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Química Tecnológica
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2 - ÁGUA
Propriedades Físicas e Química da água
Águas naturais, substâncias dissolvidas, água potável
Dureza da água e suas consequências
Acidez e alcalinidade – pH
Solubilidade de gases em água
Análise química e tratamento de água
Obtenção de água pura: destilação e resinas de troca iônica
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APLICAÇÃO DA ÁGUA
Uso abundante nas indústrias de processos químicos
Matéria-prima
Veículo / Meio reacional
Agente de uso indireto
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ÁGUA NO MUNDO
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MOLÉCULA DE ÁGUA
Ângulo entre ligações: 104,5º
Ligações de hidrogênio geometria tetraédrica
Polar momento dipolar (µ) = q.d = 1,87D (debye) = 1,87x10-18 unidades eletrostáticas
Constante dielétrica alta isolamento de íons em solução
Distância (H-O) 0,96 Ângstrons
Hibridação
sp3 do oxigênio
1s2 (2sp3)2
2(sp3)2 2(sp3)1 2(sp3)1
http://www.infoescola.com/bioquimica/agua-nos-seres-vivos/
http://www.infoescola.com/bioquimica/agua-nos-seres-vivos/
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PROPRIEDADES DA ÁGUA
FÍSICAS
Densidade
Viscosidade
Calor específico
Ponto de fusão
Ponto de ebulição
Sabor
Odor
...
QUÍMICAS
Solubilidade
Dureza
Alcalinidade
Acidez
Turbidez
Tensão superficial
Cor
Substâncias dissolvidas
...
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DENSIDADE
Energia Cinética
Arranjo cristalino
http://www.giltonepedro.com.br/docs/artigo03_variacao_densidade.pdf
QUÍMICA NOVA NA ESCOLA Água = H2O? N° 3, MAIO 1996
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VISCOSIDADE
http://150.162.31.1/~minatti/aulas/qmc5409/exp_2_reologia_fluidos_nao_newtonianos.pdf
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Tabela II.1. Densidades e viscosidades da água sob condições normais de temperatura e pressão
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CALOR
ESPECÍFICO
Energia necessária para variar a temperatura em 1ºC para 1g de determinada substância.
Água regulador de temperatura da Terra
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Solvente
SOLUBILIDADE
Capacidade máxima de uma substância se dissolver num solvente, em condições especificadas
Processo de dissolução afinidade eletrônica
Soluto
Solvatação
Solução
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SOLVATAÇÃO
+
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DISSOLUÇÃO
Processo espontâneo se:
Forças soluto-soluto baixa energia reticular
Forças soluto-solvente alta energia de solvatação (estabilidade)
“Semelhante dissolve semelhante”
Solventes polares: dissolvem solutos iônicos e polares
Solventes apolares: dissolvem solutos apolares
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DISSOLUÇÃO
http://150.162.31.1/~minatti/aulas/qmc5406/20071_qmc5406_solucoes_intro.pdf
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EQUILÍBRIO DE SOLUBILIDADE
Saturação – equilíbrio entre soluto e íons em solução concentrações dos íons constantes
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EQUILÍBRIO DE SOLUBILIDADE
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CURVAS DE SOLUBILIDADE
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REGRAS DE SOLUBILIDADE
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DUREZA
É a capacidade da água precipitar sabões
Concentração de íons Ca2+ e Mg2+ em água – expressa em mg CaCO3/L
Fonte de dureza passagem da água no solo calcáreo
TRABALHANDO A QUÍMICA DOS SABÕES E DETERGENTES - Odone Gino Zago Neto e José Claudio Del Pino - UFRGS - IQ - Educação Química
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CLASSIFICAÇÃO DA ÁGUA QUANTO À DUREZA
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Dureza Permanente x Temporária
Temporária
Sais de cálcio e magnésio proveniente de ânions bicabornato – removida com aquecimento
Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq) + Ca(OH)2(aq) 2CaCO3(s) + 2H2O(l)
Permanente
Outros sais de cálcio e magnésio
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CONSEQUÊNCIAS DA DUREZA
Precipitação de sabões
Indesejável fabricação de bebidas sabor
Água dura - Abrandamento de águas corrosivas inibidora de corrosão
Água dura Formação de depósitos e precipitados - incrustações
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DEPÓSITOS
Incrustação mineral de alguns sais pouco solúveis em fluidos de processos após precipitação em tubulações e outras superfícies
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MECANISMO DA FORMAÇÃO
DE DEPÓSITOS
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Formação dos depósitos
Formação em camadas
Textura laminar
Variação das camadas de acordo com choques do fluido:
Concentração sais
pH
Temperatura
Pressão
Material orgânico
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DEPÓSITOS
http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/33
http://www.usp.br/agen/repgs/2002/imgs/277a.jpg
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CONTROLE DE DEPÓSITOS
Como evitar
adição de anti-incrustantes e dispersantes
Fosfatos
Bicarbonato de Cálcio + Fosfato + Alcalinidade Hidróxida
Lama de Fosfato Básico Tricálcico (Hidroxiapatita de Cálcio)
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CONTROLE DE DEPÓSITOS
Dispersantes (polímeros)
Bicarbonato de Cálcio + Dispersante Alta Concentração
Composto Solúvel (Quelação Estequiométrica)
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PRINCIPAIS CONSTITUINTES DOS DEPÓSITOS
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Principais compostos formadores de incrustações
Carbonato de Cálcio (Kps = 4,7 x 10-9, a 25ºC) CaCO3
Hidróxido de Magnésio (Kps = 7,1 x 10-12, a 25ºC) Mg(OH)2
Silicato de Cálcio (Kps = 2,5 x 10-8, a 25ºC) CaSiO3
Silicato de Magnésio MgSiO3
Sílica (SiO2)n
Óxido de Ferro Fe2O3, Fe3O4 , etc
Hidróxido de Zinco (Kps
= 3,0 x 10-16, a 25ºC) Zn(OH)2
Piro-Silicato Básico de Zinco (hemimorfita) Zn4(OH)2Si2O7.H2O
Hidroxiapatita [Ca3(PO4)2]3Ca(OH)2
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Água de alimentação = 612 m3/h
Vapor superaquecido = 90 bar, 490°C
T na fornalha = 900°C
Energia produzida = 120 MW/h
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Abrandamento por precipitação química
Pode ser efetuado das seguintes formas:
Por adição de cal
Por adição de cal em excesso
Por adição de cal e soda
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Por adição de Cal
Objetivo remover a dureza cálcica e carbonatada;
Consiste em adicionar cal à água para que ocorra uma precipitação de CaCO3 , e consequentemente uma redução do teor do íon cálcio ;
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3↓ + 2H2O
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Por adição de cal em excesso
Objetivo remover a dureza cálcica, magnésica e carbonatada;
Consiste em adicionar cal em excesso à água, para que ocorra uma precipitação de CaCO3 e Mg(OH)2 e consequentemente uma redução da dureza cálcica, magnésica e carbonatada;
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 Mg(OH)2 ↓ + 2CaCO3 ↓ + 2H2O
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 ↓ + H2O
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Por adição de cal e soda
Objetivo remover a dureza cálcica, carbonatada e não carbonatada
Consiste em adicionar cal e soda à água para que ocorra uma precipitação de CaCO3 e consequentemente redução da dureza cálcica, carbonatada e não carbonatada.
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 ↓ + 2H2O
2NaOH + Ca(HCO3)2 CaCO3 ↓ + NaCO3 + 2H2O
Na2CO3 + CaSO4 CaCO3 ↓+ Na2SO4
Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 ↓ + 2NaOH
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EXERCÍCIOS
Como o controle de dureza poderia ser feito?
2. Por que se formam depósitos em uma condição de saturação iônica?
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ALCALINIDADE
Capacidade de reagir com ácido forte para atingir determinado pH
Expressa em mg CaCO3/L
Devida às concentrações de:
Carbonatos (CO32-)
Bicarbonatos (HCO3-)
Hidróxidos (OH-)
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FONTES DA ALCALINIDADE
Solubilização carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos em água
Eutrofização remoção de CO2 da água por fotossíntese - algas
2HCO3-(aq) CO2(aq) + CO3-2(aq) + H2O(l)
CO3-2(aq) + H2O(l) HCO3-(aq) + OH-(aq)
Efluentes descargas industriais de processos com uso de NaOH ou CaO
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IMPORTÂNCIA DA
ALCALINIDADE
Sem riscos para a saúde pública
Altera o sabor da água prejudica processamento de bebidas
Padrão de potabilidade não tem determinado pelo pH
Controle do processo de floculação tratamento de água
Floculação por varredura formação de floculantes precipitados à base de OH-
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CLASSIFICAÇÃO E CONTROLE
ALCALINIDADE
Classificação
Carbonatos
Bicarbonatos
Hidróxidos
Controle adição de substâncias neutralizadoras que abaixam o pH do meio
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EXERCÍCIO
1. Verificou-se que a alcalinidade da água de uma ETA estava na faixa de 200mg CaCO3/L devido a hidróxidos. Se considerarmos esta a única fonte de hidróxidos da água, qual seria o pH da água?
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ACIDEZ
Capacidade de reagir com base forte para atingir determinado pH
Expressa em mg CaCO3/L
Devido à presença de:
Ácidos fortes (HCl, H2SO4, HNO3, etc)
Ácidos fracos – orgânicos e inorgânicos
Sais ácidos – Al2(SO4)3, FeCl3, NH4Cl
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FONTES DA ACIDEZ
Gás carbônico
Efluentes industriais não neutralizados
Siderúrgicas e metalurgias ácidos para decapagem ácida – remoção de ferrugem – aplicação da galvanoplastia
Oxidação de sulfetos
Hidrólise de floculantes em ETAs
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IMPORTÂNCIA DA ACIDEZ
Não possui padrão de potabilidade
Crucial nos estudos de corrosão
Processos de Tratamento – ETA/ETE
Componente “ácidos voláteis”
CO2 abrandamento de água no processo “cal e soda”
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Aplicação da Acidez
Abrandamento de águas duras qual método usar? agentes químicos
Previsão de corrosividade das águas e o seu tratamento (arejamento ou neutralização)
Dimensionamento das instalações dos dosadores e o espaço de estocagem dos reagentes químicos
Custo total do tratamento
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pH
Devido à auto-dissociação da água
Constante de equilíbrio
Concentração molar H2O – constante – 55,5 mol/L
Constante de equilíbrio compactada
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pH
Kw = 1,1 x 10-14 a 25ºC
pH = -log[H+]
Logo:
pH varia com T
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IMPORTÂNCIA DO pH
Padrão de potabilidade 6,5 a 9,0
Influência
equilíbrio dos processos químicos
eficiência de remoção de poluentes do tratamento de efluentes
eficiência da coagulação, floculação e desinfecção do tratamento de água
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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EXERCÍCIO
Calcule o pH das soluções dos seguintes ácidos e bases fortes:
(a) HCl 0,1 M
(b) NaOH 0,1 M
(c) HNO3 3 x 10-5 M
(d) HClO4 5 x 10-10 M
(e) KOH 2 x 10-8M.
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Química Tecnológica
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TURBIDEZ
Medida de redução da transparência da água, em razão da presença de material em suspensão, o qual reflete a luz, dificultando sua passagem pela solução.
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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TURBIDEZ
Fontes
Degradação mecânica ou transformação química ou biológica dos materiais, principalmente argilas, iodo, limo e plâncton com tamanhos variando de 0,01 à 100 micra. Substâncias dissolvidas causadoras da cor também estão presentes.
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Padrões de Turbidez
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TURBIDEZ
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Química Tecnológica
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A amostra, contendo partículas em suspensão, quando colocada numa cuba e submetida a um intenso feixe de luz incidente, reflete proporcionalmente, em ângulo de 90º a luz original.
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SOLUBILIDADE DE GASES
EM ÁGUA
Troca de gases – ar x água interface
Equilíbrio (gás ↔ solução)
dependente da pressão parcial do gás e da temperatura do sistema bifásico
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Química
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LEI DE HENRY
Soluções idealmente diluídas
Soluto B: pressão de vapor α fração molar
Lei de Henry
pB pressão parcial de vapor
xB fração molar
KB constante da Lei de Henry
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Constantes da Lei de Henry
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Exercício
A concentração de O2 necessária para a vida aquática aeróbica é de 4,0 mg.L-1. Qual a pressão parcial mínima de oxigênio na atmosfera para atingir esta concentração em água?
Lei de Henry
KO2 =
Pressão parcial O2
Pressão parcial O2 ao nível do mar = 21 KPa
Logo, pressão pode ser atingida para 4,0 mg O2.L-1
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Exercício
Qual a pressão parcial do metano necessária para dissolver 21 mg de metano em 100g de benzeno a 250C?
(KB = 5,69 x 104 KPa)
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IMPORTÂNCIA DA SOLUBILIDADE DE GASES EM ÁGUA
Controle de ETEs eficiência de remoção de poluentes
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Química Tecnológica
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IMPORTÂNCIA DA SOLUBILIDADE DE GASES EM ÁGUA
Indicador de processos de eutrofização
Controle de processos anaeróbios
Oxigênio dissolvido em água:
Indicador de autodepuração dos corpos d’água
Relevante na classificação de águas naturais
Indicador da matéria orgânica biodegradável DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio)
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TRATAMENTO DE ÁGUA
Tratamento
de água
convencional
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ETAPAS
TRATAMENTO DE ÁGUA
Captação retirada da água bruta do corpo d’água por bombeamento
Coagulação e Floculação dosagem de um coagulante na água bruta recebe aglutinação de impurezas flocos
Decantação separação do precipitado – flocos por gravidade
Filtração remoção das impurezas precipitadas
Desinfecção eliminação dos microorganismos patogênicos - adição de um agente desinfetante, normalmente cloro e derivados.
Fluoretação adição de flúor prevenção cárie dentária
Correção pH adição de cal ou barrilha leve
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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QUÍMICA DA COAGULAÇÃO
Coagulantes empregados
Sais de Alumínio e Ferro: sulfato de alumínio, sulfato ferroso, sulfato clorado, sulfato férrico, etc.
Álcalis para promover e manter a alcalinidade
Cal virgem (CaO);
Cal hidratada {(Ca (OH)2 ) };
Barrilha ( Na2CO3), etc.
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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QUÍMICA DA COAGULAÇÃO
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Reação do sulfato de alumínio com a alcalinidade natural da água
Al2(SO4)3 .18H2O + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O
Reação do sulfato de alumínio quando cal é adicionada
Al2(SO4)3.18H2O + 3CaOH2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 18H2O
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Química Tecnológica
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CRP 186
Química Tecnológica
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QUÍMICA DA DESINFECÇÃO
DESINFETANTES MAIS EMPREGADOS
a) À base de cloro
Cl2; Ca(OCl)2; NaOCl; Água Sanitária; CaOCl2
b) Ozônio: produzido no local de aplicação.
c) Desinfecção pelo calor
d) Desinfecção por Irradiações
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CRP 186
Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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QUÍMICA DA DESINFECÇÃO
Reação do Cloro com a Água
Cl2 + H2OHOCl + H+ + Cl-
para pH baixo a reação se desloca para a esquerda.
para pH acima de 4, desloca-se para a direita.
Ácido Hipocloroso é fraco e pouco dissociado em pH abaixo de 6.
HOClH+ + OCl-
[ H+ ] [OCl-] = 2,7 x 10-8
[ HOCl]
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Química Tecnológica
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Química Tecnológica
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QUÍMICA DA DESINFECÇÃO
Reações dos Hipocloritos com a Água
Ca(OCl)2 + H2O Ca++ + 2OCl- + H2O
NaOCl + H2O Na+ + OCl- + H2O
Cloro Combinado - O cloro com a amônia reage e forma compostos denominados cloraminas.
NH4+ + HOCl NH2Cl + H+ + H2O
NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O
NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O
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QUÍMICA DA DESINFECÇÃO
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DESTILAÇÃO
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DESTILAÇÃO
Eficiência de purificação: 99,9%
Alto consumo de energia: ~ 1 kW/L
Alto consumo de água: ~ 30 L/L
Resistividade: 1 MΩ/cm
Não elimina CO2, amônia, VOCs
Processo lento: ~ 5 L/h
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DEIONIZAÇÃO
Remoção de íons por troca iônica
Resinas troca entre íons solução x resinas
Resinas aniônicas
Resinas catiônicas
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FUNCIONAMENTO
Trocadores iônicos matrizes sólidas com sítios ativos.
http://www.dema.puc-rio.br/cursos/OUTecAmb/Troca_Ionica.ppt#259,11,Funcionamento
2R--Na+ + Ca+2(aq) (R2)-Ca + 2Na+(aq)
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FUNCIONAMENTO
Trocador catiônico
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MATRIZ POLI MÉTRICA
(Resina Catiônica)
http://www.dema.puc-rio.br/cursos/OUTecAmb/Troca_Ionica.ppt#319,12,Matriz poli métrica (Resina Catiônica)
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FUNCIONAMENTO
Deionização
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APLICAÇÕES
Tratamento de águas
Resíduos nucleares
Indústria Alimentícia
Indústria Farmacêutica
Agricultura
Hidro metalúrgica
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a
b
c
COLUNA INDUSTRIAL DE TROCA IÔNICA
a) Distribuidor; b)Resina; c)Coletor
http://www.dema.puc-rio.br/cursos/OUTecAmb/Troca_Ionica.ppt#310,19,Slide 19
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