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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/311950492 INDUSTRIAL CHEMICAL PROCESSES (in portuguese); PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS Working Paper · August 2010 DOI: 10.13140/RG.2.2.24735.36006 CITATIONS 0 READS 8,742 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Pharmacognosy View project The opinion of intellectuals: questions and answers View project Francisco Sávio Gomes Pereira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco (IFPE) 57 PUBLICATIONS 36 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Francisco Sávio Gomes Pereira on 29 December 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. https://www.researchgate.net/publication/311950492_INDUSTRIAL_CHEMICAL_PROCESSES_in_portuguese_PROCESSOS_QUIMICOS_INDUSTRIAIS?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_2&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/publication/311950492_INDUSTRIAL_CHEMICAL_PROCESSES_in_portuguese_PROCESSOS_QUIMICOS_INDUSTRIAIS?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_3&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/project/Pharmacognosy-25?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_9&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/project/The-opinion-of-intellectuals-questions-and-answers?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_9&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_1&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Francisco_Pereira20?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_4&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Francisco_Pereira20?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_5&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/institution/Instituto_Federal_de_Educacao_Ciencia_e_Tecnologia_de_Pernambuco_IFPE?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_6&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Francisco_Pereira20?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_7&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Francisco_Pereira20?enrichId=rgreq-d07a6466983de06f6a606537184a1ebc-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMxMTk1MDQ5MjtBUzo0NDQ0MzYzNzIwMzc2MzJAMTQ4Mjk3MzI5Njk4OQ%3D%3D&el=1_x_10&_esc=publicationCoverPdf PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROF. FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA Fonte da foto: http://professorjairojr.blogspot.com/ acesso 11/08/10 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE CURSO: TÉCNICO EM QUÍMICA RECIFE- 2010 http://professorjairojr.blogspot.com/ PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 SUMÁRIO CAPÍTULO CONTEÚDO PÁG. 1 FUNDAMENTOS DOS PROCESSOS QUÍMICOS .......................... INTRODUÇÃO ESTEQUIOMETRIA INDUSTRIAL BALANÇO DE MASSA ou MATERIAL BALANÇO DE ENERGIA OPERAÇÕES UNITÁRIAS FLUXOGRAMA ECOLOGIA INDUSTRIAL PROCESSO INDUSTRIAL COM TECNOLOGIA LIMPA REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 8 2 ÁGUA ............................................................................................... INTRODUÇÃO CICLO HIDROLÓGICO COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PROPRIEDADES DA ÁGUA IMPUREZAS DAS ÁGUAS NATURAIS PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DA ÁGUA PADRÕES DE POTABILIDADE DA ÁGUA TRATAMENTOS DA ÁGUA TRATAMENTO DA ÁGUA PARA USO POTÁVEL OU DOMÉSTICO CAPTAÇÃO GRADEAMENTO AERAÇÃO PRÉ-CLORAÇÃO CLARIFICAÇÃO FILTRAÇÃO DESINFECÇÃO TRATAMENTOS ESPECIAIS TRATAMENTOS DA ÁGUA PARA FINS INDUSTRIAIS ÁGUAS DE REFRIGERAÇÃO ÁGUAS DE PRODUÇÃO DE VAPOR ÁGUAS DE PROCESSO 20 2 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 TECNOLOGIAS INDUSTRIAIS IMPORTANTES DESSALINIZAÇÃO ABRANDAMENTO DESMINERALIZAÇÃO OU DEIONIZAÇÃO DESAERAÇÃO LEGISLAÇÃO PERTINENTE REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 3 MATERIAIS CERÂMICOS: CIMENTOS, CERÂMICAS E VIDROS. CIMENTOS ....................................................................................... INTRODUÇÃO TIPOS DE CIMENTO MATÉRIAS-PRIMAS ANÁLISE TÍPICA DE MATÉRIAS-PRIMAS NA NATUREZA COMPOSIÇÃO USUAL DAS MATÉRIAS-PRIMAS E DA FARINHA PROCESSO PRODUTIVO INDUSTRIAL REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS CERÂMICAS .................................................................................... INTRODUÇÃO TIPOS DE CERÂMICA MATÉRIAS-PRIMAS PROCESSO PRODUTIVO INDUSTRIAL REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS VIDROS ............................................................................................ INTRODUÇÃO PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS CLASSIFICAÇÃO DOS VIDROS QUANTO À COMPOSIÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS VIDROS QUANTO À APLICAÇÃO CONSIDERAÇÕES SOBRE ALGUNS TIPOS DE VIDROS MATÉRIAS-PRIMAS PROCESSO PRODUTIVO REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 41 41 57 79 3 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 4 ÁLCALIS E PRODUTOS AFINS ….................................................. INTRODUÇÃO MATÉRIAS-PRIMAS FABRICAÇÃO DA SODA CÁUSTICA E DERIVADOS FABRICAÇÃO DA BARRILHA OU SODA SOLVAY REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 101 5 GASES INDUSTRIAIS …................................................................. INTRODUÇÃO OXIGÊNIO NITROGÊNIO ARGÔNIO HIDROGÊNIO HÉLIO ACETILENO DIÓXIDO DE CARBONO AR COMPRIMIDO GÁS NATURAL ÓXIDO NITROSO APLICAÇÃO DOS GASES SIMBOLOGIA DE CORES REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 111 6 PETRÓLEO E GÁS NATURAL......................................................... INTRODUÇÃO ORIGEM E FORMAÇÃO DO PETRÓLEO COMPOSIÇÃO E PROPRIEDADES DO PETRÓLEO CARACTERIZAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DO PETRÓLEO E SUAS FRAÇÕES PRODUTOS DO PETRÓLEO INDÚSTRIA DO PETRÓLEO EXPLORAÇÃO EXTRAÇÃO E PRODUÇÃO TRANSPORTE REFINO 135 4 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 DISTRIBUIÇÃO GÁS NATURAL PROCESSAMENTO DO GÁS NATURAL SUPRIMENTO DE GÁS NATURAL RESÍDUOS E MEIO AMBIENTE REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 7 POLÍMEROS .................................................................................... INTRODUÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS POLÍMEROS NATURAIS POLÍMEROS SINTÉTICOS REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO POLÍMEROS DE ADIÇÃO COPOLÍMEROS DE ADIÇÃO COPOLÍMEROS DE CONDENSAÇÃO NOMENCLATURA DOS POLÍMEROS TÉCNICAS DE POLIMERIZAÇÃO FABRICAÇÃO DE POLÍMEROS E COMPÓSITOS FABRICAÇÃO DO POLIPROPILENO FABRICAÇÃO DO PET - POLITEREFTALATO DE ETILENO FABRICAÇÃO DE FIBRAS BIOPOLÍMEROS RECICLAGEM DE POLÌMEROS PLÁSTICOS REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 171 8 FERTILIZANTES .............................................................................. INTRODUÇÃO CRITÉRIOS DE QUALIDADE DOS FERTILIZANTESMATÉRIAS-PRIMAS FERTILIZANTES BÁSICOS FORMA QUÍMICA DE ALGUNS FERTILIZANTES COMERCIAIS SOLUBILIDADE EM ÁGUA DE ALGUNS PRODUTOS PUROS TABELA DE COMPATIBILIDADE DE FERTILIZANTES PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE FERTILIZANTES 193 5 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 FERTILIZANTES FOSFATADOS FERTILIZANTES NITROGENADOS FERTILIZANTES POTÁSSICOS ASPECTOS AMBIENTAIS DA INDÚSTRIA DE FERTILIZANTES LEGISLAÇÃO REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 9 ÓLEOS E GORDURAS …................................................................ INTRODUÇÃO COMPONENTES E CONSTITUINTES DOS LIPÍDEOS PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÓLEOS E GORDURAS PROPRIEDADES QUÍMICAS DOS ÓLEOS E GORDURAS PRODUÇÃO DOS ÓLEOS E GORDURAS REFINAÇÃO DOS ÓLEOS E GORDURAS CONTROLE DE QUALIDADE DOS ÓLEOS E GORDURAS REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 213 10 SABÕES E DETERGENTES …....................................................... INTRODUÇÃO MATÉRIAS-PRIMAS DOS SABÕES MATÉRIAS-PRIMAS DOS DETERGENTES FABRICAÇÃO DOS SABÕES FABRICAÇÃO DOS DETERGENTES PROPRIEDADES DOS SABÕES PROPRIEDADES DOS DETERGENTES CONTROLE DE QUALIDADE DOS SABÕES CONTROLE DE QUALIDADE DOS DETERGENTES REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 232 6 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 11 COSMÉTICOS .................................................................................. INTRODUÇÃO REGULAMENTAÇÃO ESPECÍFICA DOS COSMÉTICOS NORMAS SANITÁRIAS CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS COSMÉTICOS CARACTERÍSTICAS DOS PRODUTOS COSMÉTICOS MATÉRIAS-PRIMAS DOS COSMÉTCOS FABRICAÇÃO DE COSMÉTICOS ETAPAS GENÉRICAS DO PROCESSO PRODUTIVO ESTABILIDADE DE PRODUTOS COSMÉTICOS CONTROLE DE QUALIDADE DOS COSMÉTICOS REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 245 12 NOÇÕES DE TECNOLOGIAS FARMACÊUTICAS ….................... INTRODUÇÃO FARMACOLOGIA FARMACOGNOSIA FARMACOTÉCNICA FARMACODINÂMICA FARMACOCINÉTICA QUÍMICA FARMACÊUTICA TOXICOLOGIA FARMÁCIA DE MANIPULAÇÃO RDC 33 REFERÊNCIAS EXERCÍCIOS PROPOSTOS 268 13 EXERCÍCIOS GERAIS …................................................................. 284 7 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 .......................................................................................................................................................... .....1 ...............................FUNDAMENTOS DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS................ ............................................................................................................................................ INTRODUÇÃO O entendimento dos processos químicos industriais requer o conhecimento de alguns conceitos técnicos: Estequiometria industrial, Balanços de Massa e de Energia, Operações unitárias, Fluxogramas, Ecologia industrial, Processos produtivos clássicos e de tecnologias limpas, dentre outros. Estes conceitos bem consolidados proporcionam uma visão global de vários processos de fabricação de produtos de uso cotidiano ou industrial em termos de matérias-primas, fluxogramas e aplicação dos mesmos. ESTEQUIOMETRIA INDUSTRIAL Compreende a resolução de problemas de processos industriais baseando-se em informações elementares das substâncias envolvidas. Os problemas industriais envolvem: – Princípios químicos; – Princípios físicos; – Princípios físico-químicos. A termodinâmica e a cinética envolvida nos processos unitários fazem com que a produção industrial tenha resultados cada vez mais satisfatórios. Os principais problemas em um processamento químico requerem o estabelecimento: – das funções que deverão ser executadas: processos unitários; – das especificações das funções: operações unitárias; – dos materiais envolvidos para construção e interação das diversas funções: projeto de instalação. Os Problemas de Estequiometria Industrial envolvem: 1. Balanços de materiais; 2. Balanços de energias; 3. Relações de equilíbrio; 4. Equações de velocidade de processos. BALANÇO DE MASSA ou MATERIAL O balanço de massa é baseado na lei de conservação de massa (a massa não pode ser criada, nem destruída). Logo, não havendo acúmulo de massa no interior de um equipamento, tem-se ao longo de um determinado intervalo de tempo que: massa total que entra = massa total que sai 8 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 A operação de um processo pode ser classificada conforme o comportamento das variáveis ao longo do tempo. Na operação em regime estacionário, os valores das variáveis de processo (temperatura, pressão, vazões, concentrações,...) não variam com o tempo em qualquer posição fixa, e na operação em regime transiente os valores das variáveis de processo variam com o tempo em alguma posição fixa do processo. Na elaboração de um balanço de massa devem ser bem definidos: o volume de controle, que pode ser um processo completo, um equipamento ou um conjunto de equipamentos; e as correntes envolvidas no balanço de massa que atravessam as fronteiras do volume de controle. Assim, o balanço de massa é o inventário de um determinado material em relação a um sistema definido. Um sistema é classificado em função da sua transferência de massa através de sua fronteira, durante o intervalo de tempo de interesse, em: aberto (há transferência de material através da fronteira do sistema) e fechado (não há transferência de material através da fronteira do sistema). Analogamente, a operação de um processo pode ser classificada como batelada, contínua e semi- batelada ou semi-contínua. Na operação em batelada, a massa não cruza as fronteiras do processo durante o tempo da batelada. O sistema é alimentado e os produtos são retirados de uma só vez, no início e ao final do tempo de processo, respectivamente. Assim, o processo ao longo da batelada se comporta como um sistema fechado. Na operação contínua, há continuamente a passagem de massa através das fronteiras do sistema pelas correntes de entrada e saída. Desta forma o sistema se comporta como um sistema aberto. Um balanço de massa de qualquer processo pode ser representado pelo esquema a seguir: Balanço de massa genérico O balanço da grandeza em relação à fronteira definida é dado pela equação: {e} - {s} + {G} - {c} = {a} (1) onde: e = quantidade da grandeza que entra através da fronteira s = quantidade da grandeza que sai através da fronteira G = quantidade da grandeza gerada no interior do sistema c = quantidade da grandeza consumida no interior do sistema a = quantidade da grandeza acumulada no interior do sistema 9 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 BALANÇO DE ENERGIA Um sistema é classificado como aberto ou fechado de acordo em haver ou não massa atravessando as fronteiras do sistema, durante o período de tempo coberto pelo balanço de energia. Um processo em batelada é então, um processo fechado e processos contínuos e semicontínuos são processos abertos. Para sistemas fechados, desde que a energia não pode ser criada ou destruída, a equação geral do balanço transforma-se em: SAI = ENTRA – ACÚMULO No balanço de massa para sistemas fechados, os termos ENTRADA e SAÍDA, são eliminados, pois não há matéria atravessando as fronteiras do sistema. No balanço de energia, no entanto, é possível transferir energia nas formas de calor e trabalho através da fronteira. Desta forma, os termos SAI eENTRA não podem ser eliminados automaticamente. O termo ACÚMULO, como no caso do balanço de massa, é dado pelo valor final menos o valor inicial e, portanto: [energia final do sistema] – [energia inicial do sistema] = energia líquida transferida para o sistema (entra – sai) Como vimos à energia é dada pela soma das 3 partes: energia interna, cinética e potencial. A energia inicial é dada por: Ui + Eci + Epi A energia final é dada por: Uf + Ecf + Epf A energia transferida é dada por Q + W Onde o subscrito i e f indicam os estados inicial e final do sistema e U, Ec, Ep W e Q representam a energia interna, a energia cinética, a energia potencial, o trabalho realizado e o calor transferido para o sistema a partir de sua vizinhança. Então: (Uf – Ui) + (Ecf – Eci) + (Epf – Epi) = Q + W Ou ΔU + ΔEc + ΔEp = Q + W para sistema fechado 10 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Simplificações possíveis: 1- A energia interna de um sistema depende quase completamente da composição química, do estado de agregação (sólido, líquido ou gás) e da temperatura do sistema. U é independente da pressão para gases ideais e praticamente independe da pressão para líquidos e sólidos. Portanto, se não houver mudanças de temperatura, mudanças de fase e de composição química no processo, e se todos os materiais do processo são todos sólidos, líquidos ou gases ideais, então ΔU = 0. 2- Se um sistema e suas vizinhanças estão à mesma temperatura, ou se o sistema é perfeitamente isolado (adiabático), então Q = 0. 3- Trabalho feito sobre ou pelo sistema fechado é acompanhado pelo movimento da fronteira contra uma força de resistência, ou por uma geração de corrente ou radiação elétrica além das fronteiras do sistema. Se não há partes em movimento, nem geração de corrente, então no sistema fechado, W = 0. 4- Se ocorrerem variações de energia potencial, que não sejam devido à diferença de altura (por exemplo, movimento contra uma força de resistência elétrica ou um campo elétrico ou magnético), os termos para contabilizá-las devem ser incluídos no termo Ep da equação. O balanço de energia requer muitos conceitos físicos, porém na prática de um processo químico industrial o maior interesse é contabilizar o custo total de energia envolvido para a transformação da matéria-prima no produto final, além de ter a preocupação com a forma e disponibilidade dessa energia. OPERAÇÕES UNITÁRIAS As operações unitárias constituem as partes envolvidas num processo químico industrial. Elas podem ter natureza física, mecânica, química, bioquímica ou mista. Podem ser classificadas de acordo com a modificação provocada na matéria-prima, sendo comum as seguintes: preliminares, conservação, transformação, separação e complementares. As operações unitárias preliminares, como já diz o próprio nome, são normalmente realizadas antes de qualquer outra operação. Suas funções estão associadas a uma preparação do produto para o posterior processamento ou uma melhoria das condições sanitárias da matéria-prima. As principais operações unitárias preliminares são: Branqueamento; Classificação; Colheita e recepção; Eliminação de indesejáveis; Limpeza; Seleção. As operações de conservação têm como finalidade eliminar ou diminuir os agentes responsáveis pela deterioração dos alimentos, aumentando assim sua vida de prateleira. Os agentes de deterioração mais importantes são os microrganismos, sobretudo as bactérias e mofos, e as enzimas, os quais são suscetíveis às alterações de temperatura, pH, umidade e nível de oxigênio. Estes compõem os principais parâmetros a serem trabalhados nas operações unitárias que são: Atmosfera controlada; Congelamento; Evaporação; Fermentação; Irradiação; Processamento térmico (Apertização); Refrigeração; Secagem. 11 http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/secagem.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/refriger.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/procterm.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/procterm.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/fermenta.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/evaporac.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opconser/congela.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/selecao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/limpeza.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/elimina.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/recepcao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/classifi.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opprelim/branquea.htm PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 As operações unitárias de transformação podem também promover a conservação de um alimento, mas sua principal função é modificar a matéria-prima para a obtenção de um novo ingrediente, ou um produto com melhores características funcionais, sensoriais ou nutritivas. Normalmente quando uma destas operações é aplicada sobre uma matéria-prima, tem-se uma significativa mudança em seu aspecto físico. As principais operações unitárias de transformação são: Emulsificação; Extrusão; Gelificação; Homogeneização; Mistura; Moagem; Redução de tamanho; Tratamento térmico. As operações de separação estão relacionadas principalmente com a aplicação de meios físicos ou químicos. No primeiro caso modificam-se as forças da gravidade, centrífuga ou cinética para promover a separação de materiais que apresentam características diferenciadas em relação a tamanho, forma, densidade, viscosidade, densidade, etc. Nas separações químicas trabalha-se com as igualdades ou diferenças nas afinidades apresentadas pelos meios a separar. As principais operações de separação são: Absorção; Centrifugação; Clarificação; Cristalização; Destilação; Extração sólido-líquido; Filtração; Prensagem; Sedimentação. As operações unitárias complementares são equivalentes às operações preliminares, com a diferença de que estas ocorrem ao longo do processamento e não diretamente nas matérias-primas. Estas duas classes de operações diferenciam-se das operações unitárias convencionais por não promoverem mudanças significativas nas características químicas, físicas ou microbiológicas dos produtos. Algumas das principais operações unitárias complementares são: Aditivação; Armazenagem (de matérias- primas); Desaeração; Envasamento ou embalagem; Estocagem (de produtos finais); Fechamento (de latas (recravação)/de vidros ); Resfriamento; Rotulagem; Formatação. FLUXOGRAMA É uma forma de ilustrar um processo químico industrial de maneira que o leitor perceba a interligação entre as operações unitárias com a finalidade de converter a matéria-prima no produto final. Podem ser usados alguns artifícios: figuras geométricas, simbologias de equipamentos e máquinas, mistos, dentre outros. O importante num fluxograma é que ele seja o mais didático possível e que não deixe dúvidas no usuário ou leitor. Para exemplificar, um fluxograma simplificado da produção do leite industrializado usando figuras geométricas, um processo industrial muito comum no cotidiano. 12 http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/rotulage.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/resfriam.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/fechamen.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/recravac.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/estocage.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/envasame.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/desaer.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/armazena.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/armazena.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/aditivac.htmhttp://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/prensage.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/filtraca.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/extracao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/destilacao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/cristali.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opsepara/clarific.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/trtermic.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/reducao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/moagem.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/mistura.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/homoge.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/gelifica%C3%A7%C3%A3o.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/extrusao.htm http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/emulsifi.htm PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 PROCESSO INDUSTRIAL CLÁSSICO Processo industrial que visa maximizar a produção, não importando as conseqüências ambientais. É representado pela ganância produtiva em obtenção de lucros, desastres ecológicos, degradação ambiental, dentre outros. ORDENHA Animal produtor FILTRAÇÃO/ RESFRIAMENTO PADRONIZAÇÃO PASTEURIZAÇÃO ou ESTERILIZAÇÃO Leite fresco Leite pasteurizado ou esterilizado Leite filtrado e resfriado Leite padronizado FLUXOGRAMA DE FABRICAÇÃO DO LEITE INDUSTRIAL PROCESSO TRATAMENTO Energia ilimitada Matéria-prima ilimitada Produto Resíduo Representação de uma empresa convencional, em que tanto a capacidade de carga do ambiente como as quantidades de matéria-prima e de energia são consideradas ilimitadas. 13 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Do ponto de vista ambiental, as tecnologias ambientais convencionais trabalham principalmente no tratamento de resíduos e emissões gerados em um processo produtivo. São as chamadas técnicas de fim-de-tubo. (end of pipe). ECOLOGIA INDUSTRIAL A Ecologia Industrial é uma nova abordagem que, com menos de vinte anos, já é amplamente reconhecida devido à forma sistêmica com que analisa o sistema industrial, seus produtos, resíduos e as interações destes com o meio ambiente. A indústria química é a maior responsável pela dispersão de substâncias tóxicas no meio ambiente e torna-se urgente e necessário promover mudanças na forma de tratar os problemas ambientais. Remediar e controlar os poluentes não é mais suficiente, deve-se direcionar os esforços no sentido de reduzir e, principalmente, prevenir o descarte de substâncias nocivas ao ambiente. A Ecologia industrial propõe, portanto, fechar os ciclos, considerando que o sistema industrial não apenas interage com o ambiente, mas é parte dele e dele depende. PRODUÇÃO TRATAMENTO BIOLÓGICO Salmoura (aprox. 11% NaCl) Matéria-prima (repolho/rabanete) Produto final (conserva) Descarga Fluxograma simplificado do tratamento final de tubo numa indústria de conservas. LAVAGEM NEUTRALIZAÇÃO SEDIMENTAÇÃO Água 2,2% NaCl COAGULAÇÃOSEDIMENTAÇÃOFILTRAÇÃO POLIMENTO (CARVÃO ATIVO) Resíduos sólidos 14 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 O projeto de um processo sob a ótica da Ecologia Industrial deve prever a utilização de subprodutos e resíduos por outros processos. Além disto, deve considerar: • a redução ou eliminação do uso de substâncias tóxicas, inflamáveis e explosivos, • incluir fluxos de reciclagem sempre que possível, • escolher os materiais mais adequados, naturais ou não, com base na Avaliação de Ciclo de Vida, • considerar o consumo de energia, maximizando o uso de fontes renováveis de energias, • usar o mínimo de material e evitar a utilização de materiais escassos, • reduzir ou eliminar o armazenamento e emissão de materiais perigosos, • reduzir ou eliminar o uso de materiais ligados à degradação da camada de ozônio e às mudanças climáticas durante o ciclo de vida. PROCESSO INDUSTRIAL COM TECNOLOGIA LIMPA De forma geral, pode-se definir como tecnologia mais amigável ao meio ambiente aquela que substitui tecnologias convencionais de fabricação de forma a reduzir o impacto ambiental de determinado processo ou produto. A idéia de otimizar processos, categorizar todas as operações de uma indústria e acompanhar todos os passos de fabricação de um produto acaba, inevitavelmente, levando a um conhecimento profundo de cada sistema, permitindo, principalmente, o planejamento de ações em longo prazo. Por outro lado, este conhecimento detalhado do sistema leva à análise das interações do produtor com outras empresas, sejam elas fornecedores, consumidores de subprodutos ou consumidores finais. Neste contexto, a analogia entre sistemas industriais e ecossistemas vêm ganhando força e levando à considerações sobre as interações do sistema com o meio ambiente. Um exemplo do ciclo de vida de um produto da indústria química pode ser ilustrado no processo produtivo do metanol. Nas etapas de sua fabricação e utilização ocorre interação com o meio ambiente. No ciclo de vida do metanol pode-se observar a contribuição do meio ambiente, onde se pode considerar a água utilizada para a irrigação ou a água da chuva necessária para o crescimento da biomassa e a área de terreno necessária para este crescimento e seu reflorestamento. Nesta fase ocorre principalmente a emissão de O2, mas podem ser, também incluídos, fertilizantes, herbicidas ou pesticidas eventualmente utilizados no cultivo da biomassa. Na etapa de produção do álcool, pode-se observar a utilização de matérias-primas (biomassa e CaO) e água, a geração de um subproduto (fertilizante que poderia ser reutilizado na primeira etapa), emissão de CO2 e enxofre. A Avaliação do Ciclo de Vida do metanol inclui seu uso, onde são consideradas a emissão de CO2 e o uso de água. Neste tipo de avaliação um balanço de massa (e, também, de energia) permite conhecer profundamente todas as etapas de um processo e suas interações com o meio ambiente. Além disto, todas as interações do produto com o ambiente, desde a extração de matérias-primas para sua fabricação até seu descarte podem ser avaliadas, alteradas e melhoradas com o fechamento de ciclos, a utilização de 15 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 matérias-primas renováveis, a diminuição do transporte de material entre as etapas de vida do produto, o uso de processos ambientalmente benignos (Química Verde) e a consideração da etapa de uso no planejamento do processo e do produto. Portanto, Produção mais Limpa significa a aplicação contínua de uma estratégia econômica, ambiental e tecnológica integrada aos processos e produtos, a fim de aumentar a eficiência no uso de matérias- primas, água e energia, através da não-geração, minimização ou reciclagem de resíduos gerados em um processo produtivo. Esta abordagem induz inovação nas empresas, dando um passo em direção ao desenvolvimento econômico sustentado e competitivo, não apenas para elas, mas para toda a região que abrangem. A Produção mais Limpa pretende integrar os objetivos ambientais aos processos de produção, a fim de reduzir os resíduos e as emissões em termos de quantidade e periculosidade. São utilizadas várias estratégias visando a Produção mais Limpa e a minimização de resíduos. A prioridade da Produção mais Limpa está no topo (à esquerda) do fluxograma seguinte; evitar a geração de resíduos e emissões(nível 1). Os resíduos que não podem ser evitados devem, preferencialmente, ser reintegrados ao processo de produção da empresa (nível 2). Na sua impossibilidade, medidas de reciclagem fora da empresa podem ser utilizadas (nível 3). PRODUÇÃO MAIS LIMPA NÍVEL 1 REUTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS E EMISSÕESMINIMIZAÇÃO DE RESÍDUOS E EMISSÕES CICLOS BIOGÊNICOS RECICLAGEM EXTERNA RECICLAGEM INTERNA NÍVEL 2 REDUÇÃO NA FONTE NÍVEL 3 MODIFICAÇÃO NO PROCESSO MODIFICAÇÃO NO PRODUTO HOUSEKEEPING ESTRUTURAS MATERIAIS SUBSTITUIÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA MODIFICAÇÃO DE TECNOLOGIA 16 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 A prática do uso da Produção mais Limpa leva ao desenvolvimento e implantação de Tecnologias Limpas nos processos produtivos. Para introduzir técnicas de Produção mais Limpa em um processo produtivo, podem ser utilizadas várias estratégias, tendo em vista metas ambientais, econômicas e tecnológicas. A priorização destas metas é definida em cada empresa, através de seus profissionais e baseada em sua política gerencial. Assim, dependendo do caso, podem-se ter os fatores econômicos como ponto de sensibilização para a avaliação e definição de adaptação de um processo produtivo e a minimização de impactos ambientais passando a ser uma conseqüência, ou inversamente, os fatores ambientais serão prioritários e os aspectos econômicos tornar-se-ão conseqüência. PROCESSO 1 RECICLAGEM Energia Matéria-prima Produto principal Resíduo Representação de uma empresa onde são aplicados os conceitos de produção mais limpa PROCESSO 2 RECICLAGEM TRATAMENTO Produto secundário 17 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 REFERÊNCIAS Operações unitárias em processos químicos industriais. Disponível em <http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/opcomple.htm>. Acesso dezembro de 2007. ALMEIDA, C. M. V. B & GIANETTI, B. Ecologia Industrial: conceitos, ferramentas e aplicações. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. O que é produção mais Limpa? Centro Nacional de Tecnologias Limpas SENAI. AQUIM, P. M.1; GUTTERRES, M.1; PRIEBE, G. P. S.1; OSÓRIO, T.1; HAEUSSLING, L.2, FERREIRA, I. C.2. BALANÇO DE MASSA NOS PROCESSOS DE RIBEIRA E CURTIMENTO. PRODUÇÃO PRECIPITAÇÃO Salmoura (aprox. 11% NaCl) Matéria-prima (repolho/rabanete) Produto final (conserva) Representação de um processo com recirculação de salmoura LAVAGEM ARMAZENAMENTO ARMAZENAMENTO Água Aprox. 9,5% NaCl FILTRAÇÃO (MICRO) NEUTRALIZAÇÃO FILTRAÇÃO (FILTRO-PRENSA) Resíduos sólidos NaOH 18 http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/opcomple/opcomple.htm PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Comente e exemplifique, numa situação produtiva, os termos: (a) Processo industrial com tecnologia limpa (b) Operações unitárias de separação (c) Ecologia Industrial. (d) Técnicas ambientais de fim- de-tubo. 2. Baseando-se numa transformação industrial de matérias-primas em um produto cotidiano, mostre a evolução de um processo clássico para um de tecnologia limpa. Justifique e exemplifique. 3. Como a ecologia industrial pode ser vista num processo produtivo industrial? Justifique e exemplifique baseando-se numa tecnologia produtiva de seu interesse. 4. A produção mais limpa tem como pontos fundamentais os princípios da minimização e da reutilização de resíduos e emissões. Mostre os possíveis níveis hierárquicos dessa produção mais limpa, num processo tecnológico de seu conhecimento. Exemplifique cada nível nas operações unitárias desse processo. 19 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 ........................................................................................................................................... ...... 2 .............................. ÁGUA ................................................... .......................................................................................................................................................... INTRODUÇÃO A água é a substância mais abundante no planeta Terra e pode ser encontrada tanto no estado líquido, gasoso ou sólido, na atmosfera, sobre ou sob a superfície terrestre, nos oceanos, mares, rios e lagos. Também o constituinte inorgânico mais presente na matéria viva: cerca de 60% do peso do homem é constituído de água e em certos animais aquáticos esta porcentagem alcança 98%. Cientistas estimam que o nosso planeta tenha três quartos de sua massa só de água (1,36 x 1018 m3), ou seja, 1 trilhão e 360 bilhões de quilômetros cúbicos, com 1,5 x 1012 metros cúbicos em estado livre no planeta. Os mares e os oceanos contêm cerca de 97,4 % de toda essa massa, formada pela água salgada. 2 % da água total está estocada sob a forma de neve ou gelo, no topo das grandes cadeias de montanhas ou nas zonas polares. Assim apenas cerca de 0,6 % do total encontra-se disponível como água doce nos aqüíferos subterrâneos (0,5959 %), os rios e lagos superficiais (0,0140 %) e na atmosfera na forma de vapor d’água (0,001 %). A maior parte das águas subterrâneas encontra-se em condições inadequadas ao consumo ou em profundezas que inviabilizam sua exploração. Diante desta situação é de importância fundamental para o futuro da humanidade, e sua própria sobrevivência, que se valorize a preservação dos recursos hídricos do planeta em suas condições naturais. Hoje, o mau uso, aliado à crescente demanda pelo recurso, vem preocupando especialistas e autoridades no assunto, pelo evidente decréscimo da disponibilidade de água limpa em todo o planeta. CICLO HIDROLÓGICO Ao permanente movimento de mudanças de estado (sólido, líquido ou gasoso) ou de posição (superficial, subterrânea ou atmosférica) em relação à superfície da Terra, denominou-se de ciclo hidrológico. Portanto, o ciclo hidrológico é a descrição do comportamento natural da água em volta do globo terrestre. Essencial para o desenvolvimento da vida na Terra, é composto de três fenômenos principais: evaporação para a atmosfera, condensação em forma de nuvens e precipitação, mais freqüentemente em forma de chuva, sobre a superfície terrestre, onde ela se dispersa sobre as mais variadas maneiras, de acordo com a superfície receptora, escoando sobre a superfície, infiltrando-se e/ou evaporando-se. Quando a chuva alcança o solo, parte da água se infiltra e parte fica temporariamente sobre a superfície, em função da intensidade da chuva e da capacidade de infiltração do solo. Da parcela superficial parte é retida, passa do estado líquido para o gasoso pelo processo de evaporação natural, e volta à atmosfera. A intensidade desse fenômeno natural depende da temperatura ambiente, da ventilação e da umidade relativa do ar. O restante escoa sobre a superfície livre do terreno indo abastecer os corpos receptores naturais como rios, lagos e oceanos. Da parcela infiltrada, a que fica retida nos interstícios próximos à superfície volta à atmosfera na forma de vapor e o restante penetra mais profundamente e vai abastecer 20 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 o lençol freático e outros aqüíferos subterrâneos. A figura seguinte representa esquematicamente o ciclo hidrológico com seus principais componentes. Ciclo Hidrológico (Fonte: http://www.ichs.ufop.br/conifes/anais/EDU/edu0305.htm)A água da chuva, ao infiltrar-se no terreno, vai pelo solo poroso até encontrar uma camada de material impermeável. Nesse ponto a água poderá ficar acumulada ou escoar na forma de rio subterrâneo até encontrar um barranco onde ela poderá brotar na forma de mina d'água. A água retida por camadas impermeáveis é conhecida como água freática ou lençol freático. COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PROPRIEDADES DA ÁGUA A água é uma substância composta resultante da combinação de dois átomos de hidrogênio com um de oxigênio que na forma mais elementar de representação temos H2O (fórmula molecular). Esta composição foi descoberta em 1879, por Henry Cavendish, procedendo à queima de hidrogênio na presença de oxigênio. Conhecer as propriedades da água em repouso ou em movimento é fundamental para a solução correta dos vários problemas que envolvem princípios e métodos de armazenamento, conservação, controle, condução, utilização, dentre outros. Entre as peculiaridades da água está a de ser uma substância encontrada no estado sólido, líquido e gasoso na superfície da terra, ou seja, ela pode ser facilmente encontrada em três fases na natureza, a saber, no estado sólido (neve e gelo), no gasoso (vapor d’água e umidade) e na sua forma mais comum, a líquida (reservatórios de acumulação, lençóis subterrâneos, mares e oceanos). Fisicamente quando pura, é um líquido transparente e levemente azulado, praticamente incolor, sem gosto e sem sabor (a clássica qualificação das primeiras aulas de ciências: líquido incolor, inodoro e insípido) e apresenta reflexão e refração da luz. 21 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 IMPUREZAS DAS ÁGUAS NATURAIS Não há água pura na natureza devido a seu alto poder de dissolução de gases, corantes, colóides, sais e outras espécies. Este poder físico-químico faz com que a água seja denominada de solvente universal. Devido a esta efetiva propriedade de solvência e ao seu alto poder de transportar partículas em seu meio, podem ser encontradas diversas impurezas que normalmente definem sua qualidade. Essas impurezas podem ser agrupadas da seguinte forma: • em suspensão: algas, protozoários, fungos e vírus; vermes e larvas; areia, argila e silte; resíduos industriais e domésticos; • estado coloidal: corantes vegetais, sílica e vírus; • em dissolução: sais de cálcio e magnésio (bicarbonatos, carbonatos, sulfatos ou cloretos), sais de sódio (bicarbonatos, carbonatos, sulfatos fluoretos e cloretos), óxidos de ferro e manganês, chumbo, cobre, zinco, arsênico, selênio e boro, iodo, flúor e compostos fenólicos; nitratos e nitritos, gases (O2 , CO2 , H2S, N2, NH3). Estas impurezas na realidade e de uma forma conceitual mais ampla conferem à água suas características químicas, físicas e bacteriológicas, características estas que informam os parâmetros de qualidade da água. As características químicas são conferidas através da presença em maior ou menor intensidade tanto de matéria orgânica como de inorgânica, enquanto que as físicas são conseqüências da presença de sólidos, que podem estar em suspensão (exemplo silte e argila), dissolvidos (exemplo colóides) ou em solução (exemplo sais e corantes). As características biológicas são inerentes à presença de seres vivos ou mortos, principalmente de vida microscópica animal e vegetal, moneras, protistas e vírus. PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DA ÁGUA As características mais importantes para se qualificar quimicamente uma água são: pH, acidez, alcalinidade, cloretos, dureza, sólidos, condutividade elétrica, elementos e compostos químicos especiais e gases dissolvidos. pH Do ponto de vista analítico o pH é um dos parâmetros mais importantes na determinação da maioria das espécies químicas de interesse tanto da análise de águas potáveis como na análise de águas residuárias, sendo, pois, uma das mais comuns e importantes determinações no contexto da química da água. No campo do abastecimento de água o pH intervém na coagulação química, controle da corrosão, abrandamento e desinfecção. Águas com baixos valores de pH tendem a ser agressivas para instalações metálicas. O padrão de potabilidade em vigor no Brasil preconiza uma faixa de pH entre 6,5 e 8,5. Normalmente a água apresenta-se boa para ingestão para pH na faixa de 5,5 a 8,0, sob a análise desta característica. Dureza É um parâmetro característico da qualidade de águas de abastecimento industrial e doméstico sendo que do ponto de vista da potabilização são admitidos valores máximos relativamente altos, típicos de águas duras ou muito duras. Quase toda a dureza da água é provocada pela presença de sais de cálcio 22 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 e de magnésio (bicarbonatos, sulfatos, cloretos e nitratos) encontrados em solução. Assim, os principais íons causadores de dureza são cálcio e magnésio tendo um papel secundário o zinco e o estrôncio. Algumas vezes, alumínio e ferro férrico são considerados como contribuintes da dureza. A dureza total da água compõe-se de duas partes: dureza temporária e dureza permanente. A dureza é dita temporária, quando desaparece com o calor, e permanente, quando não desaparece com o calor, ou seja, a dureza permanente é aquela que não é removível com a fervura da água. A dureza temporária é a resultante da combinação de íons de cálcio e magnésio que podem se combinar com bicarbonatos e carbonatos presentes. Normalmente, reconhece-se que uma água é mais dura ou menos dura, pela maior ou menor facilidade que se tem de obter, com ela, espuma de sabão. As águas duras caracterizam-se, pois, por exigirem consideráveis quantidades de sabão para produzir espuma, e esta característica já foi, no passado, um parâmetro de definição, ou seja, a dureza de uma água era considerada como uma medida de sua capacidade de precipitar sabão. Esse caráter das águas duras foi, por muito tempo, para o cidadão comum o aspecto mais importante por causa das dificuldades de limpeza de roupas e utensílios. Com o surgimento e a determinação dos detergentes sintéticos ocorreu também a diminuição os problemas de limpeza doméstica por causa da dureza. Também durante a fervura da água os carbonatos precipitam-se. Este fenômeno prejudica o cozimento dos alimentos, provoca "encardido" em panelas e é potencialmente perigoso para o funcionamento de caldeiras ou outros equipamentos que trabalhem ou funcionem com vapor d’água, podendo provocar explosões desastrosas. Assim pode-se resumir que uma água dura provoca uma série de inconvenientes: • é desagradável ao paladar; • gasta muito sabão para formar espuma; • dá lugar a depósitos perigosos nas caldeiras e aquecedores; • deposita sais em equipamentos; • mancha louças. Acidez Quimicamente acidez é a capacidade de neutralização de soluções alcalinas, ou seja, é a capacidade da água em resistir às mudanças de pH em função da introdução de bases. Em geral a acidez está associada à presença de CO2 livre. A presença de ácidos orgânicos é mais comum em águas superficiais, enquanto que nas águas subterrâneas é menos freqüente a ocorrência de ácidos em geral. Em algumas ocasiões as águas subterrâneas poderão conter ácido sulfúrico derivado da presença de sulfetos metálicos. Acidez, pH e alcalinidade estão intimamente inter-relacionados. De um modo geral o teor acentuado de acidez pode ter origem na decomposição da matéria orgânica, na presença de gás sulfídrico, na introdução de despejos industriais ou passagens da água por áreas de mineração. 23 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCOSÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Alcalinidade Quimicamente definindo alcalinidade é a propriedade inversa da acidez, ou seja, é a capacidade de neutralização de ácidos. Em geral a presença de alcalinidade leva o pH para valores superiores a 7,0, porém pH inferiores (acima de 4) não significa que não hajam substâncias alcalinas dissolvidas no meio aquoso. Os principais constituintes da alcalinidade são os bicarbonatos (HCO3- ), os carbonatos (CO32- ) e os hidróxidos (OH- ), cujas formas são função do pH. Para pH superiores a 9,4 tem-se dureza de carbonatos e predominantemente de hidróxidos. Entre pH de 8,3 e 9,4, predominam os carbonatos e ausência de hidróxidos. Para pH inferiores a 8,3 e acima de 4.4 ocorre apenas dureza de bicarbonato. Abaixo de 4,4 não ocorre alcalinidade. De um modo geral as alterações de alcalinidade têm origem na decomposição de rochas em contato com a água, reações envolvendo o CO2 de origem atmosférica e da oxidação de matéria orgânica, além da introdução de despejos industriais. Sólidos A água com excessivo teor de sólidos em suspensão ou minerais dissolvidos tem sua utilização limitada. Uma água com presença de 500 ppm de sólidos dissolvidos, geralmente, ainda é viável para uso doméstico, mas provavelmente inadequada para utilização em muitos processos industriais. Água com teor de sólidos superior a 1000 ppm torna-se inadequada para consumo humano e possivelmente será corrosiva e até abrasiva. De um modo geral todas as impurezas presentes na água, com exceção dos gases dissolvidos, têm sua origem nos sólidos incorporados ao seu meio. Devido a essa condição deve-se dar prioridade a análise deles, pois seu resultado pode direcionar todo o estudo de caracterização. São caracterizadas como sólidos todas as partículas presentes em suspensão ou em solução, sedimentáveis ou não, orgânicas ou minerais. A determinação da quantidade total de sólidos presentes em uma amostra é chamada de sólidos totais. A separação dos tipos de sólidos presentes na mistura é feita em laboratório e classificada da seguinte maneira: • Totais - massa sólida obtida com a evaporação da parte líquida da amostra a 103oC a 105oC, em mg/L; • Minerais ou Fixos - resíduos sólidos retidos após calcinação dos sólidos totais a 500oC, em mg/L; • Orgânicos ou Voláteis - parcela dos sólidos totais volatilizada no processo de calcinação, em mg/ L; • Em Suspensão ou Filtráveis e Não-filtráveis - quantidade de sólidos determinada com a secagem do material retirado por filtração da amostra, através de micromalha, de 0,45 µm (mícron ou micrômetro), em mg/L; • Coloidais - fração dos sólidos composta de partículas com diâmetros equivalentes da ordem de 10-3 a 0,45 µm; • Dissolvidos - fração dos sólidos composta de partículas com diâmetros equivalentes inferiores a 10-3 µm. Para se ter uma idéia destas dimensões, as bactérias têm seu tamanho entre 0,5 e 5,0 µm e o olho nu só é capaz de visualizar a partir da dimensão de 100 mícrons ou 0,1 milímetro. 24 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Cloretos A presença de cloretos na água é resultante da dissolução de sais com íons Cl-, por exemplo, de cloreto de sódio. É característica da água do mar, cujo teor se aproxima dos 20000 ppm, entre eles o mais presente é o cloreto de sódio (NaCl) com cerca de 70% deste teor. A água de chuva, por exemplo, tem presença insignificante de cloretos (menos de 1%), exceto em regiões próximas ao litoral. De um modo geral a presença de cloretos tem origem na dissolução de minerais, contato com áreas de sal, mistura com a água do mar e introdução de águas residuárias domésticas ou industriais. Em termos de consumo suas limitações estão no sabor e para outros usos domésticos e para processos industriais depende de sua concentração. Águas com teores menores que 250 ppm de cloretos são satisfatórias para serviços de abastecimento doméstico (o ideal seria menor que 150 ppm). Concentrações superiores a 500 ppm implicam em sabor característico e desagradável. Para o consumo dessa água, por animais, a concentração de cloretos pode chegar até 4000 ppm. Condutividade elétrica A água pura é um meio isolante, porém sua capacidade de solvência das substâncias, principalmente de sais, faz com que as águas naturais tenham, em geral, alto poder de condutividade elétrica. Esta condutividade depende do tipo de mineral dissolvido bem como da sua concentração. O aumento da temperatura também eleva a condutividade elétrica. Elementos e compostos químicos especiais presentes na água Ferro - Presente numa grande quantidade de tipos de solos, é um dos elementos químicos mais freqüentemente encontrado nas águas naturais. O ferro presente na água pode ser adquirido nas próprias fontes e instalações de captação ou de adução através da corrosão das superfícies metálicas ou mesmo de despejos industriais. Na ausência de oxigênio dissolvido como nos caso de águas subterrâneas e de fundos de lagos, seus íons se apresentam na forma solúvel (Fe2+). Exposto ao oxigênio livre sofre oxidação e torna-se insolúvel na forma (Fe3+), o que pode acontecer até na saída da torneira, colorindo a água, manchando superfícies claras e roupas. Sua remoção pode ser efetuada através da aeração da massa de água que contém os íons ferrosos, forçando sua precipitação como óxido ou hidróxido férricos (ferrugem). Por ser uma substância que afeta qualitativamente o desempenho de algumas atividades domésticas como também alguns produtos industrializados, é de suma importância que seu teor seja quantificado nas águas de abastecimento público. Concentrações superiores a 0,5 ppm provocam manchas em louças e roupas nos processos de lavagens. Atividades que envolvam tingimentos, tais como fábricas de tecidos ou artigos destes, não podem trabalhar com águas com teores superiores a 0,1 ppm de ferro insolúvel (Fe3+). Manganês - Este cátion oxidado e insolúvel (Mn4+) tem um comportamento semelhante ao do ferro, porém sua presença em águas naturais é sensivelmente menos intensa. Na sua forma solúvel é Mn2+. Sódio - É o elemento característico da água do mar, com uma concentração média de 10000 ppm. Sua presença nos mananciais de águas utilizáveis para abastecimento público provoca elevação da alcalinidade. 25 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Flúor - Teores de flúor entre 0,5 e 1,0 ppm são benéficos na formação dos dentes das crianças, sendo por isso, indicado no tratamento preventivo contra o aparecimento de cáries. Concentrações superiores a 1,5 ppm provocam manchas permanentes no esmalte dos dentes e além de 4,0 ppm possivelmente prejudicam a resistência dos mesmos, além de ser perigoso para os ossos em geral, podendo provocar defeitos orgânicos permanentes nos fetos. Este problema é conhecido como fluorose. Nitratos - O nitrogênio pode ser encontrado de várias formas e estados de oxidação no meio aquático: molecular (N2), orgânico, amônia (NH3) ou amoniacal (NH4+), nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-). Elemento indispensável ao desenvolvimento das algas, concentrações elevadas de nitrogênio principalmente em águas paradas ou de deslocamento laminar, podem levar ao crescimento excessivo desses organismos, no processo chamado de eutrofização. O excesso de amônia provoca mortandade dos peixes e o processo de oxidação desse composto em nitrito e em seguida em nitrato consome oxigênio livre, afetando assim a vida aquática do manancial. Constituinte de proteínas,clorofila e vários outros compostos orgânicos, a presença de nitratos na água decorre da decomposição de vegetais e de dejetos e corpos de animais mortos, de poluição com fertilizantes e, principalmente da introdução de efluentes de esgotos sanitários no manancial. Águas com concentrações superiores a 45 ppm são desaconselhadas para uso doméstico, pois a sua ingestão contínua pode provocar a cianose ou doença do bebê azul, ou hemoglobinemia, principalmente nas crianças. Fósforo - O fósforo assim como o nitrogênio, é um nutriente essencial para o crescimento dos microrganismos responsáveis pela biodegradabilidade da matéria orgânica e também para o crescimento de algas, o que pode favorecer o aparecimento da eutrofização nos mananciais. Normalmente sua presença nos mananciais tem origem em despejos domésticos e em certos despejos industriais, embora também possa surgir da dissolução de compostos do solo. O fósforo presente nos esgotos domésticos (5 a 20mg/L) tem procedência, principalmente, da urina dos contribuintes e do emprego de detergentes usualmente utilizados nas tarefas de limpeza. Este fósforo apresenta-se principalmente nas formas de ortofosfato, poli ou pirofosfatos e fósforo orgânico. Cerca de 80% do total é de fósforo inorgânico, 5 a 15mg/L (poli + orto), enquanto que o orgânico varia de 1 a 5mg/ L. Nos esgotos domésticos de formação recente a forma predominante de ortofosfato é HPO42-, originada em sua maior parte da diluição de detergentes e favorecido pela condição de pH em torno da neutralidade. Porém sua predominância tende a ser acentuada à medida que o esgoto vai envelhecendo, uma vez que os polifosfatos (moléculas complexas com mais de um átomo de P e que precisam ser hidrolisadas biologicamente) e os fósforos orgânicos (pouco representativos) transformam-se, embora lentamente, em ortofosfato, o que deve acontecer completamente até o final da biodegradação, visto que é nesta forma que ele pode ser assimilado diretamente pelos microrganismos. Assim sendo, a sua determinação é um parâmetro fundamental para caracterização de águas residuárias brutas e tratadas, embora por si só, sua presença não seja um problema sanitário muito importante no caso de águas de abastecimento. 26 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Sulfatos - De origem similar a dos fosfatos, é um parâmetro mais importante no estudo de projetos de redes coletoras e tratamentos de esgotos sanitários. Quantidades excessivas de sulfatos dão sabor amargo à água e podem ser laxativos, principalmente em novos consumidores. Gases dissolvidos mais comuns na água Oxigênio livre - Vital para os organismos aeróbios presentes na água, o oxigênio livre presente na água vem do contato desta com a atmosfera ou produzido por processos fotossintéticos. Em condições normais de temperatura e pressão a água consegue reter de 9 a 10 ppm de oxigênio livre. Esta solubilidade decresce à medida que a temperatura aumenta anulando-se na fase de ebulição. A ausência de oxigênio na água fervida e depois resfriada lhe confere um gosto levemente desagradável para a maioria dos paladares. A presença de matéria orgânica em decomposição na água reduz a concentração de O2 na água em repouso por causa do metabolismo bacteriano. Por outro lado a sua introdução na massa de água favorece a precipitação de elementos químicos indesejáveis como, por exemplo, o ferro. O oxigênio dissolvido é corrosivo, principalmente para tubulações de ferro e aço, notadamente para menores faixas de pH ou maiores condutividades elétricas. Dióxido de carbono - O teor de gás carbônico, que geralmente é mais intenso em áreas cobertas com vegetação, é mais significativo em termos químicos na captação de águas subterrâneas com presença de carbonatos e bicarbonatos de cálcio. Gás sulfídrico - Gás sulfídrico pode ser encontrado em águas subterrâneas, águas de fundos de lagos ou represas profundas ou em superficiais poluídas com esgoto e com deficiência de oxigênio dissolvido. Nestas condições bactérias anaeróbias ou facultativas redutoras de sulfatos produzem ácido sulfúrico que é corrosivo para uma grande variedade de materiais. É um composto de intenso e desagradável odor (semelhante ao de ovo podre), bastando concentrações em torno de 0,5 ppm para ser sentido. PADRÕES DE POTABILIDADE DA ÁGUA A qualidade da água pode ser função das diversas substâncias encontradas em seu meio e os parâmetros que mostram as características de uma água podem ser de ordem física, química e bacteriológica. Na natureza tem uma qualidade inerente às condições naturais da bacia de drenagem, ou seja, tem uma qualidade existente, que nem sempre é adequada às condições de uso que se pretende. Assim a água natural tem de passar por uma transformação artificial até que atinja a qualidade desejável, de modo a se tornar utilizável. Aos processos de transformação artificial da qualidade existente para a desejável dá-se o nome de tratamento da água. Uma água é dita potável quando é inofensiva a saúde do homem, agradável aos sentidos e adequada aos usos domésticos. Definem-se como padrões de potabilidade os limites de tolerância das substâncias presentes na água de modo a garantir-lhe as características de água potável. De um modo geral os padrões de potabilidade tornam-se mais rigorosos com o passar dos anos, visto que novas técnicas de tratamento e a evolução das tradicionais, associadas a novas descobertas científicas, principalmente no trato com as doenças transmissíveis através da água ou que têm nela uma parte de seu ciclo, vão permitindo este desenvolvimento. Também é de se esperar que em países mais 27 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 desenvolvidos, estes padrões sejam mais rigorosos, considerando a maior disponibilidade de recursos e o maior domínio de tecnologias apropriadas. Em linhas gerais estes padrões são físicos (cor, turbidez, odor e sabor), químicos (presença de substâncias químicas) e bacteriológicos (presença de microrganismos vivos). Normalmente as legislações específicas de cada região ou país, regem-se pelas recomendações da Organização Mundial de Saúde (OMS). TRATAMENTOS DA ÁGUA Classicamente o tratamento da água consiste de uma seqüência de operações conjuntas para melhorar suas características organolépticas, físicas, químicas e bacteriológicas, a fim de que se torne adequada ao consumo humano ou a alguma aplicação industrial específica. Esses tratamentos podem ser classificados em primários (água para uso potável) ou secundários (águas para usos industriais). Nem toda água requer tratamento para abastecimento público ou uso industrial. Depende da sua qualidade em comparação com os padrões de consumo e também da aceitação dos usuários. Normalmente as águas de superfície são as que mais necessitam de tratamento, porque se apresentam com qualidades físicas e bacteriológicas impróprias, em virtude de sua exposição contínua a uma gama muito maior de processos de poluição. Apenas na captação superficial de águas de nascentes, a simples proteção das cabeceiras e o emprego de um processo de desinfecção, podem garantir uma água de boa qualidade do ponto de vista de potabilidade. Também se pode comentar que águas de grandes rios, embora não satisfazendo pelo seu aspecto físico ou em suas características organolépticas, podem ser relativamente satisfatórias, sob os pontos de vista químico e bacteriológico, quando a captação localiza-seem pontos menos sujeitos à contaminação. TRATAMENTO DA ÁGUA PARA USO POTÁVEL OU DOMÉSTICO O tratamento da água destinada ao consumo humano tem a finalidade básica de torná-la segura do ponto de vista de potabilidade, ou seja, o tratamento da água tem a finalidade de eliminar as impurezas prejudiciais e nocivas à saúde. Quanto mais poluído o manancial, mais complexo será o processo de tratamento e, portanto, mais cara será a água. Assim o processo de tratamento para abastecimento público de água potável tem as seguintes finalidades básicas: • higiênicas - eliminação ou redução de bactérias, substâncias tóxicas, mineralização excessiva, teor excessivo de matéria orgânica, algas protozoários e outros microrganismos; • estéticas - remoção ou redução de cor, turbidez, dureza, odor e sabor; • econômicas - remoção ou redução de dureza, corrosividade, cor, turbidez, odor, sabor, ferro manganês etc. 28 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 GRADEAMENTO /AERAÇÃO Fonte ou Manancial CLARIFICAÇÃO FILTRAÇÃO DESINFECÇÃO Água bruta PRÉ-CLORAÇÃO (OPCIONAL) ARMAZENAMENTO /DISTRIBUIÇÃO Coadjuvantes e/ou alcalinizantes Água clarificada (lavagens grosseiras, combate a incêndio,...) Água filtrada Água potável Fluoretação (opcional) Lodo Lodo Agente desinfetante (cloro ou outro) Água bruta Fluxograma do tratamento de água para uso potável e industrial CAPTAÇÃO Água bruta ABRANDAMENTO E/OU TROCA IÔNICA DESAERAÇÃO ADIÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS Água de refrigeração Água para caldeiras de alta pressão Água deionizada ou abrandada Água para caldeiras de baixa pressão 29 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 Uma Estação de Tratamento de Água, ETA, comporta os seguintes processos: • remoção de substâncias grosseiras flutuantes ou em suspensão - grades, crivos e telas; • remoção de substâncias finas em suspensão ou em solução e de gases dissolvidos - aeração, sedimentação e filtração; • remoção parcial ou total de bactérias e outros microrganismos - desinfecção; • correção de odor e sabor - tratamentos químicos e leitos de contato com carvão ativado; • correção de dureza e controle da corrosão - tratamentos químicos; • remoção ou redução de outras impurezas químicas A captação, o gradeamento e a aeração são tratamentos preliminares destinados a eliminar impurezas grosseiras presentes na água bruta. CAPTAÇÃO É a etapa de admissão da água bruta do manancial que será submetido ao tratamento específico. Esta captação é bastante diferenciada dependendo do tipo de manancial. Em linhas gerais, preferem-se fontes alimentadas por gravidade. Se não é possível, utilizam-se bombas para esse transporte. Essa captação pode ser feita em barragens de rios, açudes, lagos ou poços subterrâneos naturais ou artificiais. Na captação utilizam-se telas ou grades para evitar impurezas grosseiras. GRADEAMENTO As grades, crivos e telas impedem a entrada de suspensões grosseiras na ETA, reduzindo possíveis estragos em equipamentos e dificultando tratamentos posteriores. AERAÇÃO Para remoção de gases dissolvidos, de odor e sabor e ativação dos processos de oxidação da matéria orgânica, particularmente porque os processos aeróbicos de oxidação são mais rápidos e produzem gases inodoros, emprega-se a introdução de ar no meio aquoso de modo a oxigenar o líquido. Este procedimento é denominado de aeração. No caso de águas retiradas de poços, fontes ou de pontos profundos de grandes represas, estas podem conter ferro e outros elementos dissolvidos, ou ainda ter perdido o oxigênio em contato com as camadas que atravessou e, em conseqüência, ter, por exemplo, um gosto desagradável. Assim, embora não seja prejudicial à saúde do consumidor, torna-se necessário arejá-la para que melhorar sua condição de potabilidade. Em águas superficiais a aeração é também usada para a melhoria da qualidade biológica da água e como parte preliminar de tratamentos mais completos. Para as pequenas instalações, a aeração pode ser feita na entrada do próprio reservatório de água; bastando que este seja bem ventilado e que essa entrada seja em queda livre. Nos aeradores mais simples a água sai de uma fonte no topo do aerador, que pode ser constituído por um conjunto de bandejas, sobrepostas, espaçadas e fixadas na vertical por um eixo, ou um tabuleiro de vigas arrumadas em camadas transversais às vizinhas. A água cai atravessando os degraus sucessivamente sobre um efeito de cascata, que permite a entrada de ar oxigenado em seu meio, até ser recolhida na parte inferior da estrutura. As bandejas ou tabuleiros ainda podem conter cascalho ou pedra britada. Também se pode 30 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 empregar um simples sistema de cascatas, fazendo a água cair sucessivamente sobre diversos degraus ou levando a água a sair de bocais sob a forma de jato, recebendo oxigênio quando em contato com o ar. Outra maneira de aeração pode ser desenvolvida através de aeradores por borbulhamento que consistem, geralmente, de tanques retangulares, nos quais se instalam tubos perfurados, placas ou tubos porosos difusores que servem para distribuir ar em forma de pequenas bolhas. Essas bolhas tendem a flutuar e escapar pela superfície da água. PRÉ-CLORAÇÃO Tratamento primário opcional que visa à inibição de materiais orgânicos (algas, lodos – fouling ou biomassa) possíveis de crescerem nas tubulações dependendo da qualidade da água a ser tratada (é opcional, pois depende da procedência da água). O agente adequado para o processo é o gás cloro que é injetado na admissão da água, essa mistura chegará à estação de tratamento. Eventualmente podem ser utilizados outros agentes desinfetantes tais como: peróxido de hidrogênio, dióxido de cloro, hipoclorito de sódio ou de cálcio e hipocal (cal clorada). CLARIFICAÇÃO É a etapa mais importante do tratamento primário da água. Objetiva a remoção dos materiais finamente divididos presentes na água e também materiais coloidais. Envolve três etapas fundamentais: coagulação, floculação e sedimentação ou decantação. O procedimento convencional começa pelos ensaios de turbidez, cor e pH. A turbidez ou turvação da água é ocasionada pela presença de argilas, matéria orgânica e microrganismos. A cor se deve à presença de tanino, oriundo dos vegetais e, em geral, varia de incolor até o castanho intenso. A coagulação consiste na adição de um coagulante processador da neutralização das cargas negativas suspensas na água. Os coagulantes mais utilizados são: sulfato de alumínio, sulfato férrico, aluminato de sódio, cloreto férrico, sulfato ferroso e polímeros de natureza catiônica. Muitas vezes coagulantes naturais acham-se presentes na água e o processo de coagulação dá-se simplesmente por ajuste de pH. Se a água a ser tratada estiver muito próxima da faixa ideal do coagulante adiciona-se alcalinizantes para elevar esse pH (CaO, Barrilha ou outro) dando-se preferência aos mais fáceis de manipular. Algumas vezes torna-se necessário “sujar” a água com materiais inorgânicos promotores de turbidez (bentonita, caulim, silicatos ou outro). COAGULANTE FAIXA IDEAL DE pH Al2(SO4)3 5,0 a 6,0 Fe3+ (sal) 4,0 a 5,0 FeSO4 7,0 a 8,0 Após a neutralização das cargas dos sólidos dissolvidos os flocos formados podem conter cargas residuais positivas e negativas. A obtenção de flocos maiores e sedimentação mais rápida pode ser conseguida com adição de polímeros iônicos. Não há uma regra geral para prever o melhor floculante. O que sefaz normalmente é averiguar, por meio de ensaios de laboratório (Jar test ou Teste de jarro), se determinado floculante satisfaz às exigências 31 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 previstas. O floculante mais largamente empregado é o sulfato de alumínio, de aplicação restrita à faixa de pH situada entre 5,0 e 6,0. Quando o pH da água não se encontra nessa faixa, costuma-se adicionar cal ou aluminato de sódio, a fim de elevar o pH, permitindo a formação dos flóculos de hidróxido de alumínio. Reações dos agentes coagulantes com produtos alcalinos Reações com alcalinidade natural Al2(SO4)3 ∙ 18H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 6CO2 + 18H2O 2FeSO4 ∙ 7H2O + 3Ca(HCO3)2 + 2O2 2Fe(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 6CO2 + 14H2O 2FeSO4 ∙ 7H2O + 3Ca(HCO3)2 + Cl2 2Fe(OH)3(s) + 2CaSO4(s) + CaCl2 + 6CO2 + 7H2O Reações com alcalinidade adicionada Al2(SO4)3 +3Na2CO3+3H2O 2Al(OH)3(s) + 3Na2SO4 + 3CO2 Al2(SO4)3 ∙ 18H2O + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4(s) + 18H2O Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2Fe(OH)3(s) + 3CaSO4(s) Fe2(SO4)3 + 3Na2CO3+3H2O 2Al(OH)3(s) + 3Na2SO4 + 3CO2 A sedimentação é a etapa complementar do processo de clarificação. Feita através da gravidade e introdução de materiais dificultosos (grades, chicanas) ao fluxo da água para impedir a ascensão dos flocos e evitar a má filtração. FILTRAÇÃO Pode ser considerada como etapa complementar da clarificação. Sua finalidade principal é a retenção dos flocos leves provenientes da clarificação. Pode ser realizada em filtros à gravidade ou pressurizados. A montagem tradicional convencional de um filtro industrial consiste de uma série de camadas justapostas de materiais diversos, incluindo cascalho grosso, cascalho fino, cascalhinho, areia grossa, areia fina, carvão ativado (pó ou pedaços). Atualmente, as camadas mais grosseiras dos diversos materiais utilizados no leito filtrante estão substituídos pelas crepinas, especialmente em filtros de gravidade, para grandes volumes de água. A filtração é um processo físico em que a água atravessa um leito filtrante, em geral areia ou areia e carvão, de modo que partículas em suspensão sejam retidas produzindo um efluente mais limpo. Tradicionalmente existem dois processos distintos de filtração: filtração lenta e filtração rápida. A opção por um dos métodos depende principalmente da qualidade da água bruta e do volume a ser tratado e implica em profundas diferenças no projeto da ETA. O processo de filtração lenta é um pouco estático em suas alternativas de projeto. O processo de filtração rápida é bastante dinâmico em termos de alternativas de desenhos, podendo ser projetado com materiais diferentes no leito filtrante, dispositivos para aumento da capacidade de filtração, bem como fluxos por gravidade ou forçados, ascensionais ou descendentes. DESINFECÇÃO O objetivo principal é resguardar a água de contaminantes microbiológicos. O principal agente utilizado é o cloro ou outros desinfetantes listados na pré-cloração. Se esta água for mantida num reservatório da ETA deve-se manter um teor relativamente alto de cloro para garantir esta potabilidade. 32 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 O método mais econômico e usual para a desinfecção da água em sistemas públicos é a cloração. Em instalações médias e grandes emprega-se o cloro gasoso, obtido em cilindros de aço contendo líquido e gás. Em instalações pequenas, menos de 40 L/s, o emprego de soluções de hipoclorito pode ser mais vantajoso. O cloro aplicado à água reage, podendo produzir vários compostos, com capacidades diferentes de desinfecção, inclusive inativos. É muito importante verificar quais compostos serão formados. • HOCI excelente desinfetante predomina em pH abaixo de 6,0; • OCI- desinfetante menos ativo predomina em pH acima de 7,5; • dicloroamina bom desinfetante predomina em pH abaixo de 6,0; • monocloroamina desinfetante pouco ativo predomina em pH acima de 7,5 Assim verifica-se a conveniência de realizar a desinfecção em pH relativamente baixo, onde ser formam desinfetantes mais ativos. Reações ocorridas na desinfecção Cl2 + H2O == HCl + [HClO] [HClO] HCl + [O] (usando hipoclorito de sódio ou de cálcio) ClO- + H2O == OH- + [HClO} [HClO] HCl + [O] OH- + Na+ NaOH 2 OH- + Ca2+ Ca(OH)2 TRATAMENTOS ESPECIAIS Fervura O método mais seguro de tratamento para a água de beber, em áreas desprovidas de outros recursos, é a fervura. Ferver a água para beber é um hábito que se deve difundir na população para ser adotado quando sua qualidade não mereça confiança e em épocas de surtos epidêmicos ou de emergência. A água fervida perde o ar nela dissolvido e, em conseqüência, torna-se de sabor desagradável. Para fazer desaparecer esse sabor, é necessário arejar a água, fazendo-a passar o líquido de um recipiente para outro com agitação suficiente de modo que o ar atmosférico penetre na massa de água. Correção da dureza Os processos de remoção de dureza da água são muito dispendiosos e muito freqüentemente os sistemas de abastecimento distribuem água com teores superiores aos convencionais de potabilidade, quando não há mananciais alternativos, considerando-se sua tolerância pelo organismo humano e os custos finais de produção, o que resultaria em um produto mais caro para o consumidor. Os principais processos de remoção de dureza da água são o da cal-solda, de zeólitos ou o de osmose inversa. Na prática do tratamento a dureza é um parâmetro de utilização limitada a certos métodos baseados em reações de precipitação como é o caso do tratamento com cal. Em situações específicas convém conhecerem-se as durezas devidas ao cálcio e ao magnésio, individualmente. Este é o caso do 33 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS PROFESSOR: FRANCISCO SÁVIO GOMES PEREIRA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO - IFPE RECIFE – 2010 processo cal-soda de abrandamento de água no qual se tem necessidade de conhecer a fração da dureza de magnésio para estimar a demanda de cal. Os zeólitos têm a propriedade de trocar o sódio, que entra na sua composição, pelo cálcio ou magnésio dos sais presentes na água dura, reduzindo a sua dureza. A tecnologia de osmose inversa teve origem na década de 60, para a produção de água de qualidade superior, disseminando-se seu uso na produção industrial a partir da década seguinte e popularizou-se a partir do início da década de 80 com a descoberta da segunda geração de membranas, as membranas de película fina compostas, enroladas em espiral, descobertas em 1978. Estas membranas operam com baixa pressão e, consequentemente, com reduzido consumo de energia. A osmose é um fenômeno natural físico-químico que ocorre quando duas soluções, com diferentes concentrações, são colocadas em um mesmo recipiente separado por uma membrana semipermeável, onde ocorre naturalmente a passagem do solvente da solução mais diluída para a solução mais concentrada, até que se encontre o equilíbrio. A coluna de solução mais concentrada estará acima da coluna da solução mais diluída e esta diferença se denomina de pressão osmótica. O processo de osmose inversa consiste na aplicação mecânica de uma pressão superior à pressão osmótica do lado da solução mais concentrada. Remoção de ferro A água que passa por camadas ferruginosas, na falta de oxigênio suficiente, dissolve sais de ferro sob forma de sais ferrosos. Quando por exemplo, retirada de um poço, essa água apresenta o inconveniente de manchar a roupa, as pias e de corroer as tubulações. O processo utilizado para a remoção do ferro depende da forma como as impurezas de ferro se
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