Parâmetros físicos químicos da água

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Parâmetros físicos químicos da água
Disciplina: Limnologia
Profa. Yamile Alencar
Os parâmetros podem ser classificados em quatro grandes grupos: físicos, químicos, biológicos e radiológicos.
PARÂMETROS FÍSICOS
 SABOR E CHEIRO
O sabor e o cheiro da água são determinações organolépticas de determinação subjetiva, para as quais não existem instrumentos de observação, nem registros, nem unidades de medida. Tem um interesse evidente nas águas potáveis destinadas ao consumo humano. As águas ganham um sabor salgado a partir dos 300 ppm de CI-, e um gosto salgado e amargo com mais de 450 ppm de SO4=. O CO2 livre dá um gosto picante. Traças de fenóis ou outros compostos orgânicos conferem uma cor e sabor desagradável.
A cor é a capacidade de absorver certas radiações de forma visível. Não pode ser atribuída a nenhum constituinte em exclusivo, ainda que certas cores em águas naturais são indicativas de presença de certos contaminantes.
A água pura somente é azulada em grandes espessuras. Geralmente, apresenta cores induzidas por materiais orgânicos dos solos vegetais, como a cor amarela devido aos ácidos húmicos. A presença de ferro pode dar cor avermelhada, e a de manganês uma cor preta. A cor afeta estéticamente a potabilidade das águas, pode representar um potencial colorante de certos produtos quando se utiliza como material de processo, e um potencial espumante no uso em caldeiras.
As medidas de cor são feitas normalmente em laboratórios, por comparação com um standard arbitrário à base de cloruro de cobalto, CI2CO, e cloroplatinato de potásio, e se expressa em uma escala de unidades de Pt-CO (unidades Hazen) ou simplesmente Pt. As águas subterrâneas, normalmente não sobrepassam valores de 5 ppm de Pt, mas as superficiais podem alcançar centenas de ppm.
Segundo a origem da cor, os principais tratamentos de eliminação podem ser a coagulação e filtração, a cloração, ou a adsorção em carvão ativado.
 TURBIDEZ
A turbidez é a dificuldade da água para transmitir a luz, devido aos materiais insolúveis em suspensão, coloidais ou muito finos, que se apresentam principalmente em águas supeficiais. São difíceis de decantar e filtrar, podem dar lugar à formação de depósitos nas conduções de água, equipamentos de processo, etc. Além disto, interfere com a maioria dos processos em que a água pode ser destinada.
A medição se faz por comparação com a turbidez induzida por diversas substâncias.
A medição em ppm de SiO2 foi a mais utilizada, mas, existem diferenças nos valores obtidos segundo a sílica e a técnica empregada por um laboratório ou outro. Existem diversos tipos de turbidímetros modernos dando valores numéricos praticamente idênticos. O fundamento do turbidímetro de Jackson é a observação de uma bucha através de uma coluna de água ensaiada, cuja longitude aumenta até que a chama desaparece. Com uma célula fotoelétrica se melhora à medida. O aparelho pode ser calibrado mediante suspensões de polímero de formacina, com o qual, se deriva a uma escala em unidades e formacina. No nefelômetro é medido a intensidade de luz difractada ao ser incidido um raio luminoso sobre as partículas em suspensão e escorrida sobre uma célula foto-elétrica.
 CONDUTIVIDADE E RESISTIVIDADE
A condutividade elétrica é a medida da capacidade da água para conduzir a eletricidade. É indicativa da matéria ionizável total presente na água. A água pura contribui minimamente à condutividade, e em sua quase totalidade, é o resultado do movimento dos íons das impurezas presentes. A resistividade é a medida recíproca da condutividade. O aparelho utilizado é o condutivímetro cujo fundamento é a medida elétrica da resistência de passo da eletricidade entre as duas caras opostas de um prima retangular comparado com a de uma solução de CIK a mesma temperatura é referida a 20 graus centígrados. A medida da condutividade é uma boa forma de controle de qualidade de uma água, sempre que:
* Não se trate de contaminação orgânica por substâncias não ionizáveis.
A unidade Standard de resistência elétrica é o ohm e a resistividade das águas se expressa convenientemente em megaohm-centímetro. A condutividade se expressa no valor recíproco, normalmente como microsiemens por centímetro.
PARÂMETROS QUÍMICOS
 PH
O pH é uma medida da concentração de íons hidrogênio e é definido como pH=log a concentração de íons hidrogênio, e se define como pH=log(1/[H+]). É uma medida da natureza ácida ou alcalina da solução aquosa que pode afetar os usos específicos da água.
A maioria das águas naturais tem um pH entre 6 e 8.
Sua medição é realizada facilmente com um pHmetro bem calibrado, ainda que também pode ter disponível papéis especiais que, por coloração indicam o pH. Os valores do pH tem que ser referidos à temperatura de medição, pois variam com ela. O pH é corrigido por neutralização.
 DUREZA
A dureza, devido à presença de sais dissolvidos de cálcio e magnésio, mede a capacidade de uma água para produzir incrustações. Afeta tanto as águas domésticas como as industriais, sendo a principal fonte de depósitos e incrustações em caldeiras, trocadores de calor, tubulações, etc. Pelo contrário, as águas muito brandas são agressivas e podem não ser indicadas pelo consumo.
 ALCALINIDADE
A alcalinidade é uma medida da capacidade para neutralizar ácidos. Contribuem com a alcalinidade principalmente os íons bicarbonato, CO3H-, carbonato, CO3=, e oxhidrilo, OH-, e também os fosfatos e ácidos silícico ou outros ácidos de caráter débil. Os bicarbonatos e os carbonatos podem produzir CO2 no vapor, que é uma fonte de corrosão em linhas de condensado. Também podem produzir espumas, provocar arrastre de sólidos com o vapor e fragilizar o aço das caldeiras.
Se distingue entre a alcalinidade total ou título alcalímetro total, TAC, medida por adição de ácido até virar alaranjado de metilo, com pH entre 4.4 e 3.1, também conhecido como alcalinidade m, e a alcalinidade simples ou título alcalimétrico, TA, medida pela viragem da fenoftaleína, a pH entre 9.8 e 8.2, conhecido como alcalinidade p.
 COLOIDES
É uma medida do material em suspensão na água, que, por ter uma medida ao redor de 10-4/10-5mm, se comporta como uma solução verdadeira, e por exemplo, atravessa o papel do filtro. Os colóides podem ser de origem orgânico (exemplo, macromoléculas de origem vegetal) ou inorgânico (exemplo, óxido de ferro e manganês). Em águas potáveis pode ser uma moléstia somente de tipo estético. A dificuldade de sedimentação se salva com um processo de coagulação - floculação prévia. Se for pelo DBO em águas residuais, pode ser tratado biológicamente. A filtração é insuficiente e requer um processo de ultrafiltração.
 ACIDEZ MINERAL
A acidez é a capacidade para neutralizar bases, É raro que as águas naturais apresentem acidez, mesmo assim, as águas superficiais podem estar contaminadas por ácidos de drenagens mineiras ou industriais. Podem afetar as tubulações ou caldeiras por corrosão. É medida com as mesmas unidades de alcalinidade, e se determina mediante adição de bases. Corrige-se por neutralização com álcalis.
 SÓLIDOS DISSOLVIDOS
Os sólidos dissolvidos ou salinidade total, é uma medida da quantidade de matéria dissolvida na água, determinada por evaporação de um volume de água previamente filtrada. Corresponde ao resíduo seco com filtração prévia. A origem dos sólidos dissolvidos podem ser múltiplas, orgânicas ou inorgânicas, tanto em águas subterrâneas como superficiais.
Ainda que para as águas potáveis indiquem um valor máximo desejável de 500 ppm, o valor dos sólidos dissolvidos não é suficiente para determinar a qualidade da água. Nos usos industriais, a concentração elevada de sólidos dissolvidos pode ser objeccionável pela possível interferência em processos de fabricação, ou como causa de espuma em caldeiras.
 SÓLIDOS EM SUSPENSÃO
Os sólidos em suspensão (SS), são uma medida de sólidos sedimentais (não dissolvidos) que podem ser retidos em um filtro. Podem ser determinados pesando
o resíduo que fica no filtro, depois de secado. São indesejáveis nas águas de processo porque podem causar depósitos nas conduções, caldeiras, equipamentos, etc. As águas subterrâneas normalmente tem menos de 1 ppm, mas nas superficiais varia muito em função da origem e das circunstâncias da captação. Se separam por filtração e decantação.
 SÓLIDOS TOTAIS
Os sólidos totais são uma soma dos sólidos dissolvidos e dos sólidos em suspensão.
 RESÍDUO SECO
O resíduo seco é o peso dos materiais depois de evaporar um litro de água. Se esta tem sido previamente filtrada, corresponderá ao peso total de substâncias dissolvidas, seja voláteis ou não. Convém fixar a temperatura que foi realizada a evaporação. Se foi feita a 105 graus centígrados, pode haver bicarbonatos, água de hidratação e matérias orgânicas. A 180 graus centígrados os bicarbonatos passam a carbonatos, se desprendem a água de cristalização e se desprende a matéria queimada volátil. O resíduo, a calcinação é menor que os anteriores, já que os carbonatos são destruídos perdendo CO2.
 CLORETOS
O íon cloreto, CI-, forma sais geralmente muito solúveis. Normalmente costumam ir associado ao íon Na+ especialmente em águas salinas. As águas doces contém entre 10 e 25 ppm de cloretos, mas não é raro encontrar valores muito maiores. As águas solobas podem ter centenas e inclusive milhares de ppm. A água de mar contém ao redor de 20.000 ppm.
O conteúdo de cloretos afeta a potabilidade da água e seu pontencial uso agrícola e industrial. A partir de 300 ppm a água começa a adquirir um sabor salgado. As águas com cloretos podem ser muito corrosivas devido ao pequeno tamanho do íon que pode penetrar a capa protetora na interfase oxida - metal e reacionar com o ferro estrutural.
É valorado com nitratos de prata usando cromatos potássio como indicador.
Se prepara por intercâmbio iônico, ainda que seja menos retida que o íons polivalentes, pelo qual as águas de alta pureza requer um polimento final.
 SULFATOS
O íon sulfato, SO4=, corresponde a sais de moderadamente solúveis a muito solúveis. As águas doces, contém de 2 a 150 ppm, e a água do mar cerca de 3000 ppm. Ainda que a água pura se sature uns 1500 ppm, como SO4Ca, a presença de outros sais aumenta sua solubilidade.
A determinação analítica por gravimetria com cloruros de bario, é a mais segura. Se forem empregados métodos complexométricos, é necessário estar seguro de evitar as interferências. Não Afeta especialmente a água em quantidades moderadas. Algumas centenas de ppm prejudicam a resistência
A determinação analítica por gravimetria com cloretos de bário é a mais segura. Se for empregado métodos complexometricos, é necessário estar seguro de evitar as interferências. Não afeta especialmente a água em quantidades moderadas. Algumas centenas de ppm prejudicam a resistência concreta. Industrialmente é importante porque na presença de íons cálcio, se combina para formar inscrustações de sulfato cálcico.
 NITRATOS
O íon nitrato, NO3-, forma sais muito solúveis e bastante estáveis, ainda que em meio reprodutor pode passar a nitrito, nitrógeno, ou amoníaco. As águas normais contém menos de 10 ppm, e a água de mar até 1 ppm, porém as águas contaminadas, principalmente por fertilizantes, podem chegar a várias centenas de ppm.
Concentrações elevadas nas águas de bebidas, podem ser a causa de cianoses infantil. Industrialmente não tem efeitos muito significativos, e inclusive é útil para controlar a fragilidade do metal das caldeiras.
Sua determinação no laboratório é complicada e é realizada geralmente por espectrofotometria, resultante da absorção da radiação UV pelo íon nitrato.
É eliminado por intercâmbio iônico, mas, não é um método econômico nos processos de potabilização em grandes volumes. Estão em desenvolvimento processos de eliminação biológicos.
 FOSFATOS
O íon fosfato, PO4=, geralmente forma sais pouco solúveis e precipita facilmente como fosfato calcácico. Ao corresponder a um ácido débil, contribui para a alcalinidade das águas.
Geralmente não se encontra na água mais de 1ppm, mas, pode chegar a algumas dezenas devido ao uso de fertilizantes. Pode ser crítico na eutrofização das águas superficiais. Não costumam ser determinadas nas análises de rotina, mas, pode ser feito colorimetricamente.
FLORUROS
O íon floruro, F-, corresponde a sais de solubilidade geralmente muito limitada. Não costuma ser achado em proporções superiores a 1ppm. Tem um efeito beneficioso sobre a dentadura se for mantido seu conteúdo ao redor de 1ppm, e por este motivo se agrega as vezes a água potável. Sua análise costuma ser feita por métodos colorimétricos.
 SÍLICA
A sílica, SiO2, encontra-se na água dissolvida como ácido silícico, SiO4H4, e como matéria coloidal. Contribui ligeiramente na alcalinidade da água. As águas naturais contém entre 1 e 40 ppm, podendo chegar a 100 ppm, especialmente se são águas bicarbonatadas sódicas. São determinadas analíticamente por colorimetria.
A sílice tem muita importância nos usos industriais porque forma incrustações nas caldeiras e sistemas de refrigeração, e forma depósitos insolúveis sobre os álabes das turbinas. Sua eliminação se consegue parcialmente por precipitação mas fundamentalmente mediante resina de intercâmbio iônico fortemente básicas.
 BICARBONATOS E CARBONATOS
Os carbonatos precipitam facilmente na presença de íons cálcio. As águas doces normalmente contém entre 50 e 350 ppm de íon bicarbonato, e se o pH for inferior a 8,3, não há praticamente íon bicarbonato. A água do mar tem uns 100 ppm de íon bicarbonato.
 OUTROS COMPONENTES ANIONICOS
 SÓDIO
O íon sódio, Na+, corresponde aos sais de solubilidade muito elevadas e difíceis de precipitar. Costumam estar associados ao íon cloruro. O conteúdo nas águas doces costumam estar entre 1 e 150 ppm, mas é difícil encontrar valores muito superiores, de até vários milhões de ppm. A água do mar contém cerca de 11.000 ppm. É um indicador potencial de corrosão.
 POTÁSSIO
O íon potássio, K+ corresponde a sais de solubilidade muito elevadas e difíceis de precipitar. As águas doces normalmente não contém mais de 10 ppm e a água do mar contém ao redor de 400 ppm, pelo qual é um cátion muito menos significativo que o sódio.
CÁLCIO
O íon cálcio, Ca++, forma sais desde moderadamente solúveis a muito insolúveis.
Precipita facilmente como CO3Ca.
Contribui de forma muito especial à dureza da água e a formação de incrustações. As águas doces normalmente costumam conter de 10 a 250 ppm, ou inclusive 600 ppm. A água do mar contém uns 400 ppm.
 MAGNÉSIO
O íon magnésio, Mg++, tem propriedades muito similares a do íon cálcio, mas seus sais são geralmente mais solúveis e difíceis de precipitar, pelo contrário, seu hidróxido Mg (OH)2 é menos solúvel.
As águas doces costumam conter entre 1 e 100 ppm, e a água do mar contém uns 1300 ppm. Quando o conteúdo na água alcança várias centenas lhe dá um sabor amargo e propriedades laxantes que podem afetar sua potabilidade.
FERRO
O íon ferro pode ser apresentado como íon ferroso, Fe++, ou na forma mais oxidada de íon férrico, Fe+3. A estabilidade das diferentes formas químicas depende do pH, condições oxidantes ou redutoras do meio, composição da solubilidade, presença de matérias orgânicas complexas, etc. A presença de ferro pode afetar a potabilidade da água e geralmente, é um inconveniente nas águas industriais para dar lugar a depósitos e incrustações.
MANGANÊS
O íon manganês se comporta em muitos aspectos de forma similar ao ferro. Além de atuar com 2 e 3 cargas positivas, atua com valência +4 formando o MnO2 insolúvel. Rara vez a água contém mais de 1 ppm, e então requer um pH ácido. A forma mais geral é a Mn++, que por aeração oxidativa deixa uma precipitação negra de MnO2.
Da mesma forma que o ferro, forma compostos orgânicos estáveis. Se determina por oxidação a permanganato e colorimetria da solução oxidada e espectrometria de absorção atômica.
 METAIS
TÓXICOS
Os mais comuns são o arsênico, o cádmio, o chumbo, o crômio, o bário e o selênio.
Todos eles devem ser estritamente controlados na origem da contaminação. As medições analíticas são realizadas geralmente por espectrofotometria de absorção atômica.
 GASES DISSOLVIDOS
O dióxido de carbono, CO2, é um gás relativamente solúvel que se hidroliza formando íons bicarbonato e carbonato, em função do pH da água. As águas subterrâneas profundas podem conter até 1500 ppm, mas nas águas superficiais se situa entre 1 e 30 ppm. Um excesso de CO2 faz a água corrosiva, fator importante nas linhas de vapor condensados. Se elimina por aeração, desgasificação ou descarbonatação.
O oxigênio, O2, por seu caráter oxidante, tem um papel importante na solubilidade ou precipitação de ions que apresentam uma forma insolúvel. Sua presença é vital para todas as formas de vida superior e para a maioria de microorganismos. É o parâmetro mais importante no controle da qualidade das águas superficiais em causas naturais. Provoca a corrosão dos metais em linhas e equipamentos; porém sua ausência pode representar a presença de outros gases objecionais, tais como metano, sulfídrico, etc. Existem sondas específicas para medir o oxigênio dissolvido na água. Se elimina por desgasificação ou mediante redutores como o sulfino sódico e a hirazina.
O ácido sulfídrico, SH2, causa um odor a ovo podre e é a causa de corrosão. Pode ser eliminado por aireação ou oxidar-lo por cloração. Também é eliminado com um trocador aniônico forte.
O amoníaco NH3, é um indicador de cotaminação da água, e em forma não iônica é tóxico para os peixes.
Ao clorar a água a partir do amoníaco, se formam cloraminas, também tóxicas. Provoca a corrosão das aleações de cobre e zinco, formando um complexo solúvel. Pode ser medido com eletrodos específicos ou por colorimetria com o reativo de Nessler. É eliminado por desgasificação ou intercâmbio iônico.
 PARÂMETROS INDICATIVOS DE CONTAMINAÇÃO ORGÂNICA E BIOLÓGICA
Tanto a atividade natural como a humana, contribuem para a contaminação orgânica das águas naturais.
A decomposição da matéria animal e vegetal dá lugar a ácidos húmicos e fúlvicos e matérias colorantes.
Os resíduos domésticos contêm matérias orgânicas em decomposição, detergentes e microorganismos.
Da atividade agrícola, resultam os resíduos de herbicidas e pesticidas, etc. A concentração destes compostos orgânicos na água não é constante, é variável por múltiplas causas, e obriga a ajustes permanentes nas plantas de tratamento. O uso de tratamentos biológicos para sua eliminação implica no uso de parâmetros de medida menos específicos que os que medem radicais químicos, e que mesmo assim, permitem o controle das unidades de tratamento.
 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGÊNIO
Mede a quantidade de oxigênio consumido na eliminação da matéria orgânica da água, mediante processos biológicos aeróbios. Geralmente se refere ao oxigênio consumido em 5 dias (DBO5) e é medido em ppm de O2. As águas subterrâneas normalmente contém menos de 1 ppm. Um conteúdo superior é indicativo de contaminação. Nas águas residuais domésticas se situa entre 100 e 350 ppm. Nas águas residuais industriais sua concentração é totalmente dependente do processo de fabricação, podendo alcançar vários milhões de ppm. Sua eliminação é realizada por processos físico-químicos e biológicos aeróbio ou anaeróbios.
 DEMANDA QUÍMICA DE OXIGÊNIO
Mede a capacidade de consumo de um oxidante químico, dicromato ou permanganato, pelas matérias oxidáveis contidas na água e também se expressa em ppm de O2. Indica o conteúdo em matérias orgânicas oxidantes e outras substâncias redutoras, tais como Fé++. NH4+, etc. As águas não contaminadas tem valores da DQO de 1 a 5 ppm, ou algo superiores. As águas com valores elevados de DQO, podem dar lugar a interferências em certos processos industriais. As águas residuais domésticas normalmente contém entre 250 e 600 ppm.
 CARGA ORGÂNICA TOTAL
O COT é uma medida do conteúdo na matéria orgânica da água, especialmente aplicável a pequenas concentrações. O carvão orgânico se oxida a CO2 com a presença de um catalizador e se mede em um analizador infravermelho. Alguns compostos orgânicos podem resistir à oxidação e dar valores ligeiramente inferiores aos reais. O aumento de seu uso se deve à rapidez da realização das análises.
 PARÂMETROS BACTERIOLÓGICOS
A bactéria Escherichia coli, e o grupo coniforme em seu conjunto, são os organismos mais comuns utilizados como indicadores da contaminação fecal. As bactérias coliformes são microorganismos de forma cilíndrica, capazes de fermentar a glucosa e a lactosa. Outros organismos usados como indicadores de contaminação fecal são os esteptococos fecais e os clostridios. Estes últimos são os organismos anaeróbios, formadores de esporos. Os esporos são formas resistentes das bactérias capazes de sobreviver um longo tempo, cuja presença em ausência de coliformes indica uma pesada contaminação.
As análises bacteriológicas das águas, são realizadas por método dos tubos múltiplos e são expressadas no termo de "número mais provável" (índice NMP) em 100 ml de águas. As águas com um NMP inferior a 1, são satisfatoriamente potáveis.
A presença de microorganismos não tem importância em muitos processos industriais, mas a indústria alimentaria requer água de qualidade potável. A destruição das bactérias da lugar a substâncias chamadas pirógenos, de especial importância na água empregada para a produção de injetáveis na indústria farmacêutica. Os microorganismos também podem dar lugar a formação de limos, especialmente nos circuitos fechados de refrigeração.
Segundo o destino da água, a eliminação de bactérias se realiza por filtração, tratamento biológico, ou esterilização por luz ultravioleta, cloração ou ozonização.