UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC

CNPq e PIBIC UFPA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO

Período: Novembro/2014 a Janeiro/2015

( ) PARCIAL

(X) FINAL

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO

Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho):

Desenvolvimento de um sistema de tratamento de água para comunidades ribeirinhas da região

amazônica utilizando membranas de micro e ultrafiltração com eletrificação autônoma através

de sistemas fotovoltaicos.

Nome do Orientador: Kleber Bittencourt Oliveira

Titulação do Orientador: Doutor

Departamento:Instituto de Tecnologia

Unidade: Faculdade de Engenharia Química

Laboratório: Laboratório de Bioprocessos

Título do Plano de Trabalho: Desenvolvimento de um sistema de tratamento de água para

comunidades ribeirinhas da região amazônica utilizando membranas de micro e ultrafiltração

acoplado a uma coluna de adsorção com carvão ativado oriundos do caroço de açaí.

Nome do Bolsista: Rodrigo de Almeida Oliveira

Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC/ CNPq

( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador

(X) PIBIC/UFPA

( ) PIBIC/ INTERIOR

( )PIBIC/PARD

1 INTRODUÇÃO

O acesso à água potável é direito de todas as pessoas em quaisquer estágios do

desenvolvimento socioeconômico e é de importância fundamental para uma boa qualidade de

vida e proteção contra doenças de veiculação hídrica. O acesso à água tratada pelas

comunidades ribeirinhas da região Amazônica ainda ocorre de maneira muito precária, como

pela compra de galões de água, pela água da chuva ou pela água retirada diretamente do rio,

nesses dois últimos casos, a água não recebeu nenhum tipo de tratamento.

O tratamento de água para o abastecimento público é um conjunto de processos e

operações com o objetivo de adequar as características físico-químicas e biológicas da água

bruta, visando adequá-la ao consumo humano. Apesar de ser indispensável ao organismo, á

água pode conter compostos inorgânicos e orgânicos que podem ser prejudiciais à saúde

humana, se não forem eliminados ou reduzidos. A maioria desses compostos aparece na água,

ou seja, nos mananciais em decorrência da atividade industriais e domésticas (DI BERNADO

e DANTAS, 2005).

Os processos de separação por membranas já são reconhecidos pela indústria como

atrativos para o tratamento de água, por serem compactos e de fácil controle e por apresentarem

alta capacidade de remoção de turbidez, matéria orgânica e micro-organismos. Desse modo,

constituem-se em alternativas potenciais para o tratamento de água de mananciais degradados,

localizados em regiões com pouca disponibilidade de terreno, como no caso das áreas

densamente urbanizadas (MIERZWA, 2006).

O uso do carvão ativado como adsorvente de poluentes líquidos e gasosos é decorrente

de suas propriedades texturais e natureza química de sua superfície, responsáveis por sua grande

capacidade de adsorção (CLAUDINO, 2003). Segundo Di Bernardo e Dantas (2005) a adsorção

em carvão ativado tem sido usada como uma etapa complementar ao tratamento de água

convencional, para remoção de substâncias causadoras de cor, odor e gosto.

O presente trabalho tem como objetivo o uso de carvão ativado obtido com caroço de

açaí, como material adsorvente de uma coluna de adsorção em leito fixo, no tratamento de água.

Para este trabalho será preparado o carvão ativado quimicamente a partir do caroço de açaí

utilizando como agente ativante, Hidróxido de Sódio (NaOH).

2 JUSTIFICATIVA

A necessidade de água potável para as comunidades ribeirinhas da bacia do Rio

Amazonas, muitas das quais não usufruem de energia elétrica, levanta consigo a demanda por

um tratamento de água eficaz e simples, de modo que possa ser instalado nas ilhas a fim de

abastecer a população.

Os projetos que vêm sendo desenvolvidos nesta área normalmente focam no

aproveitamento de água das chuvas, devido às altas taxas pluviométricas características da

região da bacia do Amazonas, no entanto poucos consideram a utilização de água dos próprios

rios.

O tratamento de água abrange resumidamente as etapas de captação, clarificação e

desinfecção. Para este projeto buscou-se alternativas para cada estágio do tratamento, sendo

assim a captação ocorrerá por bombeamento abastecido por energia solar; a clarificação e

retirada de micro-organismos será feita por separação por membranas; e a desinfecção, com

retirada dos odores, ocorrerá através da adição de uma coluna de carvão ativado feita a partir

de caroços de açaí.

O desempenho do carvão ativado é relacionado com suas características químicas e

estrutura porosa. Embora as condições de processamento do carvão ativado possam ter alguma

influência na estrutura e propriedades do produto final, estas são determinadas principalmente

pela natureza do material precursor. Também a produtividade e facilidade de ativação

dependem fortemente do material precursor (SOARES, 2001).

A escolha do caroço de açaí para a produção do carvão ativado deve-se ao fato do açaí

ser uma das frutas de maior valor sócio-econômico-cultural para a população da região

amazônica, em específico à população paraense. Segundo Teixeira (2006), o caroço do açaí é

uma fonte rica em carbono, apresentando teor acima de 48%. Dessa forma, o caroço de açaí é

um material orgânico rico em carbono.

Espera-se que o protótipo final das membranas poliméricas de micro e ultrafiltração,

assim como, a coluna de adsorção de carvão ativado oriundos do caroço de açaí tenha um baixo

custo, fácil operação e manutenção e que os resultados obtidos após o tratamento, de uma água

livre de micro-organismos de veiculação hídrica, proporcionando a melhora das condições

sanitárias das populações ribeirinhas da região.

3 OBJETIVO

3.1 O objetivo geral do trabalho é:

Realizar um estudo experimental em escala de bancada no intuito de desenvolver um

protótipo capaz de tratar água fluvial bruta em comunidades ribeirinhas da região amazônica, a

fim de torna-la própria para o consumo humano.

3.2 Os objetivos específicos do trabalho são:

Síntese e caracterização do carvão ativado obtido com caroço de açaí;

Dimensionamento de uma coluna de adsorção de carvão ativado (CA) obtidos a partir

de caroços de açaí como parte da purificação do efluente tratado;

Caracterização físico-química do efluente bruto e tratado, a fim de avaliar a eficiência

do processo de filtração quanto à qualidade da água tratada;

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 MATERIAS

- Caroços de açaí;

- Água bruta do rio Guamá;

- Balança analítica Modelo BL-320 AB-BI;

- Paquímetro MITUTOYO Modelo Dial Caliper;

- Dessecador de sílica gel;

- Jogo de Peneiras GRANUTEST;

- Forno MUFLA QUIMIS;

- Estufa de Secagem e Esterilização marca MARCONI, Modelo MA 035;

- Hidróxido de Sódio (NaOH);

4.2 MÉTODOS

4.2.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO CAROÇO DE AÇAÍ

O caroço de açaí foi coletado na quantidade de 3 Kg em estabelecimentos que

beneficiam o açaí para obtenção do vinho do açaí. Por apresentar resíduo desse processo de

beneficiamento, o caroço de açaí foi lavado em água corrente e posteriormente secado. Em

seguida o a fibras que envolvem o caroço de açaí foram removidas de forma manual, para não

ocorrer erros nas medidas.

Para realizar a caracterização do caroço de açaí, foram separados 100 caroços, esses

caroços foram medidos e pesados com ajuda de paquímetro e de uma balança analítica,

respectivamente, e com esses valores o volume médio e a massa especifica foram calculadas.

4.2.2 PRODUÇÃO DO CARVÃO ATIVADO

4.2.2.1 Preparo do carvão ativado

Para o preparo do carvão ativado quimicamente, primeiramente preparou-se a solução

ativante, o agente ativador utilizado foi o Hidróxido de Sódio (NaOH). Para a solução, pesou-

se 4 gramas de hidróxido de sódio, que foram dissolvidos em 50 ml de água destilada, a solução

ativante foi adicionada a 100g de caroço de açaí, previamente pesados e seco em estufa a 100

°C durante 3 horas, a solução ativante de Hidróxido de Sódio ficou em contato com a amostra

em cadinhos de porcelana, em um dessecador, durante 24 horas.

Para a carbonização, o caroço impregnado com o agente ativador foi colocado em forno

MUFLA, e efetuou-se a carbonização à temperatura 550 °C durante 3 horas, após esse tempo,

efetuou-se o resfriamento em dessecador e posteriormente foi realizada a lavagem do carvão

ativado em água corrente para retirar o excesso do agente ativador.

Esse procedimento, de produção do carvão ativado, foi realizado varias vezes até que a

quantidade desejada para a caracterização do carvão ativado, e para os testes experimentais,

fosse obtida.

4.2.3 CARACTERIZAÇÃO DO CARVÃO ATIVADO

Após a produção do carvão ativado, realizou-se a caracterização de algumas de suas

propriedades: densidade aparente, pH e teor de umidade.

4.2.3.1 Densidade Aparente

A determinação da densidade aparente foi realizada em triplicata. Inicialmente, uma

quantidade de carvão ativado suficiente para encher uma proveta até a marca de 100 ml (V) foi

pulverizada com granulometria de 200 mesh. Em seguida secou-se o carvão ativado em estufa

de secagem e esterilização a 130− + 5°𝐶 por três horas, depois o carvão ativado foi colocado em

dessecador até atingir a temperatura ambiente. Avaliou-se a massa de uma proveta de 200 ml

(M1), em balança analítica, e adicionou-se à proveta o carvão ativado até a marca de 100 ml,

agitou-se a proveta para melhor compactação das partículas e pesou-se a massa do conjunto

proveta mais carvão (M2). A densidade aparente foi calculada segundo a equação (01):

𝜌𝑎 =𝑀2−𝑀1

𝑉 Equação (01)

4.2.3.2 Efeitos do pH

A determinação do pH foi realizada em triplicata. Para esse procedimento utilizou-se a

faixa granulométrica entre as peneiras de 28 mesh (0,595 mm) e a de 48 mesh (0,297 mm).

Secou-se o carvão ativado em estufa de secagem e esterilização, a uma temperatura de

130°𝐶−+ 5°𝐶 durante três horas. Em seguida 10 gramas de carvão ativado foram pesados em

balança analítica e colocados em contato com 100 ml de água destilada. Esta suspensão foi

aquecida em banho termostático até a temperatura de 90 °C e agitada por 15 minutos. Em

seguida, filtrou-se imediatamente a solução em papel de filtro e deixou resfriar até a temperatura

de 50°𝐶−+ 5°𝐶 e mediu-se o pH. Utilizou-se fita de pH.

4.2.3.3 Teor de Umidade

A determinação do teor de umidade foi realizada em duplicata e utilizou-se o método de

teste de carvão ativado mais fino que 48 mesh (0,279 mm). Inicialmente pesou-se 2 gramas de

carvão ativado em béquer de 100 ml, previamente tarado em balança analítica, e primeiramente

foi anotada a massa do recipiente vazio (B), e depois a massa do recipiente mais a massa de

carvão ativado original (C). Em seguida as amostras foram colocadas em estufas de secagem a

uma temperatura de 150°𝐶−+ 5°𝐶 por um período de três horas. Após este tempo as amostras

fora retiradas da estufas e resfriadas em dessecador com sílica gel até atingirem a temperatura

ambiente. As amostras secas foram pesadas, e o valor da massa do recipiente com a amostra

seca (D) foi anotada. E o cálculo de determinação do teor de umidade foi feito segundo a

equação abaixo:

𝑇𝑈 (%) =(𝐶−𝐷)

(𝐶−𝐵). 100 Equação (02)

4.2.4 ÁGUA BRUTA

As amostras de água bruta utilizadas nos ensaios foram coletadas na margem do rio

Guamá, em frente a Universidade Federal do Pará, e transportadas até o laboratório em garrafas

de plástico.

A água bruta foi caracterizada através de parâmetros físico-químicos, como pH,

condutividade, dureza total, cor aparente, turbidez, sólidos totais e demanda química de

oxigênio (DQO). Os métodos analíticos empregados para a caracterização da água bruta

seguiram as normas do equipamento.

4.2.5 ENSAIOS DE ADSORÇÃO

Os testes de adsorção, com o carvão ativado, foram realizando em uma coluna de 15 cm

de altura por 2,5 cm de diâmetro. Os testes foram realizados a temperatura ambiente e a vazão

de entrada foi de 2,6968 cm3/s. Os testes foram realizados com diferentes granulometria do

adsorvente (carvão ativado) utilizado na coluna de adsorção. Os ensaios de adsorção com

carvão ativado foram realizados no Laboratório de Bioprocessos da Faculdade de Engenharia

Química (LEQ/FEQ/ITEC/UFPA).

A coleta ocorreu no intervalo de tempo de 40 minutos, as amostras dos primeiros 5

minutos foram desconsideradas. Duas coletas foram realizadas, cada uma com intervalo de

tempo de 15 minutos, esse tempo de coleta foi devido à vazão de saída ser muito lenta. As

amostras foram coletadas em frascos plásticos e levadas para análise dos parâmetros físico-

químicos, as analise foram realizadas no Laboratório de Recursos Hídricos da Faculdade de

Engenharia Sanitária e Ambiental (LAESA/FAESA/ITEC/UFPA).

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DO CAROÇO DE AÇAÍ

Com relação à caracterização física do caroço de açaí, com os 100 caroços medidos,

obtivemos um volume médio de 1,8642 cm3 e uma massa especifica média de 56,1683 g/cm3.

A figura 01 mostra as amostras de cada fase do processo de limpeza do caroço de açaí.

Figura 01: Caroços de açaí em cada fase da limpeza

Como se pode notar na figura 01 cada fase teve o objetivo de limpar o caroço de açaí,

para que o resultado não tenha erros de medida e também para que futuramente o carvão ativado

tenha um bom rendimento. No item A temos a amostra bruta, depois do processo de

beneficiamento, cheia de resíduo. No item B temos amostra já lavada e seca. No item C temos

o caroço já sem a parte fibrosa e no item D temos as fibras retiradas do caroço de açaí.

5.2 CARACTERÍZAÇÃO DO CARVÃO ATIVADO

Após a preparação, o carvão ativado quimicamente foi caracterizado quanto a sua

densidade aparente, teor de umidade e efeitos do pH. As figuras abaixo mostram a matéria

prima utilizada antes e depois da queima. A figura 2 mostra o caroço de açaí antes da queima e

ativação, a figura 3 mostra a carvão ativado.

Figura 02 e 03: Caroço de açaí natural e Carvão ativado granular, respectivamente.

5.2.1 Densidade aparente

Os resultados obtidos para a densidade aparente do carvão ativado estão inseridos na

tabela 1:

Tabela 1 – Densidade aparente do carvão ativado.

Proveta M1 M2 M2-M1=M3 M3\100

100ml (g) (g) (g) (g\cm3)

158,507 211,8578 53,3508 0,5335

158,3711 209,081 50,7099 0,5071

158,3212 210,5937 52,2725 0,5227

Média 0,5211

5.2.2 Teor de umidade

Os resultados obtidos para o teor de umidade do carvão ativado estão inseridos na tabela

2:

Tabela 2 – Teor de umidade do carvão ativado.

Béquer B (g) C (g) D (g) TU (%)

100 ml

1 52,404 54,2122 54,2122 11,21

2 52,2254 54,237 54,0069 11,44

Média 11,325

5.2.3 Efeitos do pH

Os resultados obtidos para o pH do carvão ativado estão inseridos da tabela 3:

Tabela 3 - pH do carvão ativado quimicamente a 550°C

Amostras pH

Características do

carvão ativado

1 11

2 10

3 10

Média 9,6667 Alcalino

Os resultados médios obtidos mostram que o carvão ativado ficou alcalino, como já era

esperado. Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), o pH deve estar abaixo de 4 e acima de 10

para que o carvão ativado seja um adsorvente mais eficiente.

5.3 CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA BRUTA

Os parâmetros físico-químicos da água bruta estão apresentados na tabela 4:

Tabela 4 – Parâmetros físico-químicos da água bruta.

Parâmetros Água Bruta

Condutividade 87,2

(µS)

pH 6,35

Cor aparente

(uC) 235

Turbidez

(uT) 261

Demanda Química de Oxigênio

(mg/L de O2) 27

Dureza Total

(mg/L de CaCO3) 2,37

Os valores elevados obtidos na caracterização físico-química da água bruta, como cor

aparente, turbidez e sólidos totais deve-se ao fato da água do rio Guamá ser muito barrenta, e

ter uma alta concentração de matéria orgânica.

5.4 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE ADSORÇÃO

Para os ensaios de adsorção, foram testadas várias faixas granulométricas. Nos

primeiros testes realizados utilizando o carvão ativado granular não teve uma adsorção muito

eficiente e por este motivo optou-se por utilizar o carvão ativado pulverizados, pois, uma vez

que quanto menores forem os grãos, maior será sua área superficial, facilitando a adsorção. A

faixa granulométrica utilizada foi de 28 mesh (0,595 mm) a 48 mesh (0,295 mm), essa faixa

granulométrica obteve os melhores resultados nos teste. Nos testes utilizando uma

granulometria menor que a de 48 mesh (0,295) a leito empacotava, a água demorava muito

tempo para percolar o leito e a quantidade de água era muito pequena. A figura 4 mostra a

amostra de carvão ativado pulverizado que foi utilizada nos ensaios de adsorção.

Figura 4: Carvão ativado a 550°C pulverizado.

A figura 5 mostra a coluna de adsorção usada nos testes de adsorção com carvão

ativado pulverizado, a faixa granulométrica utilizada foi de 28 mesh.

Sólidos Totais

(mg/L) 546

Figura 5: Coluna de adsorção de leito fixo com carvão ativado

Os parâmetros físico-químicos da água após os ensaios de adsorção estão apresentados

na tabela 5:

Tabela 5 – Parâmetros físico-químicos da água após os ensaios de adsorção.

Parâmetro Água Bruta

Água Filtrada após

5 minutos

Água filtrada após

20 minutos

pH 6,35 7,01 7,35

Cor aparente

(uC) 235 113 93

Turbidez

(uT) 261 37,5 31,2

Demanda Química de Oxigênio

(mg/L de O2) 27 8 9

Sólidos totais

(mg/L) 546 188 176

Podemos notar que houve uma redução significativa de sólidos totais presente na água

após o primeiro ensaio de adsorção e um pouco maior após o segundo. Com relação à turbidez

também é possível notar uma redução significativa nos dois testes. A análise de cor aparente

não obteve resultados muito satisfatórios, pois a redução não foi muito eficiente. Para o

parâmetro de pH houve um aumento, deixando a água levemente alcalina.

A demanda química de oxigênio (DQO) corresponde à quantidade de oxigênio

necessária para oxidar matéria orgânica. Este parâmetro foi utilizado para se avaliar possível

incorporação de carga orgânica na água pelos carvões ativados. E podemos notar que houve

uma redução considerável deste parâmetro, ou seja, houve uma incorporação considerável de

matéria orgânica pelo carvão ativado. A figura 6 mostra a água bruta e a água após o ensaio de

adsorção.

Figura 6: Água Bruta e Água filtrada após passar pela coluna de adsorção

Para saber a eficiência do sistema, coluna de adsorção mais membrana de microfiltração,

coletou-se a água que saia da coluna e a utilizou no sistema de membrana de microfiltração da marca

PAM. Os dados obtidos para os parâmetros físico-químicos estão dispostos na tabela 6:

Tabela 6 – Parâmetros físico-químicos da água após passa pela coluna de adsorção e pela membrana de

MF

Parâmetros Água Filtrada+ Membrana de MF

pH

7,51

Cor Aparente

(uC)

3,2

Turbidez

(uT) 0,75

Demanda química de oxigênio

(mg/L de O2) 0

Sólidos Totais

(mg/L) 0

6 CONCLUSÃO

O adsorvente carvão ativado de caroço de açaí ativado quimicamente a 550°C durante

três horas, que foi utilizado nesse estudo, se mostrou um bom adsorvente. Porém algumas de

suas propriedades não foram analisadas, o que poderia contribuir para melhor análise desse

adsorvente.

Com relação aos testes de adsorção com diferentes faixas granulométricas, ficou

evidente que para menores granulometrias a adsorção ocorria de maneira mais eficiente. Porém,

como potência da bomba peristáltica era pequena, a água bruta não conseguiu percolar o leito

com carvão ativado com a faixa granulométrica menor que 48 mesh.

Nos ensaios de adsorção utilizando um carvão ativado com granulometria de 28 mesh,

alguns dos parâmetros físico-químicos tiveram bons resultados, como sólidos totais e a

turbidez, que obtiveram uma redução bem significativa. Porém, como esses valores ainda,

segundo a portaria n° 518/2004 do Ministério da Saúde, não são aceitáveis para considerar essa

água apropriada para o consumo humano.

O adsorvente, com essa granulometria, saturava em pouco tempo. Isso pode ter ocorrido

devido à água bruta ter uma alta concentração de sólidos. Uma sugestão para trabalhos futuros,

séria adicionar uma etapa de filtração, com areia ou outro material de baixo custo, ou um tanque

de decantação antes de passar a água pela coluna de adsorção.

No fluxograma do projeto a coluna de adsorção está depois do sistema de membranas,

e os testes mostraram que o sistema de membranas é muito mais eficiente que a coluna, e como

a carga de matéria orgânica da água do rio Guamá é muito grande, uma sugestão séria colocar

a membrana por ultimo para aumenta sua vida útil, já que ela filtra com mais eficiência quando

a água bruta passa antes pela coluna de adsorção, como mostra a tabela 6. Os parâmetros físico-

químicos obtidos deste teste são aceitáveis e entram de acordo com os valores exigidos pelo

Ministério da Saúde.

7 ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES

As metodologias e estratégias de ação a serem desenvolvidas em projeto futuros são

descritas a seguir:

Dimensionamento de uma Coluna de Adsorção por carvão ativado para um sistema

real.

Tratamento dos dados e comparação dos resultados obtidos utilizando o sistema

proposto com métodos convencionais utilizados e outros modelos propostos

mencionados na literatura;

Realizar a estimativa de custo para a produção do sistema de membranas acoplado à

coluna de adsorção por carvão ativado.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

DI BERNARDO, L; DANTAS, A. D. B. Métodos e técnicas de tratamento de água. 2 ed. São

Carlos: Rima, 2005.1565p

SOARES, A. G; Adsorção de Gases em Carvão Ativado de Celulignina, Tese de Doutorado,

Universidade Estadual de Campinas, p. 15-25, Campinas, 2001.

TEXEIRA, B. L.,et al Compostagem: Lixo orgânico urbano e resíduo da agroindústria do

açaí. Embrapa Amazônia Oriental, Albras, 1. ed. Belém: Albras. 2006.

MIERZWA, J. C. Processo de Separação por Membranas para o Tratamento de Água. ln:

PÁDUA, V. L (coord.). Contribuição ao estudo da remoção de cianobactérias e micro-

contaminantes orgânicos por meio de técnicas de tratamento de água para consumo

humano. Rio de Janeiro: ABES, 2006.

BRASIL, Ministério da Saúde. Portaria n° 518 de 25 de Março de 2004. Estabelece os

procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para

consumo humano e seu padrão de potabilidade. Disponível em: <

http://bvsms.saude.gov.br/bvs/publicacoes/portaria_518_2004.pdf>. Acessado em 08/08/2015.