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Tratamento de Água 526/01 – TECNOLOGIA QUÍMICA O tratamento de água é um conjunto de procedimentos físicos e químicos que são aplicados na água para que esta fique em condições adequadas para o consumo, no caso de água potável, e no caso das águas industriais utilizadas, para o bom funcionamento dos equipamentos de refrigeração e aquecimento TRATAMENTO DE ÁGUA ORGANIZAÇÃO MUNDIAL DE SAÚDE (OMS) Órgão responsável por estabelecer os padrões mínimos de potabilidade da água BRASIL - MINISTÉRIO DA SAÚDE Responsável pelo controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade PORTARIA 518 DE 25 DE MARÇO DE 2004 Padrão de potabilidade – conjunto de valores máximos permissíveis das características de qualidade da água destinada ao consumo humano. ÁGUAS NATURAIS E SEUS CONSTITUINTES Águas naturais podem ser classificadas como superficiais ou subterrâneas, e as impurezas presentes variam devido à natureza do solo, das condições climáticas, origem e grau de poluição. Diversos tipos de águas encontrados na natureza nunca são puros, pois todos apresentam certa quantidade de impurezas. Constituintes geralmente encontrados junto com a água: Sais minerais dissolvidos (inorgânicos) Matéria orgânica em suspensão Material coloidal Gases dissolvidos Microorganismos INDICADORES QUÍMICOS, FÍSICOS E BIOLÓGICOS FÍSICOS Cor – substâncias de natureza orgânica Turbidez – partículas coloidais Sabor e odor – poluentes industriais, matérias orgânicas em decomposição QUÍMICOS Salinidade, dureza, alcalinidade, corrosividade, impurezas orgânicas, nitrogênio e cloretos, compostos tóxicos, fenóis, detergentes, agrotóxicos e radioatividade INDICADORES QUÍMICOS MAIS RELEVANTES Salinidade – decorrente da presença de sais – bicarbonatos, cloretos e sulfatos Dureza – presença de íons de cálcio e magnésio, principalmente Alcalinidade – devido a presença de carbonatos ou hidróxidos Uma das determinações mais importantes – influencia todas as etapas do processo de tratamento da água BIOLÓGICOS Algas Importantes para manutenção do equilíbrio natural, mas podem gerar concentração de grande massa orgânica, levando a formação de lodo e liberação de compostos orgânicos Microrganismos patogênicos Introduzidos na água pelo despejo de esgotos sanitários Bactérias, vírus e protozoários Indicador e microrganismos patogênicos: coliformes fecais GRADEAMENTO Retenção de sólidos provenientes dos reservatórios, como folhas, galhos, troncos, peixes, etc. Limpeza semanal A medição de vazão afluente proporciona o controle do processo de tratamento químico. COAGULAÇÃO Consiste na estabilização de cargas da água com a adição, normalmente, de sulfato de alumínio [Al2(SO3)4]. Produto mais utilizado tanto pelas suas propriedades como pelo seu menor custo. O resultado desse processo é a aglomeração das partículas em suspensão, formando coágulos, facilitando o processo de sedimentação. A água, então, sai do coagulador e entra no floculador FLOCULAÇÃO Aumenta o tamanho dos coágulos, formando os flocos. Isso ocorre porque os coágulos formados apresentam cargas elétricas residuais (cargas contrárias se atraem e formam os flocos) Para que o processo seja corretamente executado, é necessário que a água se movimente continuamente no floculador. O floculador aumenta a velocidade do processo de sedimentação. SEDIMENTAÇÃO (Decantação) Processo no qual os flocos em suspensão são removidos da água. Consiste na utilização de forças gravitacionais para separar partículas de densidade superior à da água, depositando-as em uma superfície ou zona de armazenamento Decantadores de Fluxo Horizontal Caracterizados pela simplicidade e eficiência Corrente da água é horizontal e os flocos se depositam nas paredes e no fundo dos decantadores. FILTRAÇÃO Partículas que não são removidas no processo de sedimentação, seja por seus pequenos tamanhos ou por terem uma densidade muito próxima a da água, deverão ser removidas na filtração. Todas as partículas em suspensão são removidas para que a água atenda aos padrões de potabilidade. O processo consiste em fazer com que a água passe através de um meio granular para remoção das impurezas físicas, químicas e biológicas. O filtro mais utilizado é o filtro de areia, principalmente devido ao baixo custo Este tipo de filtro possui uma camada de areia através da qual a água atravessa e deixa as impurezas. A quantidade de filtros de uma ETA é determinada pela demanda de água e pelos fatores econômicos DESINFECÇÃO Essa etapa tem como objetivo a destruição ou inativação de organismos patogênicos, capazes de produzir doenças, ou de outros organismos indesejáveis O método mais utilizado é o da cloração, ou seja, adição de cloro. O cloro é capaz de desinfetar a água, pois é um forte oxidante e consegue reagir com várias substâncias orgânicas e inorgânicas. O composto de cloro mais comum utilizado é o ácido hipocloroso (HOCl) e a sua dissociação depende do pH da água, daí a importância da etapa de correção desse índice. A reatividade do cloro diminui com o aumento do pH. Águas para abastecimento público apresentam, geralmente, valores de pH entre 5 e 10. Fluoretação das águas Com a descoberta da importância dos sais de flúor na prevenção da cárie dental, generalizou-se a técnica de fluoretação de abastecimento público como meio mais eficaz e econômico de controle da cárie dental. As aplicações no abastecimento de água fazem-se por meio de aparelhos dosadores, sendo usados o fluoreto de sódio, o fluossilicato de sódio e o ácido fluossilícico. A concentração de íon fluoreto varia, em função da média das temperaturas máximas diárias, observadas durante um período mínimo de um ano. A concentração ótima situa-se em torno de 1,0 mg/l. ÁGUA PARA AS INDÚSTRIAS Qualidade e quantidade da água disponível constituem itens importantes na escolha da localização de uma indústria química. A qualidade da água para utilização industrial depende da finalidade a que se destina Para a alimentação de caldeiras impõe-se a escolha de uma água cujas características sejam compatíveis com as especificações do equipamento Um dos requisitos necessários é o uso de água sempre de maior pureza Inúmeros mananciais podem ser utilizados como fonte de captação da água destinada a alimentação em geradores de vapor: superficiais, de rios, lagos, represas, rede pública. Água e seus constituintes Dureza total A dureza é proporcional à concentração de sais de cálcio e magnésio presentes. Suas concentrações variam de 10 a 200 ppm Dureza total é devida a bicarbonatos , sulfatos, cloretos e nitratos Sais de cálcio e magnésio provocam incrustações nos tubos das caldeiras prejudicando a troca térmica com consequente perda de eficiência das superfícies de troca de calor Podem ocasionar superaquecimento nos tubos, podendo acarretar ruptura do material ou possivelmente um ataque corrosivo ALCALINIDADE TOTAL Devida a bicarbonatos de Ca, Mg, Na. Concentrações destes compostos em água bruta variam de 10 a 30 ppm Tais compostos apresentam os mesmos inconvenientes que os sais de cálcio de magnésio em sistemas onda há troca de calor A alcalinidade pode ser reduzida ou convenientemente controlada pelos processos de dealcalinização ou totalmente removida por desmineralização FERRO Encontrado nas águas sob a forma de bicarbonato ferroso Sua concentração varia de acordo com a região podendo chegar a 100 ppm Nas águas industriais possui tendência a formação de depósitos sobre as superfícies dos tubos de caldeira, podendo provocar rupturas ou bloqueio A porosidade apresentada pelos depósitos de ferro facilita o acúmulo de substâncias corrosivas sob esta camada, criando um ambiente propício à corrosão SULFATOS Apresentam-se nas águas como sulfatos de cálcio, sódio e magnésio, com concentrações que variam de 5 a 200 ppm, dependendo da região de origem São responsáveis pelos mesmos convenientes citados na dureza total, e para se remover os sulfatos da água usa-se o abrandamento, desmineralização ou a evaporação. SÍLICA A sílica (SiO2) é um constituinte presente em todas as águas naturais, sua concentração pode variar de 2 a 100 ppm Juntamente com a dureza, a sílica ocasiona depósitos duros e de difícil remoção sobre os tubos das caldeiras, prejudicando a troca térmica Em caldeiras que operam a uma pressão superior a 28 kgf/cm2 pode ocorrer a volatilização da sílica ocasionando processo incrustantes nos superaquecedores e nas turbinas CLORETOS Encontram-se presentes nas águas brutas como cloretos de sódio, cálcio e magnésio, em uma concentração que varia de 3 a 1000 ppm Na água do mar sua concentração pode chegar a 25000 ppm A não remoção dos cloretos de água ocasionará um processo corrosivo no interior da caldeira GÁS CARBÔNICO Encontrado dissolvido em águas brutas em concentrações variando entre 2 e 15 ppm Dissolvido em água é altamente corrosivo ao ferro e ligas de cobre O CO2 pode ser removido das águas brutas ou tratado por desgaseificadores e demineralizadores Para fins potáveis este gás não apresenta inconvenientes nas concentrações em que é normalmente encontrado OXIGÊNIO DISSOLVIDO Presente na forma de O2 apresentando concentração máxima de 10 ppm, sendo altamente corrosivo ao ferro Pode ser removido das águas por intermédio da desaeração Nas águas potáveis sua presença não apresenta inconvenientes AMÔNIA Apresenta-se dissolvida nas águas brutas em uma concentração que pode atingir 20 ppm Pode ser encontrado na forma de compostos orgânicos Na presença de oxigênio dissolvido atua como agente de corrosão Em altas concentrações ataca o cobre e suas ligas mesmo sem a presença de O2 Retirado das águas por cloração, desmineralização ou desaeração MANGANÊS Presença de manganês na água bruta pode acarretar os mesmos problemas referenciados para o ferro Ocorre na forma de bicarbonatos em uma concentração de até 5 ppm Pode ser removido por precipitação durante o processo de cal sodada, desmineralização ou evaporação MATÉRIA EM SUSPENSÃO E MATÉRIA COLOIDAL São avaliadas pela turbidez e cor Encontradas em grandes quantidades nas águas de superfície e em pequenas concentrações nas águas subterrâneas A matéria em suspensão e matéria coloidal são constituídas de argila, lama areia, óleos, matéria orgânica, sílica e microrganismos como bactérias e esporos Turbidez – termo aplicado a matéria suspensa proveniente de qualquer natureza Certos rios apresentam valores de turbidez que podem chegar a 2000 ppm com SiO2 O desenvolvimento de cor em água é proveniente da matéria orgânica Águas de superfície apresentam coloração enquanto que as subterrâneas são incolores Matéria orgânica pode carbonizar provocando incrustação nas caldeiras Filtros de carvão ativado são usados para eliminar a cor e a sílica coloidal Microrganismos são retirados por clarificação e abrandamento SÓLIDOS TOTAIS DISSOLVIDOS (STD) Encontrados em uma concentração que varia de 50 a 500 ppm O valor de sólidos totais dissolvidos na água é determinado analiticamente e conforme o resultado viabiliza ou não o uso da água para produção de vapor Caso a água apresente um alto valor de STD, sua desmineralização para posterior uso em caldeira será antieconômica Os regimes de descargas de caldeiras são avaliados conforme a concentração de sólidos existente A remoção deste constituinte na água pode ser feita pela desmineralização ou por evaporação REMOÇÃO DE IMPUREZAS PRESENTES NA ÁGUA O significado de purificar uma água consiste na remoção das substâncias que comprometem a qualidade do efluente sob o ponto de vista químico, físico, organoléptico e bacteriológico As águas brutas diferem em qualidade, e os métodos usados para a sua purificação dependem das condições e do grau de purificação necessário Pré-decantação Coagulação Sedimentação Filtração Neutralização Desinfecção Aeração PRÉ-DECANTAÇÃO (Sedimentação simples) Aplica-se em águas que possuem sólidos em suspensão, em condições de decantar normalmente sem o auxílio do processo de floculação Empregada para separar partículas suspensas de tamanhos superiores a 10 mícron Dependendo da porcentagem requerida de remoção de sólidos suspensos, calcula-se um tempo de retenção para que o processo ocorra no pré-decantador Este tratamento prévio pode ser executado em tanques de concreto providos de equipamentos para a retirada do material depositado ou em bacias naturais ou artificiais de grande capacidade volumétrica CLARIFICAÇÃO Coagulação Coagulantes: sulfato de alumínio, aluminato de sódio, sulfato ferroso, cloreto férrico, óxido de cálcio, entre outros Mais eficientes economicamente quando se ajusta o pH Floculação Quando há mistura de coagulantes na água, ocorre a formação de flocos que agrupam a matéria em suspensão facilitando a remoção por decantação Decantação Filtração Desinfecção Objetivo - garantir um meio isento de microrganismos patogênicos, destruindo germes restantes na água decantada assegurando que todos os organismos presentes na água tenham sido eliminados Cloração geralmente é feita com hipoclorito de sódio e cloro gasoso, que devem ser removidos posteriormente se esta água for utilizada como alimentação de caldeiras a vapor Desaeração Objetiva a retirada de O2 e CO2 dissolvidos na água Emprego de desaeradores, equipamentos que minimizam a quantidade destes gases na água, porém não os eliminam totalmente DESMINERALIZAÇÃO Consiste na remoção de todos os íons presentes na água através de resinas catiônicas e aniônicas, em conjunto ou separadamente Abrandamento com cal e carbonato de sódio Adiciona-se cal sob a forma de hidróxido de cálcio, e esta reagirá com o CO2 livre eliminando o dióxido de carbono e precipitando o carbonato de cálcio e de magnésio Abrandamento por troca catiônica O processo de abrandamento catiônico consiste em passar água por um leito de resinas efetuando a troca de cálcio e magnésio por sódio Caso a quantidade de bicarbonato de sódio formada seja indesejável deve-se fazer a dealcalinização No processo de troca iônica quando as resinas estiverem saturadas deverá ser efetuada sua regeneração ÁGUA PARA ALIMENTAÇÃO DE CALDEIRAS Água indicada para alimentar sistemas geradores de vapor Não apresenta substâncias incrustantes Não corrói o metal do equipamento e de seus acessórios Não ocasiona arraste e nem formação de espuma Os diferentes tipos de impurezas presentes na água causam uma série de problemas no sistema de geração de vapor PROBLEMAS QUE OCORREM NAS CALDEIRAS INCRUSTAÇÕES Deposições ou precipitações sólidas que ocorrem nas superfícies internas das caldeiras Provocam Redução na transferência de calor – condutividade térmica Aumento no consumo de combustível Elevação da temperatura da superfície dos metais por superaquecimento – ruptura dos tubos Eventuais rupturas da estrutura CORROSÃO Oxidação de metais que compõem o sistema gerador de vapor, geralmente provocado pela água e suas impurezas O processo corrosivo é função Pressão e temperatura de trabalho Tipos de contaminantes Tratamento químico dado a água de alimentação da caldeira ARRASTE E ESPUMAÇÃO Principais causas de contaminação do vapor produzido na caldeira Arraste – fenômeno onde as partículas de água da caldeira são carregadas para o vapor gerado. Extremamente indesejável O arraste pode ocorrer devido a um nível de água elevado, projeto da caldeira inadequado e excesso de produção de vapor Espumação Contaminação que se verifica devido a influência exercida pela concentração de produtos químicos na tensão superficial na película de água que envolve as bolhas de vapor em geração Formação de espuma deve-se ao excesso de sólidos totais dissolvidos, alcalinidade total elevada, óleos e graxas, excesso de sólidos em suspensão, detergentes e matéria orgânica TRATAMENTO DA ÁGUA DA CALDEIRA PREVENÇÃO DE INCRUSTAÇÕES – TRATAMENTO CONVENCIONAL Consiste basicamente no uso de fosfatos, álcalis colóides e dispersantes Fosfatos evita incrustações devidas ao cálcio e ao magnésio fosfato trissódico Deve-se manter ajustada a alcalinidade da agua através de soda cáustica para amolecer a borras e os depósitos existentes no interior da caldeira PREVENÇÃO DE INCRUSTAÇÕES – TRATAMENTO COM QUELATOS Difere do tratamento convencional para prevenção de incrustações nos tubos da caldeira Visa complexar os íons cálcio e magnésio e não precipitar como no tratamento convencional, formando compostos solúveis e impassíveis de sofrer incrustações nas condições de operação Quelatos usados de maneira adequada mostram-se efetivos na manutenção de equipamentos e na remoção de depósitos já existentes no interior da caldeira PREVENÇÃO DEINCRUSTAÇÕES – TRATAMENTO COM POLIMEROS Polímeros – usados como inibidores de incrustação e dispersantes Possuem uma atuação diferenciada dos quelatos, pois não sequestra, os íons cálcio e magnésio presentes na água Para evitar incrustação os polímeros devem reagir com a matéria incrustante penetrando nos seus espaços intercristalinos formando uma estrutura distorcida e de forma irregular PREVENÇÃO DE INCRUSTAÇÕES – TRATAMENTO CONJUGADO Quando se usa um quelato ou fosfato junto com polímeros na agua de caldeira A concentração e o tipo de composto químico a ser usado dependerá do problema verificado na caldeira, pois o tratamento conjugado geralmente é utilizado quando o método anterior não mostrou eficiencia PREVENÇÃO DO ARRASTE E DA ESPUMAÇÃO Tratamento químico não corrige problemas de arraste mecânico pois estes são devidos a falhas no projeto do gerador de vapor Para eliminar o arraste pode ser usado um mecanismo de separação vapor-água, e deve-se manter o o nível de agua da caldeira controlado pelo visor para evitar o excesso de produção de vapor LIMPEZA QUÍMICA DAS CALDEIRAS O tratamento de água de alimentação, mesmo sendo eficiente e adequado, por vezes não impede a formação de depósitos nas tubulações O processo de limpeza química de caldeiras pode ser divido em limpeza pré-operacional e limpeza de caldeiras usadas. LIMPEZA QUÍMICA PRÉ-OPERACIONAL Objetiva a retirada de depósitos soltos no interior da caldeira e da parte oxidada do metal, preparando-o para receber um tratamento químico adequado Remoção de óleos, graxas, e sujeiras em geral deve ser efetuada antes da lavagem ácida, utilizando detergente alcalino a quente (65 – 95º C) com duração de 6 – 8 horas recirculando a solução Para a remoção de óxidos de ferro existem diversos tipos de processos entre os quais serão mencionados os mais utilizados Ácido clorídrico com inibidor Ácido fórmico com inibidor Citrato de amônio Etileno-diamino-tetracetato de amônio Ácido sulfâmico inibido Ácido sulfúrico com inibidor LIMPEZA QUÍMICA DE CALDEIRA EM OPERAÇÃO Caldeiras submetidas à operação por um determinado período de tempo apresentam uma serie de depósitos diferentes dos encontrados em geradores de vapor novos Carbonatos e sulfatos de cálcio Sulfatos de sódio Silicatos Óxidos de ferro entre outros Remoção dos depósitos é feita por meio de uma solução ácida que é circulada no interior da caldeira tendo seu tempo de residência uma função da quantidade, espessura e tipos de depósitos encontrados Costuma-se fazer uma lavagem alcalina à quente antes de proceder a limpeza química ácida, com função de amolecer e tornar porosos os depósitos facilitando a reação ácida Roteiro para procedimento de uma limpeza química em caldeiras Acomodação das crostas Lavagem alcalina à quente para remoção das graxas e óleos além de amolecer e tornar porosos os depósitos formados, facilitando posteriormente a limpeza ácida Recomendado que a solução alcalina permaneça 72 horas circulando a uma temperatura de 80C Após a lavagem alcalina, a solução deve ser esgotada, lavando-se a caldeira com água até remoção total da solução básica Limpeza ácida Ácido mais utilizado - clorídrico Ácido sulfúrico e fosfórico são também bastante empregados acompanhados por inibidores de oxidação Limpeza efetuada com recirculação de solução ácida, conforme operação descrita para lavagem alcalina, mantendo-se a temperatura em 55 C, medida no tanque de aquecimento Duração da operação – função do tipo de crosta e espessura Normalmente dura entre 12 e 48 horas quando as crostas são de difícil remoção NEUTRALIZAÇÃO Após lavagem com jato de água sob pressão, a caldeira deverá ser enchida com água limpa e adicionada uma solução alcalina com inibidor para neutralização, mantendo-se a temperatura da solução a 60C, de 8 a 16 horas CUIDADOS COM ATMOSFERA DE HIDROGÊNIO Hidrogênio desprendido durante a limpeza química pode causar dois problemas Fragilidade do aço pelo hidrogênio Atmosfera explosiva na caldeira Em condições de T e P ambientes, os limites da mistura explosiva hidrogênio/ar são de 6,2% a 71,4%, sendo a temperatura de ignição do hidrogênio cerca de 580C Logo ao realizar uma limpeza química ácida deve-se ventilar o máximo possível a casa da caldeira CONTROLE DE QUALIDADE DE ÁGUAS CONTROLE POR INSTRUMENTAÇÃO O controle de qualidade de águas por instrumentos de medição contínua é feito por condutivímetros, potenciômetros, silicometros, medidores de cloro residual e oxigênio dissolvido, entre outros CONTROLE MEDIANTE ANÁLISES As análises efetuadas no laboratório químico têm a função de verificar se o tratamento proposto está sendo eficiente O emprego de inibidores de corrosão nos sistemas de águas industriais constitui um dos mais importantes métodos de controle da corrosão, considerando que a corrosão metálica em meio aquoso é causada por processo eletroquímicos, sendo que os mesmos ocorrem na superfície metálica e/ou na interface solução metal Classificação Inibidores anódicos – evitam ou reprimem reações anódicas O produto de corrosão do ferro na ausência destes inibidores é um óxido de ferro poroso (Fe2O3), não aderente, e de distribuição irregular ao longo da superfície. Na presença dos inibidores, o óxido de ferro formado é fortemente aderente, contínuo, sem porosidade e de alta resistividade elétrica Cuidados: usar dosagem que garanta a total proteção da superfície, caso contrário, ocorrerá severa corrosão localizada Inibidores catódicos Evitam, reprimem ou retardam as reações catódicas pelas formação de compostos insolúveis na região catódica São formados devido a reação dos íons metálicos da solução com aqueles formados devido a reação do cátodo e atuam impedindo a difusão do oxigênio e a condução de elétrons com a consequente inibição da reação catódica Este tipo de inibidor não apresenta problemas no que se refere a dosagem como os inibidores anódicos, já que como o metal na região anódica não entra em solução não haverá corrosão localizada Qualquer que seja a concentração, o inibidor catódico é mais seguro que que o anódico Inibidores formadores de filme orgânico (adsorção) Substâncias que tem a capacidade de formar películas sobre a superfície metálica interferindo com a ação eletroquímica existente. O comportamento e o desempenho do filme protetor formado são afetados fundamentalmente, por fatores como pH, velocidade do fluido, temperatura, pressão, concentração do inibidor, volume, quantidade de contaminantes, entre outros INIBIDORES NEUTRALIZANTES Direta ou indiretamente neutralizam a ação corrosiva de ácidos e gases corrosivos, como dióxido de carbono, ou gás sulfídrico Estes gases ao se dissociarem na fase aquosa formam ácidos carbônico e sulfídrico respectivamente Principais inibidores: dietiletanolamina e a morfolina INIBIDORES SEQUESTRANTES DE OXIGÊNIO Possuem função de reagir com o oxigênio dissolvido no meio aquoso Principais inibidores sequestrantes de oxigênio: Hidrazina (N2H4) Sulfato de sódio (Na2SO3) Muito usados na proteção anticorrosiva de caldeiras EMPREGO DOS INIBIDORES Estudo cuidadoso dos problemas que podem ser solucionados pelo seu emprego, bem como do custo referente as perdas causadas pelo processo corrosivo Antes da escolha do inibidor a ser utilizado, é necessário saber quais características deve possuir para que não cause efeitos secundários prejudiciais ao processo SELEÇÃO DOS INIBIDORES DE CORROSAO Características desejáveis Ser compatível com o meio e os materiais envolvidos Solúvel, estável e compatível com outros inibidores de corrosão e/ou outras substâncias presentes Não formar resíduos, depósitos ou espuma Resistente a variação de pressão e temperatura Não deve ser poluente e nem tóxico Custo baixo
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