TDSx

zii

.105,2

1

.).(5,0log

5

21

212

i = coeficiente de atividade para a espécie iônica i

= força iônica da solução;

zi = carga iônica da espécie i

TDS = concentração de sólidos dissolvidos totais (mg/L)

Ci = concentração da espécie iônica (M);

i

ii zC ).(.2

1 2


Valores de pKps, pK2 e S

Temperatura(ºC)

pK2 pKps

S

TDS (mg/L)

50 150 400 1000 1500

5 10,55 8,39 0,0825 0,137 0,210 0,300 0,345

10 10,49 8,41 0,0832 0,138 0,211 0,303 0,348

15 10,43 8,43 0,0838 0,139 0,213 0,305 0,351

20 10,38 8,45 0,0845 0,140 0,215 0,308 0,354

25 10,33 8,48 0,0854 0,142 0,217 0,311 0,358

30 10,29 8,51 0,0861 0,143 0,219 0,314 0,362

35 10,25 8,54 0,0869 0,144 0,221 0,318 0,366

40 10,22 8,58 0,0879 0,146 0,224 0,322 0,370

45 10,20 8,62 0,0888 0,148 0,226 0,325 0,375

50 10,17 8,66 0,0898 0,149 0,229 0,329 0,379Fonte:Ronald L. Droste, 1997


Dureza em águas de abastecimento

Para água de abastecimento público é recomendado que a dureza da água esteja entre 80 mg/L a 100 mg/L como CaCO3;

Águas com dureza superior ou para o caso de aplicações industriais, a dureza deve ser reduzida.


Benefícios para redução da dureza

Redução da tendência de incrustação; Redução do consumo de sabões e

detergentes; Remoção de metais pesados:

Elevação do pH; Formação de complexos insolúveis.

Remoção de sílica e fluoretos; Remoção de ferro e manganês; Clarificação da água quando da precipitação

dos íons responsáveis pela dureza.


Remoção da dureza

O processo de remoção da dureza é conhecido como abrandamento;

O abrandamento pode ser feito de três formas:

Precipitação química processo geralmente utilizado para águas com elevada concentração de dureza;

Troca catiônica mais indicado para o caso onde a concentração da dureza seja baixa;

Processo de nanofiltração utilização de membranas poliméricas.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Precipitação química:

Vantagens: Pode ser aplicado para águas com dureza elevada; Possibilita remover da água outros contaminantes:

Alguns radionuclídeos; Remoção de metais pesados e arsênio; Clarificação da água;

Tecnologia bem estabelecida. Desvantagens:

Utilização de produtos químicos; Produção de lodo; Necessidade de ajustes finais.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Troca catiônica:

Vantagens: Grande eficiência para remoção dos íons

responsáveis pela dureza; As resinas podem ser regeneradas; Não há formação de lodo no processo.

Desvantagens: Requer um pré-tratamento da água; Ocorre saturação da resina, exigindo a sua

regeneração; Elevação da concentração de SDT na água; Requer o tratamento do efluente da regeneração.


Vantagens e desvantagens dos processos de abrandamento Nanofiltração:

Vantagens: Remove com eficiência íons responsáveis pela

dureza; Não requer a utilização de produtos químicos; Ocorre a remoção de outros contaminantes, orgânicos

e inorgânicos. Desvantagens:

Tem uma menor produção de água em relação aos demais processos;

Requer um nível elevado de pré-tratamento; Água com elevada dureza pode resultar em perda da

eficiência do sistema; Ocorre a geração de uma corrente de concentrado.


Abrandamento por precipitação química

É utilizado o processo a base de cal (CaO) e carbonato de sódio;

A cal é utilizada para elevar o pH da água, fornecendo a alcalinidade necessária;

O carbonato de sódio pode fornecer a alcalinidade para reação e também os íons carbonato necessários.


Reações envolvidas

423324

4224

3223

23323

2323

23322

22

)()(

)()(

2)()(

22)()(

2)(

)(

SONaCaCOCONaCaSO

CaSOOHMgOHCaMgSO

CaCOOHMgOHCaMgCO

OHMgCOCaCOOHCaHCOMg

OHCaCOOHCaHCOCa

OHCaCOCOHOHCa

OHCaOHCaO


Considerações

A utilização do CaO é mais indicada pois esta apresenta menor custo;

É possível utilizar também o hidróxido de sódio como alcalinizante, mas:

É um produto de custo mais alto;

A sua utilização resulta em um maior acréscimo na concentração de SDT na água final.


Química do processo de abrandamento

Com relação á remoção de dureza devido a cálcio consideram-se as seguintes relações:

t

ps

C

CO

COCaK

COCaCaCO

23

2

23

2

23

23

.


Química do processo de abrandamento

Admitindo-se que todo o carbono inorgânico esteja na forma de carbonato e bicarbonato: [Ca2+]=Ct

Combinando-se as expressões:

21

2112

2

211

221

2

22

.

.][]([

.].[

.

.

KK

KKHKHKCa

KKHKH

KK

CaK

ps

ps

Kps = 10-8,342

K1 = 10-6,35

K2 = 10-10,33


-5,00

-4,00

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 2 4 6 8 10 12 14

pH

Lo

g [

Ca

2+]

Região de solubilidade

CaCO3(s)

Concentração de cálcio em função do pH, para o sistema CaCO3


Constantes de solubilidade para compostos relacionados ao processo de remoção da dureza

T (ºC)

CaCO3(s) Mg(OH)2(s) MgCO3(s) CaSO4(s)

[Ca2+] [Mg2+] [Mg2+] [Ca2+]-Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L

0 8,023 3,90

10 8,150

20 8,280 2,90

25 8,342 11,6 2,67 7,46 4,52 5,3 89,8

30 8,395

40 8,515

50 8,625 1,95Fonte: Chemistry of Water Treatment, Samuel D. Faust; Osman M. Aly. 1999.


Consumo de produtos químicos para o abrandamento

A determinação do consumo de produtos considera as quantidades estequiométricas baseadas nas equações das reações químicas envolvidas;

Com base na análise química da água determina-se os tipos de dureza presentes;

Também é importante determinar a concentração de ácido carbônico.


Consumo de produtos químicos para o abrandamento Concentração de ácido carbônico:

CxK

K

HHCOCOH

HHCOCOH

º25@103,4

]].[[][

7

332

332


Consumo de produtos químicos para o abrandamento A obtenção dos tipos de dureza é feita por

meio de uma escala em meq, com linhas acima e abaixo desta escala;

Nas linhas serão indicadas as concentrações de cátions (acima) e ânions (abaixo).

meq/L

cátions

ânions


Consumo de produtos químicos para o abrandamento Os cátions e ânions devem ser apresentados

nas seguintes ordens:

Cátions:

Ca2+; Mg2+, Na+; K+ (caso necessário);

Ânions:

HCO3-; SO4

2-; Cl-; NO3- (caso necessário).

Para efeito de cálculo admite-se que a concentração de íons carbonato seja zero.


Exemplo de cálculo

Análise de qualidade da água

Constituinte mg/L meq/L mM

pH 7,8a

Ca2+ 96 4,79 2,395

Mg2+ 19 1,56 0,78

Na+ 18 0,78 0,78

K+ 1,5 0,04 0,04

HCO3- 133 2,18 2,18

SO42- 208 4,33 2,165

Cl- 25 0,705 0,705

H2CO3 5,2 0,17 0,084a - unidades


Diagrama de identificação

1 2 3 4 5 6 10meq/L

Ca2+ = 4,79 Mg2+ = 1,56

HCO3- = 2,18 SO4

2- = 4,33

Na+ = 0,78

Cl- = 0,705

Dureza de cálcio por carbonato = 2,18 meq/L;

Dureza de cálcio não carbonato = 2,61 meq/L;

Dureza de magnésio não carbonato = 1,56 meq/L.


Dosagens de Produtos Químicos

Tipo de Dureza meq

Ca(OH)2 Na2CO3

meq/l mM meq/L mM

H2CO3 0,19 0,17 0,84 0 0

Ca-Carb. 2,18 2,18 1,09 0 0

Ca-nCarb. 2,61 0 0 2,61 1,305

Mg-Carb. 0 0 0 0 0

Mg-nCarb. 1,56 1,56 0,78 1,56 0,78

Total 6,52 3,91 1,945 4,17 2,085Para o caso da dureza de Mg não carbonato deve-se considerar a necessidade de reação com o cálcio do hidróxido


Equações complementares

[Ca2+]original + [Ca2+]adicionado = Ctoriginal + [CO32-]adicionado

Relação de neutralidade de cargas: carga de cátions = carga dos ânions;

O valor de Ct original é obtido com base na concentração de bicarbonato e a respectiva constante de dissociação:

33,102

35,61

2112

11

31

10

10

][][

][

K

K

KKHKH

HK

Ct

HCO


Processos de Abrandamento

O abrandamento por precipitação química pode ser feito por: Processo sem excesso de cal ou carbonato:

Específico para remoção de dureza devida ao cálcio;

Processo com excesso de cal ou carbonato: Quando é feita a remoção de dureza devida a cálcio e

magnésio;

Estes processos podem ser realizados em uma ou duas etapas;

Em todos os casos deve ser feito o ajuste da estabilidade da água.


Processo de abrandamento em um único estágio sem ou com excesso de cal ou carbonato

Cal

Coagulante

CO2Auxiliar de

filtração

Água Abrandada

Pré-tratamento

Lodo

Abrandamento Recarbonatação

Filtração

Na2CO3


Processo de abrandamento em dois estágios com excesso de cal ou carbonato

Cal

Coagulante CO2

Auxiliar de filtração

Água Abrandada

Pré-tratamento

Lodo

1° Estágio 2° Estágio

Filtração

Na2CO3

Coagulante


Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento Os processos de coagulação e sedimentação utilização

equipamentos similares aos utilizados no processo de clarificação;

Mistura rápida:

Geralmente feita em dispositivo hidráulico.

Floculação:

Utilização de misturadores horizontais ou verticais (tipo turbina);

Tempo de detenção de 30 a 45 minutos;

Gradientes de floculação variados, podendo-se ter até três estágios;

O projeto deve facilitar a limpeza periódica.


Sedimentação:

Taxa de aplicação:

1 a 2,4 m/h.

Tempo de detenção hidráulico:

2 a 4 horas.

Filtração:

Utiliza-se as taxas empregadas na filtração em sistemas convencionas.

No processo de abrandamento, a recirculação de uma parcela do lodo para o início do processo acelera as reações de precipitação.

Dimensionamento dos componentes do sistema de abrandamento


Sistema de tratamento de água Water Factory 21

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