Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
QUÍMICA XI (Notas de Aula - Teoria) Profª Flávia Omena flaviaomena.iq@gmail.com – sala 418-A UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS INSTITUTO DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE PROCESSOS QUÍMICOS Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 1 1. Conceito Deterioração de um material, geralmente metálico, por ação química ou eletroquímica do meio ambiente, aliada ou não a esforços mecânicos (GENTIL, 1996). � em geral um processo espontâneo � fenômeno de interface � afeta principalmente os materiais inorgânicos 1.1 Usos propositais da corrosão � oxidação de aços inoxidáveis => formação da película protetora de Cr2O3; � anodização do alumínio => oxidação das peças de alumínio, com formação de Al2O3 (proteção e decoração da peça); � proteção catódica com anodos de sacrifício => proteção de aço-carbono em instalações submersas; Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 2 � decoração de monumentos e esculturas de bronze => formação de pátinas que conferem colorações características como o escurecimento (óxidos e sulfetos) e tons esverdeados (sais básicos) entre outros... 1.2 Meios corrosivos Responsáveis pelo aparecimento do eletrólito (solução eletricamente condutora, constituída de água contendo sais, ácidos ou bases) � Principais meios corrosivos e seus eletrólitos � atmosfera => o eletrólito é a água que condensa na superfície metálica, na presença de sais ou gases do ambiente. � solos => o eletrólito é principalmente a água com sais dissolvidos � águas naturais (rios, lagos e subsolo) => o eletrólito é principalmente a água com sais dissolvidos � água do mar => é um eletrólito por excelência, devido à grande quantidade de sais dissolvidos; outros constituintes Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 3 (como os gases dissolvidos) podem acelerar os processos corrosivos Tabela 1 – Constituintes típicos da água do mar Cloreto (Cl-) 18,9799 Sulfato (SO-) 2,6486 Bicarbonato (HCO) 0,1397 Brometo (Br-) 0,0646 Sódio (Na+) 10,5561 Magnésio (Mg 2+) 1,2720 Potássio (K+) 0,3800 Fluoreto (F-) 0,0013 Cálcio (Ca2+) 0,4001 Estrôncio (Sr+2) 0,0133 Ácido Bórico (H3BO3 ) 0,0260 � produtos químicos => em contato com água ou umidade, podem formar eletrólito, provocando corrosão eletroquímica A atmosfera no entorno de indústrias e o interior de determinadas tubulações e equipamentos também podem funcionar como meio corrosivo. 1.3 Custos Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 4 INDÚSTRIA; CONSTRUÇÃO CIVIL; MEDICINA; OBRAS DE ARTES. � Perdas diretas � substituição de peças que sofreram corrosão (inclui energia e mão-de-obra); � custos e manutenção de processos de proteção (proteção catódica, recobrimentos, pinturas). � Perdas Indiretas � paralisações acidentais p/ substituição de tubos corroídos; � perdas de produtos; � perdas de eficiência de trocadores de calor devido às incrustações; � superdimensionamento nos projetos; � interrupções de telefones. Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 5 Estudo encomendado pelo Congresso americano (1999-2001) estimou custos anuais com a corrosão: � total = U$276 bilhões (3,1% do PIB); � combate = U$121 bilhões (1,38% do PIB); economia de 25-30% (1% do PIB), se adotadas práticas conhecidas de combate e prevenção 2. Classificação da Corrosão quanto à natureza � Corrosão Química � ataque de um agente químico diretamente sobre o material (metálico ou não) não necessita da presença de água � Corrosão por um gás na ausência de camada protetora; � Corrosão em soluções não-aquosas (alguns solventes orgânicos ou inorgânicos); Ex.: Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 6 � Corrosão de materiais não metálicos (degradação). Exs.: Polímeros (“plásticos”) => reações químicas (como hidrólise do PET) causam quebra das macromoléculas com perda das características do material; Concretos => destruição pela ação dos poluentes � Corrosão Eletroquímica � processo espontâneo que ocorre quando o metal ou liga está em contato com um eletrólito corrosão química em poste de concreto Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 7 � acontecem, simultaneamente, reações anódicas e catódicas. � realiza-se necessariamente na presença de água Ex.: Formação de ferrugem reação anódica (oxidação): Fe Fe 2+ + 2e- reação catódica (redução): 2 H2O + 2e- H2 + 2 OH- Região intermediária: Fe2+ + 2 OH– Fe(OH)2 hidróxido ferroso Deslocamento de elétrons e íons => transferência dos elétrons das regiões anódicas para as catódicas pelo circuito metálico e uma difusão de ânions e cátions na solução Processo anódico => passagem de íons para a solução Processo catódico => recepção de elétrons, na área catódica Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 8 Em alta % de O2: 2 Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 2 Fe(OH)3 2 Fe(OH)3 Fe2O3.H2O + 2 H2O Em baixa % de O2: 3 Fe(OH)2 Fe3O4 + 2 H2O + H2 Ocorrências: � Corrosão atmosférica � Corrosão por soluções aquosas � Corrosão no solo em presença de umidade � Corrosão por um gás em presença de uma camada de corrosão (filme). � Corrosão Eletrolítica � tipo de processo eletroquímico não- espontâneo provocado por correntes de fuga aplicação de corrente elétrica externa alaranjado/ castanho-avermelhado preto Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 9 � Costuma ocorrer em tubulações submersas ou enterradas (oleodutos, gasodutos, adutoras, cabos telefônicos) metal é forçado a agir como anodo ativo isolamento deficiências aterramento 3. Oxidação, Redução e Sistemas REDOX Genericamente: M Mn+ + ne- reação que representa o desgaste de um metal (corrosão) corrosão eletrolítica em tubulação industrial Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 10 3.1 Número de Oxidação É a carga real ou aparente que um átomo adquire quando estabelece uma ligação (iônica ou covalente) com outros átomos. perda ou ganho de e- (lig. iônica) carga diferença de eletronegatividade (lig. covalente) � Regras básicas para a previsão do Nox 1) O número de oxidação de um elemento em uma substância simples (Exs.: H2, N2, O2) é igual a zero; 2) A soma dos números de oxidação de todos os átomos em um composto é igual a zero; 3) Quando se encontra combinado, o número de oxidação do hidrogênio é sempre +1 (exceto nos hidretos metálicos em que toma o valor -1); 4) O oxigênio tem número de oxidação -2, exceto no caso de peróxidos (Ex.: H2O2), em que é igual a -1 e de superóxidos (Ex.: NaO2), onde é igual a -1/2. 5) O número de oxidação dos halogênios é geralmente -1, exceto se combinado com oxigênio ou outros halogênios mais eletronegativos. No caso do flúor seu número de oxidação é sempre -1. 6) Os íons monoatômicos têm o número de oxidação igual à sua própria carga (Exs.: Na+, Cl-; Al3+); Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 11 7) A soma dos números de oxidação de todos os átomos de um íon poliatômico é sempre igual à carga do íon. 3.2Oxidação e Redução Oxidação => aumento no número de oxidação Redução => diminuição do número de oxidação Semi-equações: A An+ + n e- oxidação Bn+ + n e- Bn- redução 3.3 Sistemas REDOX Reação REDOX transferência de elétrons Reação de oxidação => perda de elétrons Reação de redução => ganho de elétrons Agente Oxidante => oxida o outro elemento e se reduz Agente Redutor => reduz o outro elemento e se oxida Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 12 3.3 Tabela de potenciais de redução � Baseia-se no eletrodo padrão de hidrogênio (Eº = 0,0V medido a 25ºC e 1mol/L) Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 13 4. Pilhas eletroquímicas 4.1 Conceitos São dispositivos capazes de transformar energia química em energia elétrica ou energia elétrica em energia química. Eletrodo => material condutor de eletricidade, que promove transferência de elétrons entre o circuito e o meio em que está inserido Anodo => eletrodo em que há oxidação (corrosão) Catodo => eletrodo em que há redução Eletrólito => condutor contendo íons que transportam a corrente elétrica do anodo para o catodo Circuito metálico => ligação metálica entre o anodo e o catodo por onde escoam os elétrons. Retirando-se do sistema: catodo, eletrólito ou circuito metálico, destrói-se a pilha => impede-se a corrosão A força eletromotriz de uma pilha é a diferença de potencial (ddp) entre os eletrodos A ddp está presente em um sistema quando: Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 14 � Os eletrodos são constituídos de diferentes substâncias e possuem, portanto, diferentes potenciais ou � Os eletrodos são da mesma substância, mas as soluções contêm concentrações diferentes ou � Os eletrodos são da mesma substância e as soluções contêm concentrações iguais, mas os eletrodos estão submetidos a diferentes pressões parciais de substâncias gasosas Eºcel = Eºred (catodo) - Eºred (anodo) Se o potencial de redução da célula for positivo Reação espontânea Exemplo Segundo a tabela de potenciais padrão Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 15 Semi-equações: oxidação Zn (s) Zn2+(aq) + 2e– (+0,76V) redução Cu2+(aq) + 2e– Cu(s) (+0,34V) Eq. Global Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) Dessa forma: – cede elétrons Zn é a espécie redutora – sofre oxidação – ganha elétrons Cu2+ é a espécie oxidante – sofre redução Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 16 4.2 Reações anódicas e catódicas A Reação anódica na corrosão de um metal é representada por: M Mn+ + ne- Dependendo do meio, poderão ocorrer reações catódicas preferenciais como: • Redução do íon H+ (meio ácido) n H+ + n e- n/2 H2 (meio neutro) H2O H+ + OH- (1) H+ + e- 1/2 H2 (2) H2O + e- 1/2 H2 + OH- (1+2) • Redução do O2 (meio ácido) n/4 O2 + n H+ + n e- n/2 H2O (meio neutro ou básico) n/4 O2 + n/2 H2O + n e- n OH- • Em presença de íons em estado mais oxidado em solução M3+ + e- M2+ • Pela redução de íons de metal mais nobre Mn+ + n e- M Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 17 Conseqüências gerais: � Decréscimo na acidez (em meio ácido) e acréscimo na alcalinidade (em meio básico) no entorno da região catódica � Em meios não-aerados há liberação de H2, que pode ficar adsorvido no metal acarretando sobretensão => polarização catódica (processo de corrosão é retardado) � Em meios aerados há consumo de H2, não ocorrendo a sobretensão => ausência de polarização catódica (processo de corrosão é acelerado) Obs: 1) Em geral, os produtos de corrosão são compostos insolúveis formados entre o íon do metal e a hidroxila. Assim, na maioria dos casos, verifica-se como produto de corrosão um hidróxido do metal corroído ou um óxido hidratado do metal. (ex.: ferrugem). 2) Em presença de outros íons no eletrólito, poderá haver a formação de outros componentes insolúveis => sulfetos, sulfatos, cloretos, e outros (ex.: Ag2S). Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 18 4.3 Tipos de pilhas � Pilha de eletrodos metálicos diferentes (Galvânica) => ocorre quando dois metais ou ligas diferentes estão em contato entre si e imersos num mesmo eletrólito. Casos particulares: � pilha ativa-passiva => formação de uma película fina e aderente de óxido ou outro composto insolúvel na superfície de metais como alumínio, chumbo, aço inoxidável, titânio, ferro e cromo, funcionando como áreas catódicas � pilha de ação local => em geral ocorre devido a impurezas; essas regiões tornam- se mais susceptíveis ao ataque do meio e terminam funcionando como microcatodos, enquanto o resto do metal age como anodo e sofre corrosão. Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 19 Fonte: Gentil, 2003 � Pilhas de concentração => ocorre com materiais metálicos de mesma natureza, em contato com diferentes concentrações de um mesmo eletrólito, sendo capazes de gerar diferença de potencial. Casos particulares: � pilha de concentração iônica => presença de um mesmo eletrólito em diferentes concentrações Corrosão galvânica em tubo de aço carbono em com válvula de latão (mais acentuada no encontro entre os dois metais – aço funciona como anodo) Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 20 � pilha de aeração diferencial => as concentrações de eletrólito são uniformes, porém apresentam regiões com diferentes teores de gases dissolvidos Gota salina (Evans, 1926) R. anódica Fe Fe2+ + 2e- R. catódica O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH- � Pilha ou Célula Eletrolítica � processo não-espontâneo � a polaridade dos eletrodos pode ser mudada mudança na direção da corrente a diferença de potencial é fornecida através de fonte de energia externa Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 21 A pilha ou célula eletrolítica que tem importância no estudo da corrosão é aquela em que um dos eletrodos funciona como anodo ativo (perdendo elétrons e oxidando-se). 5. Métodos de Controle da Corrosão 5.1 Isolamento Elétrico Isolamento da superfície de outras estruturas metálicas estranhas (tubulações, conduítes elétricos e aço de reforço concretado) 5.2 Revestimentos Constituem-se de películas interpostas entre o metal e o meio corrosivo. Dessa forma, além de agir como barreiras isolando o metal do meio, podem conferir ao material um comportamento mais nobre, ou protegê-lo por ação galvânica. Usos: resistências à corrosão atmosférica, na imersão e na corrosão pelo solo. 5.3 Proteção catódica Consiste em transformar a estrutura a proteger no catodo de um célula eletroquímica ou eletrolítica. Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 22 Quando um sistema de proteção catódica eficaz é instalado, todas as partes da corrente coletada da estrutura protegida do eletrólito circunvizinho e toda a superfície exposta se tornam uma única área catódica. 5.3.1 Proteção catódica galvânica (ou por anodo de sacrifício) Utiliza uma força eletromotriz de natureza galvânica para imprimir a correntenecessária à proteção da estrutura considerada. A força eletromotriz resulta da diferença entre o potencial natural do anodo e o potencial da estrutura que se deseja proteger. Anodos de sacrifício mais comuns: Ligas de magnésio, ligas de alumínio e ligas de zinco. Ex.: Instalações marítimas. 5.3.2 Proteção catódica por corrente impressa Utiliza uma força eletromotriz, proveniente de uma fonte de corrente contínua, para imprimir a corrente necessária à proteção da estrutura considerada. A força eletromotriz pode provir de baterias convencionais, solares, termogeradores, conjuntos motor-gerador ou retificadores de corrente. Os retificadores constituem a fonte mais freqüentemente utilizada, e através deles retifica- se uma corrente alternada, obtendo-se uma corrente contínua que é injetada no circuito de proteção. Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 23 Os anodos mais empregados são os de grafite, ferro-silício, ferro-silício-cromo, chumbo-antimônio- prata, titânio platinizado, nióbio platinizado e magnetita. 6. Inibidores de corrosão Compostos químicos adicionados ao meio corrosivo que visam diminuir a agressividade do meio corrosivo. � Inibição anódica => formação de produtos insolúveis nas áreas anódicas, produzindo uma polarização anódica. Os compostos formados são também chamados de passivadores. Este método funciona somente com metais ou ligas formadores de película protetora (titânio, cromo, ligas de ferro-cromo, ligas de ferro- cromo-níquel). Exemplos: hidróxidos, carbonatos, fosfatos, silicatos, boratos de metais alcalinos, nitrito de sódio e cromatos de potássio e sódio. � Inibição catódica => formação de produtos insolúveis nas áreas catódicas, produzindo uma polarização catódica. Nesse caso, o metal é forçado a agir como catodo. Exemplos: sulfatos de zinco, magnésio ou níquel. Usos: estruturas enterradas ou submersas. Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 24 � Inibição por barreira (inibidores por adsorção) => compostos que têm a propriedade de formar películas, por adsorção à superfície metálica, criando uma película protetora sobre as áreas anódicas e catódicas. Exemplos: sabões de metais pesados, aminas uréias. � Seqüestradores de oxigênio => compostos que reagem com o oxigênio promovendo a desaeração do meio. Exemplos: Sulfito de sódio (Na2SO3 + ½ O2 Na2SO4) Hidrazina (N2H4 + O2 N2 + 2 H2O) Algumas aplicações dos inibidores => destilação do petróleo; tratamento de águas (caldeiras, refrigeração e injeção); sistemas de oleodutos e gasodutos, etc. 7. Classificação da corrosão quanto à morfologia (Formas de corrosão) Definidas principalmente pela aparência da superfície corroída. � Corrosão uniforme Ataque de toda a superfície metálica em contato com o meio corrosivo, com conseqüente diminuição uniforme da espessura. É provavelmente Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 25 o tipo mais comum de corrosão, principalmente nos processos corrosivos de estruturas expostas à atmosfera e outros meios onde a ação do meio corrosivo é uniforme sobre a superfície metálica. Fonte: Gentil, 2003 � Corrosão por placas Localiza-se em algumas regiões da superfície metálica, formando placas que se desprendem progressivamente. Ocorre geralmente em metais que formam película inicialmente protetora, mas que, ao se tornarem espessas, fraturam e perdem aderência, expondo o material a novo ataque. � Corrosão alveolar Processa-se na superfície metálica produzindo sulcos ou escavações semelhantes a alvéolos, apresentando fundo arredondado e profundidade geralmente menor que o seu diâmetro. É freqüente em metais formadores de películas semi-protetoras ou quando se tem corrosão sob depósito, como no caso da corrosão por aeração diferencial. corrosão uniforme em chapa de aço carbono Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 26 Fonte: www.coating.com.br � Corrosão por pite (puntiforme) Processa-se em pontos ou pequenas áreas localizadas na superfície metálica produzindo pites (cavidades com profundidades maiores que seus diâmetros). É freqüente em metais formadores de películas protetoras, que sob a ação de certos agentes agressivos (íons halogenetos), são destruídas em pontos localizados, os quais se tornam ativos, possibilitando corrosão muito intensa. Exemplo: aços inoxidáveis em meios que contêm cloretos. Fonte: Gentil, 2003 � Corrosão intergranular ou intercristalina Processa-se entre os grãos da rede cristalina do material metálico. Em geral, ocorre perda das propriedades mecânicas e pode fraturar quando solicitado por esforços mecânicos. Aços inoxidáveis corrosão por pite em tubo de aço-carbono corrosão alveolar em superfície de aço carbono Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 27 podem sofrer corrosão intergranular devido à formação de uma zona empobrecida em cromo ao longo dos contornos do grão. Fonte: Gentil, 2003 � Corrosão intragranular ou transcristalina Manifesta-se sob a forma de trincas que se propagam pelo interior dos grãos da rede cristalina do material metálico. Fonte: Gentil, 2003 � Corrosão filiforme Processa-se sob filmes e revestimentos, especialmente de pintura. Acredita-se que ela ocorra devido à aeração diferencial provocada por defeito no filme de pintura, embora o mecanismo real não seja bem conhecido. De um modo geral, o corrosão intragranular corrosão intergranular Química XI - Profª Flávia Omena Corrosão 28 processo se inicia pelas bordas e progride unifilarmente. � Corrosão por esfoliação Processa-se em diferentes camadas e os produtos de corrosão, formado entre a estrutura de grãos alongados, separa as camadas, ocasionando o inchamento do material metálico. Fonte: www.abraco.org.br � Empolamento por hidrogênio O hidrogênio atômico penetra no material metálico e, como tem pequeno volume atômico, difunde-se rapidamente e em regiões com descontinuidades (como inclusões e vazios), ele se transforma em hidrogênio molecular (H2), exercendo pressão e originado a formação de bolhas. Principais causas do aparecimento de hidrogênio: decomposição da umidade e água de cristalização contida em alguns tipos de revestimento de eletrodo que gera hidrogênio atômico no processo de soldagem; reações de corrosão que liberam hidrogênio; reações catódicas em estruturas protegidas catodicamente; ação de gases ricos em hidrogênio. corrosão por esfoliação em escada de aço Química XI - Profª Flávia Omena Água 29 1. Introdução 1.1 Características � substância incolor, insípida e inodora, líquida à temperatura ambiente, que cobre mais de 70% da superfície terrestre, sendo componente vital para o planeta � é conhecida como solvente universal por solubilizar com facilidade muitos compostos, inorgânicos e orgânicos � 95,5% da água do planeta é salgada e imprópria para consumo humano; 4,7% estão em geleiras ou regiões de difícil acesso; 0,147% (lagos, nascentes e lençóis freáticos) estão aptos para o consumo � Brasil => imenso potencial hídrico (36000 m3/hab), porém mal distribuído: região amazônica => 80% (5% da população) região nordeste => 3,3% (1/3 da população) Química XI - Profª Flávia Omena Água 30 1.2 Principais usos da água � Abastecimento doméstico e industrial; irrigação; preservação da flora e fauna; recreação e lazer; aqüicultura; paisagismo; navegação; geração de energia; diluição de despejos; dessedentação de animais 1.3 Alguns tiposde água � água bruta => proveniente de uma fonte de abastecimento, antes de qualquer tratamento � água pura => composta, exclusivamente, por hidrogênio e oxigênio; não há ocorrência na natureza, pois por onde a água passa ela incorpora substâncias que irão alterar suas características originais � água de fonte ou água mineral => contém substâncias minerais e gasosas dissolvidas, podendo ser alcalina, sulfurosa, ferruginosa, etc, conforme o principal mineral dissolvido, decorrendo daí suas propriedades medicinais � água gaseificada => recebe acréscimo de dióxido de carbono artificialmente, podendo ser ou não enriquecida de sais minerais; existem fontes naturais de água gaseificada, mas parte do gás se perde no processo de engarrafamento Química XI - Profª Flávia Omena Água 31 � água poluída => água suja ou contaminada � água potável => água para consumo humano cujos parâmetros microbiológicos, físicos, químicos e radioativos atendam ao padrão de potabilidade e que não ofereça riscos à saúde � água tratada => água submetida a um processo de tratamento, com o objetivo de torná-la adequada a um determinado uso � água salobra - água com teor de sais que, dependendo da concentração, impede seu consumo pelo homem e animais 1.4 Parâmetros de qualidade da água � Físicos Turbidez interferência à passagem da luz através da água, devido à matéria em suspensão (argila, substâncias orgânicas finamente divididas, organismos microscópicos e outros) Cor conferida pelos sólidos dissolvidos; pode ser causada pela presença de ferro ou manganês, pela decomposição da matéria orgânica da água (principalmente vegetais), pelas algas ou por esgotos industriais e domésticos Química XI - Profª Flávia Omena Água 32 � Químicos pH concentração de íons H+, indicando condições de acidez, alcalinidade ou neutralidade; importante em etapas do tratamento de água e em processos de corrosão e incrustação Alcalinidade causada pela presença de sais alcalinos, podendo proporcionar sabor desagradável à água; reflete a capacidade de neutralização de ácidos. Sabor e Odor são definidos pelos sólidos em suspensão e sólidos ou gases dissolvidos, presentes por causas naturais (bactérias, fungos, matéria em decomposição, algas) ou artificiais (despejos domésticos ou industriais) Condutividade a capacidade da água transmitir a corrente elétrica pela presença de íons é determinada pela dissociação de substâncias dissolvidas na água Dureza relacionada à presença de sais (principalmente de cálcio e magnésio), tem importância nos processos de depósito e incrustações Sólidos presentes em suspensão ou dissolvidos, sob a forma de matéria fixa ou volátil, sedimentável ou não-sedimentável Química XI - Profª Flávia Omena Água 33 Ferro e Manganês conferem sabor metálico à água e causam coloração marrom (manganês) ou avermelhada (ferro), manchando roupas e outros produtos industrializados; presentes pela dissolução de compostos do solo ou de despejos industriais Cloretos em altas concentrações, conferem sabor salgado à água ou propriedades laxativas; provêm da dissolução de minerais, da intrusão de águas do mar ou dos esgotos. Nitrogênio presente na água sob a forma molecular, amônia, nitritos e nitratos, é um elemento indispensável ao crescimento de algas (mas em excesso pode causar eutrofização). Tem origem nos esgotos domésticos e industriais, nos fertilizantes e em excrementos de animais. Fósforo encontra-se sob a forma de ortofosfatos, polifosfatos e fósforo orgânico; essencial para o crescimento de algas, podendo também causar eutrofização quando em excesso. Provém da dissolução de compostos do solo, da decomposição da matéria orgânica, dos esgotos domésticos e industriais, dos fertilizantes e detergentes e dos excrementos de animais. Substâncias tóxicas As, Pb, Cr, B, Se, Ba, CN-, NO3-, F-, relacionados a doenças Química XI - Profª Flávia Omena Água 34 � Biológicos Oxigênio dissolvido (OD) é indispensável aos organismos aeróbios; a decomposição da matéria orgânica por bactérias aeróbias é, geralmente, acompanhada pela redução do oxigênio dissolvido da água, podendo este alcançar valores reduzidos ou nulos, dependendo da capacidade de recuperação do manancial. Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) quantidade de O2 necessária à oxidação da matéria orgânica por ação de bactérias aeróbias. Coliformes indicam a presença de microrganismos patogênicos, devido ao despejo de esgotos domésticos Algas responsáveis pela produção de grande parte do oxigênio dissolvido na água; em grandes quantidades levam ao processo de eutrofização, causando na água sabor, odor, toxidez, turbidez e cor, corrosão e aspecto estético desagradável. Demanda Química de Oxigênio (DQO) quantidade de O2 necessária à oxidação da matéria orgânica, através de um agente químico; a DQO é sempre maior que a DBO. Química XI - Profª Flávia Omena Água 35 2. Estação de Tratamento de Águas (ETA) Etapas do Processo Esquema de uma ETA 3. Tratamento de águas para uso doméstico 3.1 Pré-decantação (Sedimentação Simples) É aplicada em águas que possuem partículas suspensas de tamanho superior a 10 mícrons. Química XI - Profª Flávia Omena Água 36 3.2 Clarificação Visa remover a cor e a turbidez da água; consiste em três etapas: coagulação/floculação, decantação e filtração. � Coagulação/floculação � Coagulação => desestabilização dos colóides (partículas entre 1-100 nm), por ação de produto químico, que resulta na neutralização das forças elétricas superficiais, anulando as forças repulsivas entre as partículas. � Floculação => aglomeração das partículas desestabilizadas, com formação e crescimento de flocos sedimentáveis Reagentes usados na coagulação � Coagulantes: compostos capazes de produzir hidróxidos gelatinosos insolúveis e englobar as impurezas exs: Al2(SO4)3.18H2O e FeCl3.6H2O � Alcalinizantes: conferem a alcalinidade necessária à coagulação ex: Ca(OH)2 (cal hidratada) � Coadjuvantes: formam partículas mais densas, tornando os flocos mais pesados exs: sílica ativa e polieletrólitos Química XI - Profª Flávia Omena Água 37 � Decantação ou sedimentação ou precipitação => após a coagulação, a água é bombeada para um decantador que sedimenta a matéria coagulada. � Filtração => passagem da água através de um meio poroso com o propósito de remover a matéria suspensa; os filtros geralmente utilizados são os de gravidade e os de pressão. 3.3 Correção de pH É utilizada como método preventivo da corrosão de encanamentos, diminuindo o ataque da acidez nas tubulações; acalinizantes, como a cal hidratada ou a cal virgem (CaO), corrigem o pH da água para remover o CO2 livre. 3.4 Desinfecção Realizada através de cloração com hipoclorito de sódio ou cloro gasoso, (posteriormente removidos das águas utilizadas como alimentação de caldeiras), visam à obtenção de um meio isento de microorganismos patogênicos. 3.5 Fluoretação Etapa implementada como coadjuvante na prevenção da cárie dental; objetiva a prevenção da decomposição do esmalte dos dentes e o auxílio na produçãonatural de dentes mais resistentes. Química XI - Profª Flávia Omena Água 38 4. Água dura Água com teores elevados de sais, principalmente de cálcio (Ca2+) e magnésio (Mg2+). A água pode ser classificada quanto a dureza de acordo com a concentração em mg/L de CaCO3 Água branda 0 – 75 mg/L CaCO 3 Águas pouco duras 75 – 150 mg/L CaCO 3 Águas duras 150 – 300 mg/L CaCO 3 Águas muito duras > 300 mg/L CaCO 3 � é mais comum a incidência natural na Europa � não representa riscos à saúde, porém pode provocar incrustações e entupimentos em tubulações � não produz ou produz pouca espuma em contato com o sabão formação de precipitado com Ca2+ e Mg2+ � Processo geral de formação da água dura: água naturalmente ácida (contendo a partir de 2,0mg CO2/L) em contato com rochas ricas em calcita (CaCO3) e dolomita (CaMg(CO3)2) Química XI - Profª Flávia Omena Água 39 Reações: CaCO3 Ca2+ + CO32- insolúvel CO2 + H2O H+ + HCO3- Ca2+ + 2 HCO3- Ca(HCO3)2 solúvel 4.1 Dureza total É expressa como a soma das durezas temporária e permanente. 4.2 Dureza temporária Inerente aos bicarbonatos, que na presença de calor, transformam-se em carbonatos (insolúveis ou pouco solúveis), podendo ser removidos sob a forma de precipitados. Reações: Ca(HCO3)2 CaCO3 ↓ + H2O + CO2 insolúvel Mg(HCO3)2 MgCO3 ↓ + H2O + CO2 pouco solúvel Química XI - Profª Flávia Omena Água 40 MgCO3 ↓ + H2O Mg(OH)2 + CO2 insolúvel 4.3 Dureza permanente É dada pela presença de sulfatos, cloretos e nitratos. Não pode ser removida apenas pelo calor, necessitando de tratamentos com agentes químicos ou colunas de troca iônica. 5. Tratamento de águas industriais A água usada para fins industriais necessita de tratamentos especializados após o tratamento primário, principalmente quando usadas para geração de vapor. Os processos normalmente utilizados são a desaeração, o abrandamento e a desmineralização. 5.1 Desaeração Tem por objetivo a retirada de O2 e CO2 dissolvidos na água, pelo uso de desaeradores. 5.2 Abrandamento de águas Consiste no tratamento das águas para a remoção de íons Ca2+ e Mg2+, presentes principalmente sob a forma de carbonatos, sulfatos e cloretos Química XI - Profª Flávia Omena Água 41 � Técnicas utilizadas � adição de agentes químicos => Ca(OH)2 e Na2CO3 O hidróxido de cálcio (cal) reage com o CO2 livre Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 ↓ + H2O e com os bicarbonatos de cálcio e de magnésio Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2CaCO3 ↓ + 2H2O Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 CaCO3 + MgCO3 + 2H2O O magnésio precipita sob a forma de hidróxido de magnésio, conforme as reações: MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 ↓ + Mg(OH)2 ↓ MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 ↓ + CaSO4 Para o sulfato de cálcio é necessário do uso do carbonato de sódio: Na2CO3 + CaSO4 CaCO3 ↓ + Na2SO4 Após o processo, a água tratada deve passar por um tanque de sedimentação. Para melhor precipitação de Ca2+ e Mg2+, deve-se ajustar o pH entre 10 e 11. Química XI - Profª Flávia Omena Água 42 � complexação (c/ EDTA) => o EDTA forma complexos estáveis e solúveis com os íons Ca2+ e Mg2+, proporcionando a diminuição de precipitados. � resinas de troca iônica catiônicas => O processo de abrandamento catiônico consiste em passar água por um leito de resinas, efetuando a troca de cálcio e magnésio por sódio. Quando as resinas estiverem saturadas, deverá ser efetuada a sua regeneração. 5.3 Desmineralização Consiste na remoção de todos os íons presentes na água, através de resinas de troca iônica catiônicas e aniônicas; é também chamado de deionização. A água passa por resinas catiônicas e aniônicas, em conjunto ou separadamente. OBS: um dos primeiros trocadores de cátions foram os zeólitos (troca de cálcio e magnésio por sódio); como os zeólitos não eram resistentes ao ácido foram desenvolvidas resinas sintéticas para realizar o abrandamento catiônico. Química XI - Profª Flávia Omena Água 43 resina catiônica OBS: é recomendável a instalação de um desaerador (eliminação de CO2) após a troca catiônica para poupar as resinas aniônicas. A água deve estar isenta de cloro e matéria orgânica, para não deteriorar as resinas aniônicas. Resinas de troca iônica produtos sólidos e insolúveis, geralmente na forma de esferas, apresentando a propriedade de trocar determinados íons que contêm, pelos íons dos sais dissolvidos em água Polímeros portadores de uma carga elétrica que é neutralizada pela carga do contra-íon resina aniônica Química XI - Profª Flávia Omena Água 44 � Classificação das resinas de troca iônica É feita de acordo com o grupo ionizável preso à estrutura da resina � Resinas catiônicas fortemente ácidas => sendo o grupo ionizável o sulfônico, seu comportamento químico é similar ao de um ácido forte; são facilmente ionizáveis, ao longo de toda a faixa de pH. Podem ser usadas para abrandamento na forma sódica (R-SO3Na) e para descarbonatação ou desmineralização na forma ácida (R- SO3H) Abrandamento: Ca2+ Ca2+ + 2 RNa 2 Na+ + R2 Mg2+ Mg2+ Descarbonatação/desmineralização Ca2+ Ca Mg2+ + 2 RH 2 Na+ + Mg R2 2 Na+ 2 Na Química XI - Profª Flávia Omena Água 45 � Resinas catiônicas fracamente ácidas => o grupo ionizável é um ácido carboxílico (—COOH), portanto estão pouco ionizadas e se comportam como ácidos orgânicos fracos. São usadas para a remoção de cálcio, magnésio e sódio ligados a ânions fracos (como bicarbonato) em águas com dureza temporária predominantemente elevada. Possuem capacidade de troca menor que as fortemente ácidas Resinas catiônicas são regeneradas com ácido clorídrico (HCl) ou sulfúrico (H2SO4). � Resinas aniônicas fortemente básicas => resinas altamente ionizáveis, podendo ser usadas ao longo de toda a faixa de pH. Estão divididas em dois subgrupos: Tipo I (o grupo funcional é o amônio quaternário, que possui caráter básico mais forte, resultando em uma menor fuga de íons, Ca2+ Ca Mg2+ (HCO3)2 + 2 R-COOH 2 R-COO + Mg H2CO3 2 Na+ 2 Na Química XI - Profª Flávia Omena Água 46 principalmente sílica) e Tipo II (o grupo funcional é um amônio quaternário levemente modificado, cujo caráter básico não possibilita a remoção de sílica, apesar de forte. Todas as resinas aniônicas fortemente básicas removem ânions fortes e fracos, tais como cloretos, sulfatos, nitratos, bicarbonatos e silicatos � Resinas aniônicas fracamente básicas =>; possuem como grupo funcional poliamidas contendo aminas primárias (-NH2), secundárias (-NHR) ou terciárias (-NR2). O grau de ionização é fortemente influenciado pelo pH (operam bem em pH’s baixos); só removem ânions de ácidos fortes (cloretos, sulfatos e nitratos), não se aplicando para remoção de ânions fracamente ionizáveis (silicato e bicarbonato)H2SO4 SO42- 2 HCl + 2 R-OH 2 R 2 Cl- + 2 H2O 2 HNO3 2 NO3- Química XI - Profª Flávia Omena Água 47 Resinas aniônicas são regeneradas com hidróxido de sódio (NaOH). � Resinas quelantes seletivas para metais pesados => resinas fracamente ácidas que exibem alta seletividade para os cátions de metais pesados; o grupo funcional é a forma sódica do EDTA. A capacidade de troca iônica depende carga e raio dos íons que entram no trocador concentração dos íons no efluente natureza físico-química da substância trocadora temperatura H2SO4 SO42- 2 HCl + 2 R-OH 2 R 2 Cl- + 2 H2O 2 HNO3 2 NO3- Química XI - Profª Flávia Omena Água 48 6. Incrustação em caldeiras 6.1 Conceitos Caldeiras (boilers) são equipamentos cuja finalidade é a geração de vapor. Vapor => é a água no estado gasoso; ao se condensar, a mesma energia que as moléculas absorveram para passar para fase vapor é liberada para o meio (transferência de energia na forma de calor) Vapor saturado => vapor “úmido” obtido da vaporização direta da água; ao se condensar este tipo de vapor cede calor latente. É usado para aquecimento direto ou indireto. Vapor superaquecido => obtido através do aquecimento do vapor saturado, resultando em um vapor seco. É usado para transferência de energia cinética (geração de trabalho mecânico) Incrustações => acúmulos de materiais fortemente aderidos sobre a superfície da caldeira, necessitando de esforços consideráveis para sua remoção (limpezas mecânicas ou químicas). Origem: precipitação de sais e/ou óxidos na forma cristalina, gerando incrustações altamente coesas e aderidas. Química XI - Profª Flávia Omena Água 49 Depósitos => acúmulos de materiais sobre determinada superfície que podem ser removidos manualmente com facilidade; podem prejudicar a troca térmica e o escoamento da água, mesmo estando menos aderidos que as incrustações. Origem: materiais suspensos na água, sais condicionados não expurgados pelas descargas ou carbonizações de material orgânico contaminante. Fonte: www.tratamentodeagua.com.br Fonte: www.tratamentodeagua.com.br Tubulação de caldeira aquatubular com elevada quantidade de lama (proveniente de água bruta) Tubo de caldeira aquatubular incrustado com óxido férrico Química XI - Profª Flávia Omena Água 50 Fonte: www.tratamentodeagua.com.br � Tipos de caldeiras Fogotubulares (ou Flamotubulares) => os gases da combustão circulam no interior dos tubos e a água a ser vaporizada circula pelo lado de fora. A produção de vapor é limitada a cerca de 40 t/h e pressão de operação máxima de 16 Kgf/cm2 Caldeira fogotubular com tubos incrustados (dureza) e acúmulo de lama no fundo Fonte: www.chdvalvulas.com.br Fonte: www.montercal.com.br Química XI - Profª Flávia Omena Água 51 Aquatubulares => a água circula no interior dos tubos e os gases de combustão circulam na parte externa dos tubos. Surgiram devido à necessidade de maior produção de vapor, podendo chegar a valores superiores a 200 t/h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/cm2 (caldeiras supercríticas) Fonte: www.chdvalvulas.com.br Fonte: www.tratamentodeagua.com.br OBS: Para um bom desempenho e eficiência de caldeiras (principalmente aquatubulares), são utilizados equipamentos periféricos, tais como aquecedores de ar, economizadores, sopradores de fuligem e superaquecedores. Química XI - Profª Flávia Omena Água 52 6.2 Principais responsáveis e mecanismo de formação de incrustações em caldeiras � Sais de cálcio e magnésio (dureza), principalmente carbonato de cálcio (CaCO3) e sulfato de cálcio (CaSO4) � Sílica solúvel (SiO2) e silicatos (SiO32-) de vários cátions. A sílica solúvel é oriunda da dissolução de parte da própria areia e rochas com as quais a água mantém contato � Óxidos de ferro, tais como o Fe2O3 e de outros metais (cobre, zinco) originados principalmente de processos corrosivos nas linhas de condensado e seção pré-caldeira � Materiais orgânicos contaminantes, tais como fluidos envolvidos no processo (sucos, licor, caldo, xaropes, etc.). Muitas vezes a contaminação se dá pelos condensados � Mecanismo de formação de incrustações em caldeiras precipitação vaporização da água no interior da caldeira concentração dos sais presentes Química XI - Profª Flávia Omena Água 53 6.3 Principais conseqüências das incrustações em caldeiras � Diminuição das taxas de troca térmica efeito isolante (baixa condutividade térmica) � Aumento do consumo de combustível e diminuição da produção de vapor � Superaquecimento e ruptura de tubos � Obstrução de tubos, válvulas, descargas e coletores da caldeira acentuação da formação das incrustações � Danificação na estrutura da caldeira, comprometendo sua integridade ou inutilizando o equipamento � Aumento do risco de acidentes devido às incrustações em instrumentos e dispositivos de controle que comprometem o funcionamento dos equipamentos � Aumento nos processos corrosivos que ocorrem sob os depósitos/incrustações Química XI - Profª Flávia Omena Água 54 6.4 Prevenção de incrustações Tratamentos externos das águas de alimentação Objetivam a melhoria da qualidade da água antes de sua introdução no gerador de vapor. Os tratamentos mais comuns são: remoção de cor e turbidez (clarificação da água de alimentação); remoção de ferro e manganês (a oxidação dos íons Fe2+ e Mn2+ gera compostos insolúveis que podem ser retirados por decantação e filtração); remoção da dureza (por aquecimento, agentes químicos que formam compostos insolúveis ou resinas trocadoras de cátions); desmineralização (remoção de todos os íons por resinas de troca iônica); remoção de gases (pelo aumento da temperatura). Tratamentos internos das águas das caldeiras Realizados pela adição de produtos químicos que reagem no interior da caldeira, têm como finalidades corrigir o valor de pH, remover o oxigênio e neutralizar o ácido carbônico nas linhas de vapor condensado, de forma a evitar incrustações ou depósitos e corrosão nas superfícies de geração de vapor. � Desaeração Química => consiste na remoção de oxigênio da água da caldeira para prevenção de corrosão, por uso de agentes químicos. Química XI - Profª Flávia Omena Água 55 � Desaeração com sulfito de sódio (Na2SO3) Na2SO3 + 1/2 O2 Na2SO4 Provoca aumento dos sólidos dissolvidos na água da caldeira. � Desaeração com hidrazina N2H4 + O2 N2 + 2H2O desprende-se com o vapor e é expelido no desaerador Evita o aumento de sólidos dissolvidos na água da caldeira. � Neutralização do CO2 => o condensado pode se combinar ao CO2, formando ácido carbônico (H2CO3) que ataca o ferro em meio aerado e não-aerado e o cobre em meio aerado, ocasionando corrosão. A neutralização em geral é feita por adição aminas voláteis e amônia.
Compartilhar