Tratamento De Aguas E Efluentes Industriais

Transcript

Química Industrial – Profa. Míriam M. Pinto Tratamento de águas e efluentes industriais Baseado em Trovati, J.; Tratamento de água para geração de vapor: caldeiras (ano não disponível). Trovati, J.; Tratamento de água de resfriamento (ano não disponível). Shreve, R.N; Brink, J.A. Indústrias de processos químicos, 4ª. Edição, 1997 Tratamentos de superfície Os metais utilizados nos sistemas de resfriamento (principalmente aço carbono, ferro e ferro fundido) podem receber tratamentos anticorrosivos em sua superfície, que impedem que o metal entre em contato direto com o ambiente. Estes tratamentos podem ser feitos com base em processos de galvanoplastia (tais como cromação, galvanização, niquelação, etc.) ou por meio de pinturas específicas (zarção, primers, fosfatizantes, tintas epóxi, recobrimento com PVC). Ao ser aplicado este tipo de tratamento, deve-se assegurar a integridade do filme de proteção formado, uma vez que qualquer descontinuidade ou falha no mesmo pode ocasionar pontos de corrosão localizada. Inibidores de corrosão São os métodos de controle de corrosão mais empregados em sistemas de resfriamento. Seus princípios de funcionamento baseiam-se no impedimento ou diminuição nas reações de óxido-redução que caracterizam os processos corrosivos. Assim, podemos classificar os inibidores de corrosão em duas classes: inibidores anódicos e inibidores catódicos, ou ainda aqueles que apresentam ambas as propriedades. Normalmente são empregadas combinações de inibidores, visando controlar a corrosão em todas as frentes. Águas servidas industriais Problema mais complexo e mais difícil que o tratamento de esgotos devido a grande diversidade de contaminantes químicos de cada tipo de instalação industrial. Rejeitos ácidos ou básicos são neutralizados Rejeitos com matéria orgânica são tratados como os esgotos Resta o problema dos rejeitos dos tratamentos feitos para tratar a água servida. Inibidores anódicos Atuam nas áreas anódicas do metal, onde há fuga de elétrons e formação de átomos com estados de oxidação superiores (tais como o Fe2+). Os inibidores anódicos funcionam basicamente de duas formas: reagem com os íons metálicos produzidos no ânodo e formam um filme de óxidos combinados, isolando o metal base e impedindo o prosseguimento das reações anódicas. formam um filme adsorvido sobre a superfície anódica, impedindo o fluxo de íons e elétrons nessa região, além de isolá-la do contato direto com o ambiente. Tratamento terciário A águra ainda contém P, N e C que podem servir de nutrientes para o crescimento de algas e outras plantas aquáticas. Retirada do P como fosfatos é feita pela precipitação com cal ou hidróxido de alumínio. Inibição à corrosão Para controle da corrosão em sistemas de resfriamento, os métodos usualmente empregados são: Tratamentos de Superfície Inibidores de Corrosão Métodos alternativos de prevenção de incrustações Pré-Tratamento: Consiste em remover, antecipadamente, o material dissolvido e em suspensão na água de alimentação do sistema. Normalmente empregam-se aparelhos de troca iônica (abrandadores e/ou desmineralizadores) para remoção dos sais dissolvidos. Para eliminar o material suspenso, utiliza-se uma clarificação da água seguida por filtração, podendo inclusive ser feita uma cloração para ajudar no controle de desenvolvimento microbiológico. Reaproveitamento de Águas Condensadas Modificação de cristais Sem tratamento, as incrustações inorgânicas são formadas por retículos cristalinos que de desenvolvem de maneira bem regular, o que favorece seu crescimento após a formação e aderência sobre as superfícies metálicas. A modificação de cristais age pela distorção dos mesmos, impedindo seu crescimento ordenado e alterando sua forma. Com isso, os cristais tendem a não se aderir sobre as superfícies e permanecem dispersos no líquido, favorecendo sua eliminação pelas descargas. Alguns produtos orgânicos naturais, tais como ligninas e taninos, foram e ainda são usados com esta finalidade. Ultimamente, o uso de polímeros e copolímeros sintéticos específicos (poliacrilatos, maleicos, fosfino-carboxílicos, entre outros) tem se mostrado mais vantajoso. Dispersão Os princípios de ação utilizados por este tipo de tratamento são: Efeito Limiar ("Threshold") também chamado de "seqüestração" Ação dispersiva Efeito Surfactante Modificação de Cristais Seqüestração Caracterizado pela redução na tendência de precipitação de compostos de cálcio, magnésio, ferro, manganês, etc. As principais classes de produtos que exibem estas propriedades são os polifosfatos, fosfonatos (compostos organofosfóricos) e polímeros/ copolímeros (acrílicos, maleicos, estireno-sulfonados, carboxílicos etc.). Ação dispersiva Apresentada comumente por compostos organofosfóricos e polieletrólitos que, por sua vez, tendem a se adsorver sobre a superfície de partículas em suspensão, tais como núcleos de precipitação de sais. O produto adsorvido sobre a partícula confere-lhe cargas elétricas, fazendo com que as mesmas exerçam forças de repulsão entre elas e, assim, permaneçam dispersas. Em outras palavras, a ação dispersiva atua de modo oposto à coagulação. Efeito surfactante Empregado para agir contra material orgânico, principalmente quando originado do desenvolvimento microbiológico. Normalmente são compostos que aumentam a hidratação das partículas, solubilizando-as e mantendo-as dispersas, sem tendência a se depositarem. O princípio de ação dos surfactantes é semelhante ao de um detergente ou sabão: um dos extremos da molécula interage com o material orgânico, e o outro extremo é solúvel em água. Normalmente, utilizam-se produtos a base de compostos etoxilados ou copolímeros de óxidos de etileno-propileno combinados (EO-PO). Tratamento secundário A matéria orgânica dissolvida é oxidada de forma a reduzir de 85 a 90% a DBO. Utiliza lodo ativado e sistema de aeração O lodo ativado contém microorganismos aeróbicos que digerem o material do esgoto. Tratamento primário Reduz de 30 a 60% dos sólidos suspensos e da DBO Consiste de peneiramento, clarificação, filtração e cloração Tratamento de águas servidas Os métodos de tratamento de esgotos são geralmente divididos em: Primários ou tratamento físico; Secundários ou tratamento bioquímico e Terciário Controle de desenvolvimento microbiológico Por se tratarem de agentes potencialmente poluidores, deve haver rigoroso critério na escolha do biocida e sua dosagem, de modo a evitar o descarte de água que poderá contaminar ou prejudicar o meio ambiente. Os biocidas para águas de resfriamento podem ser classificados em dois grupos: oxidantes e não-oxidantes. Controle de desenvolvimento microbiológico Preventivamente, é desejável a utilização de água com boa qualidade para alimentação do sistema de resfriamento, preferencialmente clarificada, filtrada e clorada/ esterilizada, o que minimiza a entrada de microrganismos no sistema. No entanto, uma vez instalados, o meio usualmente empregado para combatê-los é através do extermínio direto desses seres, o que normalmente é feito usando de produtos químicos denominados biocidas. Inibidores catódicos Os principais inibidores catódicos usados em sistemas de resfriamento são: Polifosfatos: Apresentam boa inibição de corrosão quando íons de metais bivalentes estiverem presentes na água, tais como cálcio. Além da inibição da corrosão, os polifosfatos também atuam como inibidores de incrustação. Zinco: São usualmente empregados em combinações com outros inibidores de corrosão (polifosfatos, fosfonatos, etc.), pois seu uso isolado tem se mostrado pouco eficiente. Carbonato de Cálcio: Quando devidamente controlado, um fino depósito de carbonato de cálcio pode agir como inibidor de corrosão, principalmente em águas contendo quantidade razoável de dureza cálcio. No entanto, deve-se atentar para o não desenvolvimento de incrustações que podem causar maiores problemas, sendo de fundamental importância o uso de dispersantes eficientes. Inibidores catódicos Estes inibidores agem preferencialmente, porém não obrigatoriamente, nas zonas catódicas dos processos corrosivos. O mecanismo de ação também se baseia na formação de barreiras e filmes protetivos, que restringem o fluxo de íons hidrogênio, hidroxilas e oxigênio para as superfícies catódicas que completam as reações de corrosão. Inibidores anódicos Nitritos: Apresentam excelente efeito de inibição de corrosão em aço carbono, porém não são utilizados em sistemas abertos devido à toxidez e por ser facilmente decomposto em nitrato, por ação de nitrobactérias. Lignosulfonados e Taninos: Tendem a formar um filme orgânico adsorvido sobre a superfície do metal, protegendo-o da corrosão. Por serem de origem orgânica e biodegradáveis, não são tóxicos ao ambiente. Polímeros: Certos polímeros de baixo peso molecular, tais como poliacrilatos e polimaleatos, exibem propriedades de inibição de corrosão quando usados em águas com concentrações razoáveis de carbonato de cálcio. Silicatos: Formam um filme adsorvido sobre a superfície do metal. Sua performance é muito afetada pelas condições operacionais (pH, temperatura, qualidade da água) e, por isso, também são pouco utilizados em sistemas abertos. Biocidas oxidantes Têm seu princípio de ação fundamentado na oxidação da matéria orgânica presente nos seres vivos, destruindo suas estruturas vitais e assim causando a morte dos mesmos. Biocidas oxidantes: Cloro e compostos O gás cloro (Cl2), hipoclorito de sódio ou cálcio (NaClO e Ca(ClO)2), o dióxido de cloro (ClO2) e vários outros compostos derivados são empregados no tratamento de águas de resfriamento. Seus princípios de ação fundamentam-se na formação do ácido hipocloroso (HClO), que é o principal responsável pela ação oxidante do composto. As reações envolvidas neste processo estão relacionadas abaixo (tomamos como exemplo de partida o gás cloro): Cl2 + H2O H+ + Cl- + HClO; HClO H+ + ClO- A dissociação dos compostos clorados para formação do ácido hipocloroso é bastante dependente do pH, o que restringe os processos de cloração em águas a valores de pH abaixo de 8,5. Biocidas oxidantes: Peróxidos Devido ao seu poder oxidante, alguns peróxidos, principalmente o peróxido de hidrogênio (H2O2) podem ser usados para controle do desenvolvimento microbiológico em sistemas de resfriamento. Normalmente, estes compostos são dosados diretamente no equipamento que está apresentando problemas (tais como biofilmes em trocadores de calor). Tem a desvantagem de ser bastante volátil, o que diminui sua eficiência, além de poder aumentar os processos corrosivos. Tratamento de águas servidas A extensão do tratamento necessário é medida em duas bases: Teor de sólidos suspensos Demanda bioquímica de oxigênio – DBO que mede o teor de impurezas pela necessidade de oxigênio necessária para oxidá-la. Tratamento de águas servidas - ETE Esgoto afluente Peneira Leito de lodo ativado aerador Espessador reuso Tanque de AI Biocidas não-oxidantes Esta classe de biocidas, representada por inúmeros compostos químicos distintos, apresentam mecanismos de ação peculiares e específicos para o controle dos microrganismos. A tendência atual é utilizar produtos de ação relativamente rápida, eficientes na eliminação dos microrganismos de interesse, de baixa toxidez ao ser humano e demais animais e plantas superiores, que apresente elevada degradabilidade e, finalmente, de baixo impacto ambiental. Biocidas oxidantes: ozônio O ozônio (um alótropo do oxigênio de fórmula O3) também pode ser usado como sanitizante em águas de resfriamento. No entanto, devido ao alto custo dos equipamentos destinados à geração desse gás e à sua volatilidade extremamente alta, é usado somente em alguns casos particulares. Por outro lado, o ozônio é empregado com certa freqüência no tratamento de água potável e também em alguns efluentes. Dispersão Este é o mecanismo mais utilizado para prevenção de incrustações de origem inorgânica, apresentando uma série de qualidades que o tornam eficaz mesmo para sistemas que trabalham com elevadas concentrações de sais. Tratamentos para água de refrigeração Remoção de contaminantes de origem orgânica: floculação Remoção de contaminantes de origem inorgânica: dispersão Inibição à corrosão Controle de desenvolvimento microbiológico Tratamentos para água de refrigeração Fundamentalmente, os objetivos do tratamento da água de resfriamento são: Evitar a formação de incrustações Minimizar os processos corrosivos Controlar o desenvolvimento microbiológico Etapas de clarificação da água Figura 1: Representação das etapas de clarificação da água Processos de troca iônica Tratamento complementar que visa a remoção dos íons dissolvidos na água (cálcio, magnésio, sílica, etc). Faz uso das resinas de troca iônica que são pequenas esferas porosas de material plástico em cuja superfície estão ligados os íons que serão usados na troca. Existem dois tipos básicos de resina: as catiônicas, que trocam íons positivos (tais como Ca2+, Mg2+, Na2+, H+, Ba2+) e as aniônicas, que trocam íons negativos (Cl-, OH-, SiO32-). O processo consiste em fazer a água a ser tratada passar por um ou mais leitos dessas resinas, as quais retém os íons de interesse. Chegará um momento em que o leito estará saturado e deverá ser regenerado adequadamente. Abrandamento e desmineralização Abrandamento Consiste na remoção de Ca2+ e Mg2+ da água. Faz uso de resinas que trocam íons sódio (Na+) ou hidrogênio (H+). Após saturação do leito, a regeneração é feita com NaCl ou HCl (as vezes H2SO4). Desmineralização Processo completo, removendo íons positivos e negativos da água deixando-a praticamente isenta de materiais dissolvidos. Consiste em fazer a água passar por um abrandador operando com resina de ciclo H+ e, após, passar por um leito de resina aniônica, que troca íons OH-. Este procedimento remove sílica e silicatos solúveis, além de carbonatos, sulfatos e cloretos. Após saturação do leito, normalmente é feita regeneração com soda cáustica (NaOH). Processo de abrandamento Remoção de cálcio e magnésio da água Uso de resinas de ciclo sódio ou hidrogênio Regeneração com cloreto de sódio ou ácido clorídrico FIGURA 2: ilustração de um processo de abrandamento por troca iônica (ciclo hidrogênio). Desmineralização Trata-se de um processo completo, removendo os íons positivos e negativos da água e deixando-a praticamente isenta de materiais dissolvidos. Consiste em fazer a água passar por um abrandador operando com resina de ciclo hidrogênio e, após, passar por um leito de resina aniônica, que troca íons hidroxila (OH-). Este procedimento é capaz de remover a sílica e silicatos solúveis, além de carbonatos, sulfatos e até cloretos. Após saturação do leito, normalmente é feita regeneração com soda cáustica (NaOH). Clarificação/filtração Este método é bastante utilizado para combater incrustações de origem orgânica, tais como contaminações da água por materiais de processo (óleos, hidrocarbonetos, etc.), microrganismos e produtos originados de seu metabolismo (proteínas, lipídeos, polissacarídeos), lodos de maneira geral, material particulado etc. Clarificação/filtração Operação realizada em uma estação de tratamento de água (ETA), responsável pela eliminação de material suspenso na água. processo de coagulação / floculação das impurezas com a adição de um ou mais produtos tais como sulfato de alumínio, cloreto férrico, polímeros de acrilamida e policloretos de alumínio - PACs (também chamados de polieletrólitos) e taninos modificados. O produto aglutina as impurezas da água por interações eletrostáticas e adsorção física e promove a formação de flocos que se sedimentam e são eliminados. A água clarificada é então submetida a filtração, normalmente em leito de areia, por meio dos filtros que operam por gravidade ou pressão. Ao término deste processo a água pode ser submetida a tratamentos complementares como a desinfecção por cloração. Tratamentos preliminares da água São procedimentos visando retirar impurezas e evitar as conseqüências de sua presença. O tratamento preliminar atua primeiramente sobre as impurezas mais grosseiras, tais como turbidez, sólidos em suspensão e material orgânico. Posteriormente, são feitos tratamentos mais sofisticados para eliminação do material dissolvido. Águas industriais Recebem a denominação de águas industriais aquelas utilizadas em plantas industriais para: Geração de vapor/energia Refrigeração/resfriamento Lavagens e outros usos diversos Sistema de águas na CST Captação no Rio Santa Maria ETA floculação decantação Água industrial Tanque de AI Usos diversos como umidificação de estoques Clora- ção Tanque de AP Consumo na usina ETE lodo ativado espessador Estação desmi Geração de vapor Uso de vapor condensação Estação reuso Tanque de condensado ETE compacta Declo ração Impurezas encontradas na água Geralmente, nas águas superficiais e subterrâneas que são usadas nos processos industriais, encontramos as seguintes substâncias dissolvidas: Dureza, representada basicamente pelos íons cálcio e magnésio (Ca2+ e Mg2+), principalmente os sulfatos (SO42-), carbonatos (CO32-) e bicarbonatos (HCO3-). Sílica solúvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) associados a vários cátions. Óxidos metálicos (principalmente de ferro), originados de processos corrosivos. Diversas outras substâncias inorgânicas dissolvidas. Material orgânico, óleos, graxas, açúcares, material de processo, contaminantes de condensados, etc. Gases, como oxigênio, gás carbônico, amônia, óxidos de nitrogênio e enxofre. Materiais em suspensão, como areia, argila, lodo, etc. Tratamentos para geração de vapor Remoção de contaminantes de origem orgânica Remoção de contaminantes de origem inorgânica (sais de Ca2+, Mg2+, sílica e silicatos Remoção de oxigênio Desmineralização FIGURA 3: Princípio de funcionamento de uma resina aniônica. Osmose reversa Consiste em fazer a água previamente filtrada passar por dispositivo normalmente cilíndrico denominado "permeador", onde os sais presentes na água são retidos por membranas seletivas especialmente fabricadas. A água pura é eliminada radialmente pelo permeador, enquanto que a parcela de água não permeada é descartada a uma concentração mais elevada de sais. Este fato constitui uma das desvantagens do sistema, além do alto custo e da necessidade de se operar com vários permeadores em paralelo para obtenção de uma vazão razoável. Esquema de osmose reversa Emprego de membranas desenvolvidas para esse fim Usadas em processos de dessalinização FIGURA 4: Esquema de funcionamento de um sistema de tratamento de água por osmose reversa. Corrosão FIGURA 5: Representação de uma célula de corrosão clássica. Remoção do oxigênio da água Um dos meios mais simples e eficientes de se combater a corrosão elementar nas tubulações metálicas é pela remoção do oxigênio dissolvido na água. Não havendo oxigênio, não há receptor para os elétrons provenientes do ferro e, assim, o ciclo não se completa. A remoção do oxigênio é feita de dois modos: mecanicamente e quimicamente. Desaeração mecânica Consiste em fazer a água passar por um equipamento chamado "desaerador" o qual, trabalhando em temperatura elevada promove uma grande área de contato para expulsão do ar dissolvido. Existem dois tipos básicos desse equipamento: o tipo spray e o tipo que contém bandejas. Alguns desaeradores, principalmente para caldeiras de alta pressão, podem trabalhar a vácuo, o que ajuda na remoção do oxigênio. Desaeração química: sequestrantes de oxigênio Na maioria das vezes o desaerador não consegue eliminar totalmente o oxigênio dissolvido na água. Após o elemento desaerador, deve-se fazer a adição de um composto químico capaz de remover o oxigênio ainda presente na água. Utilizam-se normalmente as seguintes substâncias: Sulfito de Sódio Hidrazina (Dietilhidroxilamina), amina com características redutoras Ácido Iso-ascórbico Alguns sacarídeos (tais como glicose): usados em aplicações específicas Hidroquinona Taninos Aminoguanidinas Hidrazidas e polímeros contendo este grupo funcional (-CONHNH2) Corrosão Quimicamente, as reações envolvidas são: Fe0 Fe 2+ + 2e- (ânodo) ½O2 + H2O + 2e- 2(OH)- (cátodo) Fe2+ + 2(OH)- Fe(OH)2 2Fe(OH)2 + ½O2 + H2O 2Fe(OH)3 2Fe(OH)3 Fe2O3 . 3H2O Corrosão O mecanismo básico para o processo de corrosão é: 1. Na região anódica, átomos de ferro (Fe0) passam para o estado de oxidação II, formando Fe 2+. 2. Devido a formação do Fe2+ , dois elétrons migram pelo metal para a área catódica. 3. Se houver oxigênio presente na água, o mesmo move-se para a área catódica e ingressa no circuito, usando os elétrons que migraram para o cátodo e formando íons (OH-) na superfície do metal. 4. Os íons OH- deslocam-se para a região anódica, onde reagem com os íons Fe2+ formando hidróxido ferroso, Fe(OH)2, que se deposita ao redor da área anódica. Esta etapa completa o ciclo básico do processo. 5. O Fe(OH)2 formado é instável e, na presença de oxigênio e/ ou íons OH-, forma-se hidróxido férrico Fe(OH)3. 6. O Fe(OH)3 tende a se decompor em Fe2O3, que é o óxido férrico, conhecido como ferrugem. Corrosão A corrosão envolve reações de óxido-redução. É um processo eletroquímico no qual o ânodo (onde ocorre oxidação – perda de elétrons), que é consumido, está separado por uma certa distância do cátodo, onde ocorre redução (ganho de elétrons). Outros processos de abrandamento A água também pode ser abrandada, embora não totalmente, por processos químicos como tratamento com cal Ca(OH)2 e barrilha (Na2CO3) (também chamado "cal sodada") ou fosfatos. Estes processos são usados quando a dureza da água é excessivamente elevada e não se encontra nenhuma outra fonte de água de melhor qualidade. DESTILAÇÃO Consiste em vaporizar a água e condensá-la em seguida para produção de água pura. Devido ao alto custo operacional, este processo somente é empregado em locais com elevada disponibilidade de energia (combustível barato ou abundante) e em instalações marítimas, para utilização da água do mar. Desaeração Um tratamento complementar que também deve ser executado é a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos na água,por meio de uma desaeração para evitar a corrosão da tubulação metálica dos equipamentos por onde a água circular. Corrosão Corrosão pode ser definida como a destruição da estrutura de um metal devido a reações químicas e/ ou eletroquímicas com o ambiente em que o mesmo se encontra. A corrosão é uma forma natural dos metais voltarem ao estado original em que eram encontrados na natureza, tais como nos minérios (óxidos); isto ocorre porque, nesta forma, os metais apresentam-se da maneira mais estável possível do ponto de vista energético. Inibidores anódicos Os principais inibidores de corrosão anódicos são: Cromatos: O melhor e um dos mais eficientes inibidores de corrosão anódicos. Atualmente não são mais empregados, devido à sua elevada toxidez e agressividade à flora e fauna aquáticas. Ortofosfatos: Atuam através da formação de um filme cristalizado de ortofosfato de ferro (Fe3(PO4)2). Porém, este filme é mais espesso, poroso e menos resistente que o formado pelo cromato. Molibdatos, Tungstatos: Agem de modo semelhante ao cromato. Seu uso em sistemas semi-abertos de resfriamento não é muito difundido devido ao elevado custo. No entanto, é empregado com sucesso em sistemas fechados. Clique para editar o estilo do título mestre nº Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar o estilo do subtítulo mestre 1 Química Industrial – Profa. Míriam M. Pinto Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível Clique para editar os estilos do texto mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº Clique para editar o estilo do título mestre nº nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível Clique para editar os estilos do texto mestre nº 1 Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº Clique para editar o estilo do título mestre Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível Terceiro nível Quarto nível Quinto nível nº