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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BELO HORIZONTE INSTITUTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA - IET CAROLINA ANDRADE SILVA GOMES ETIENNE CRISTINE BRAGA CÂNDIDO JÉSSICA ADRIELE DE FREITAS LIMA MAYSA JORDÃO GONZAGA REBECCA MARIA FROES G. E GUIMARÃES WESLEY AUGUSTO DA COSTA YARA MAGESTE MOREIRA UTILIZAÇÃO DO AMIDO NO TRATAMENTO DE ÁGUA BELO HORIZONTE NOV – 2013 CAROLINA ANDRADE SILVA GOMES ETIENNE CRISTINE BRAGA CÂNDIDO JÉSSICA ADRIELE DE FREITAS LIMA MAYSA JORDÃO GONZAGA REBECCA MARIA FROES G. E GUIMARÃES WESLEY AUGUSTO DA COSTA YARA MAGESTE MOREIRA UTILIZAÇÃO DO AMIDO NO TRATAMENTO DE ÁGUA Projeto de Pesquisa apresentado ao Instituto de Engenharia e Tecnologia, Curso de Engenharia de Química, como requisito para a aprovação na disciplina Trabalho Interdisciplinar de Graduação II. Orientadora: Professora Dra. Janaína Guernica Silva BELO HORIZONTE NOV – 2013 AGRADECIMENTOS A Deus, aos amigos e colegas pelo incentivo e apoio constantes. A família, que não mediram esforços para que todos do grupo chegassem onde era pretendido, pela hombridade, paciência e incentivo. Aos meus colegas de classe e pela amizade e companheirismo que recebi. Aos professores do período que ajudaram nos conceitos que nos levaram a execução deste. À nossa Professora e Orientadora Dra. Janaina Guernica Silva que nos acompanhou com paciência na orientação e incentivo que tornaram possível a conclusão deste projeto além de ter transmitindo a nós muita sabedoria. A todos em geral muito obrigada pela oportunidade de convívio com diferentes lugares, pessoas e situações, onde podemos compreender a importância de todos. RESUMO A água constitui um dos principais elementos que possibilitam a vida no planeta e pode ser obtida a partir da precipitação sob suas várias formas (chuvas, geadas, nevadas, etc.). O uso de polímeros, por ser um material de baixo custo, no processo de decantação da água, torna o tratamento mais viável e eficaz. A partir de um levantamento bibliográfico e testes laboratoriais, o presente trabalho tem por objetivo apresentar um comparativo entre o amido de milho e de mandioca no tratamento de água e apresentar os resultados obtidos a fim de demonstrar qual é o mais eficiente. Palavras Chave: floculação, amidos, ETA, floculante natural. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1. Figura 2. Etapas do tratamento de água.......................................................... Tanque de floculação........................................................................ 10 10 Figura 3. Preparo da solução de amido........................................................... 12 Figura 4. Jar test realizado com os floculantes................................................ 13 Figura 5. Membranas utilizadas na análise de sólidos .................................... 13 Figura 6. Figura 7. Tabela 1. Análise de sólidos em suspensão..................................................... Análise de turbidez............................................................................ Resultados das analises físico-químicas.......................................... 16 16 15 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ETA – Estação de tratamento de água PPM – Partes por milhão SUMÁRIO Páginas 1. INTRODUÇÃO.................................................................................................. 08 2. REFERENCIAL TEÓRICO............................................................................... 09 2.1 Etapas do tratamento de água....................................................................... 09 2.2 Floculação...................................................................................................... 10 2.3 Floculantes no tratamento de água................................................................ 2.4 Características dos amidos como floculantes................................................. 11 11 3. METODOLOGIA............................................................................................... 12 3.1 Materiais......................................................................................................... 12 3.2 Métodos.......................................................................................................... 12 3.2.1 Preparo da solução...................................................................................... 12 3.2.2 Jar Test........................................................................................................ 12 3.2.3 Análises Físico-Químicas............................................................................ 13 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES...................................................................... 15 5. CONCLUSÃO................................................................................................... 17 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................. 18 7. APÊNDICE........................................................................................................ 20 8 1 INTRODUÇÃO A água é um recurso natural essencial para a vida e de extrema importância para o Homem, porém em virtude da poluição, muitos mananciais encontram-se deteriorados, oferecendo água de má qualidade à população. Devido a isto, torna-se importante que o tratamento da água seja feito de modo adequado nas Estações de Tratamento de Água (ETA). Esse tratamento consiste basicamente em captação da água, neutralização, coagulação, floculação, decantação, filtração, desinfecção e fluoretação. (GROSSL; SANTOS, 2009). De acordo com os autores Grossl, Tomazzoni e Santos (2009), os auxiliares de floculação mais usados no tratamento de água são polímeros sintéticos a base de acrilamida, em virtude de sua elevada eficiência na formação de flocos. Contudo, tais produtos podem acarretar danos à saúde da população, se forem liberados na água tratada, o que pode ocorrer se houver falhas na operação da ETA. Tendo em vista que os amidos são polímeros naturais e não são nocivos à saúde humana, percebeu-se a potencialidade de seu uso como auxiliar na floculação do tratamento de água, tentando alcançar excelência através de mudanças tecnológicas sustentáveis. Para analisar se é possível fazer a implantação do amido como floculante, primeiro é necessário saber qual polímero natural apresenta os melhores resultados. Este estudo tem como objetivo avaliar a eficiência dos amidos de mandioca, milho e um polímero sintético a fim de analisar a eficiência de cada um. 9 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 ETAPAS DO TRATAMENTO DE ÁGUA Águas captadas na superfície apresentam impurezas advindas do próprio ambiente natural ou até mesmo de ações humanas. Portanto, nenhuma fonte de água é considerada segura, sendo obrigatório um tratamento adequado à água (CARVALHO, 2008). O tratamento da água é o conjunto de processos físicos e químicos aplicados à água para que esta se torne potável. Este tratamento compreende basicamente algumas etapas. A primeira etapa é a neutralização, onde é utilizado um alcalinizante para neutralizar cargas elétricas presentes nas partículas insolúveis, provenientes da adsorção de íons presentes na água. Essa neutralização corrigi o pH permitindo que o coagulante atue mais efetivamente (PASTOR; CARVALHO; ZIBORDI, 2013). Na etapa de coagulação ocorre uma aglutinação das partículas de impurezas presentes na água para que estas se tornem maiores e possam sedimentar rapidamente. E na etapa de floculação ocorre ocrescimento desses flocos através da movimentação da água a uma velocidade suficiente para promover o contato entre os coágulos (PASTOR; CARVALHO; ZIBORDI, 2013). A etapa de decantação ocorre em tanques, onde os flocos formados nas etapas anteriores são separados da água pela ação da gravidade. Após a decantação é feito a etapa de filtração com o intuito de reter e remover as impurezas presentes na água (CAESB, 2013). Na etapa de desinfecção é adicionado, normalmente, cloro com a finalidade de destruir micro-organismos patogênicos. A última etapa é a fluoretação onde são adicionados compostos à base de flúor contribuindo para a redução de incidência de cáries dentárias (CAESB, 2013). Na FIG. 1 estão representadas as etapas mencionadas. 10 Figura 1 - Etapas do tratamento de água Fonte: SANEP – Serviço Autônomo de Saneamento de Pelotas, 2013 2.1.1 FLOCULAÇÃO Floculação é a aglomeração de partículas em função das forças de Van Der Waals, de modo a formar partículas maiores que possam sedimentar. Esse fenômeno propicia a clarificação da água, definida como processo de remoção de cor e turbidez. Essa etapa ocorre em um tanque com agitação representado pela (FIG 2) (CARVALHO, 2008). Figura 2 – Tanque de floculação O pH das águas a serem tratadas encontram-se entre 4 e 10 e as partículas existentes nessa faixa de pH apresentam cargas negativas, portanto o processo de estudo e implantação da floculação foi desenvolvido baseado em impurezas dessa natureza (CARVALHO, 2008). 11 3.1 FLOCULANTES NO TRATAMENTO DE ÁGUA Os floculantes são produtos utilizados nas estações de tratamento com a finalidade de ajustar as propriedades da água a valores que conduzam a uma eficiente floculação. Também são empregados nas ETA’s que operam acima da capacidade nominal ou nas unidades de decantação acelerada, que prescindem de floculadores. Os coagulantes e floculantes naturais têm demonstrado vantagens em relação aos coagulantes químicos, especificamente em relação à biodegradabilidade, baixa toxicidade e baixo índice de produção de lodos residuais (MORAES, 2004). Tanto os polímeros sintéticos quanto os naturais (amidos em geral) têm sido usados como auxiliares de floculação, buscando aumentar a velocidade de sedimentação dos flocos, a resistência dos mesmos às forças de cisalhamento que podem ocorrer no transporte da água floculada e a diminuição da dosagem de coagulante primário (MIRANDA, 2007). 4.1 CARACTERÍSTICAS DOS AMIDOS COMO FLOCULANTES O amido é encontrado em uma variedade de formas vegetais, estando em suas folhas, caules, sementes ou frutas. É uma substância responsável pela nutrição da planta, principalmente em épocas críticas como na germinação. São carboidratos e apresentam-se na forma de grânulos, que são caracterizados como uma mistura heterogênea de duas macromoléculas, a amilose e a amilopectina que são polímeros (ROCHA, 2008). A função dos polímeros na floculação é de adsorver as partículas presentes em suspensão na água, tornando - às flocos para decantarem e ser possível sua separação. Os Amidos têm caráter negativo, portanto seu uso como floculante sem sua modificação prévia para catiônico é inviável, pois os mesmos não irão adsorver as partículas suspensas na água, ao contrario irão se repelir, é necessário modificá-los para possuírem caráter positivo e assim ocorrer à adsorção dessas partículas e então a sedimentação das mesmas (COELHO, 2010). A modificação dos amidos se dá pela reação do mesmo com grupos amino, amônio, sulfato e fosfato, sendo o grupo amino mais utilizado (COELHO, 2010). 12 3 METODOLOGIA 3.1 Materiais Os polímeros utilizados foram amido de milho Maizena, cedido pela empresa Unilever, amido de mandioca Amafil, cedido pela empresa Amafil Indústria e Comércio e Polímero Sintético. 3.2 Métodos 3.2.1 Preparo da solução A preparação das soluções dos amidos foi feita a quente adicionando-se 0,5 g de amido em 0,5 L de água desmineralizada (solução com concentração de 1,0 mg/mL). Os amidos utilizados já foram modificados para catiônicos industrialmente pelas empresas Amafil e Unilever. Figura 3 - Preparo da solução de amido A solução do polímero sintético foi preparada pela diluição do produto comercial em água destilada, com agitação intensa. A concentração da solução utilizada no Jar Test variou de 0,5 a 1,0 mg/mL. 3.2.2 Jar Test A fim de se obter uma concentração ideal para dosagem e a eficiência dos floculantes utilizados, foi realizado o Jar Test modelo JT 102 (Milan) (FIG. 4). 13 Figura 4 – Jar Test realizado com os floculantes Os ensaios realizados em Jar Test foram utilizados 3000 ml da água in natura, sendo 3 béqueres com o volume de 1000 ml cada, onde adicionou-se uma concentração, sendo 0,5, 0,7 e 1,0 ppm respectivamente. Após 10 minutos de agitação em rotação máxima, diminui para a rotação mínima por 5 minutos e deixa repousar por 10 minutos. 3.2.3 Análises Físico-Químicas As análises realizadas para teste da eficiência dos floculantes analisados foram sólidos em suspensão e turbidez. Para a análise dos sólidos em suspensão foram utilizadas 100 ml do sobrenadante filtrando-o com auxilio de uma bomba a vácuo, em uma membrana previamente pesada em uma balança analítica (FA-2104N, Bioprecisa). Após a filtração, essa membrana passou por uma secagem em estufa a 100 ºC e pesada novamente. Para determinação da concentração de sólidos em partes por milhão (ppm), foi feito a diferença entre o peso final e o peso inicial. Na FIG. 5 pode-se observar a membrana após a filtração. Figura 5 – Membranas utilizadas na análise de sólidos 14 Foi utilizado o espectrofotômetro (SP-22, Biospectro) para análise de turbidez, onde foi adicionado água desmineralizada em uma cubeta de vidro de 20 mm, para retirada de interferências, e depois a amostra a ser analisada, o comprimento de onda utilizado foi de 660 mn. O valor obtido foi em absorbância devendo ser multiplicado pelo fator da curva de calibração previamente definida para que o resultado seja em ppm. 15 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Após a realização dos testes de sólidos em suspensão e o de turbidez, foram obtidos os resultados que estão na TAB. 1. Tabela 1 – Resultados das analises físico-químicas. Floculantes Sólidos em Suspensão (ppm) Turbidez (ppm) Água in natura 28 29,98 Amido milho 0,5 ppm 2 14,21 Amido milho 0,7 ppm 2 13,34 Amido milho 1,0 ppm 2 12,65 Amido mandioca 0,5 ppm 15 16,63 Amido mandioca 0,7 ppm 14 19,06 Amido mandioca 1,0 ppm 10 22,01 Polímero sintético 0,5 ppm 7 8,66 Polímero sintético 0,7 ppm 10 9,18 Polímero sintético 1,0 ppm 12 8,66 Analisando os resultados obtidos do teste físico químico de sólidos em suspensão, observou-se que a solução de amido de milho obteve o mesmo resultado entre todas as concentrações testadas do mesmo, no qual a melhor foi a solução de amido de milho de 0,5 ppm. Entre a solução do amido de mandioca houve diferença no resultado entre suas concentrações, o melhor obtido foi o de concentração 1,0 ppm ficando abaixo os de 0,7 e 0,5 ppm respectivamente. Já com o polímero sintético houve um resultado variado também com suas diferentes concentrações e a melhor solução foi a de 0,5 ppm. Mostrando então que a melhor solução a ser usada é a de amido de milho 0,5 ppm. A FIG. 6 mostra a eficiência dos floculantes para esse teste. 16 Figura 6 - Análise de sólidos em suspensão Analisando os resultados de turbidez, observou-se que com as soluções de amido de milho o melhor foi o de 1,0 ppm. Ficando abaixo as concentrações de 0,7 e 0,5 ppm respectivamente. Para a soluçãode amido de mandioca obteve uma maior variação em seu resultado, contudo o melhor foi o de concentração 0,5 ppm. Entre o polímero sintético o melhor resultado foi a de 0,5 e 1,0 ppm, sendo a melhor a que contém menor concentração. Assim o melhor floculante a ser usado para o teste físico químico de turbidez foi o polímero sintético de concentração 0,5 ppm. A FIG. 7 mostra a eficiência de cada floculante para esse teste. Figura 7 - Análise de turbidez 17 5 CONCLUSÃO Avaliando os resultados obtidos, observa-se que o amido de milho se mostra mais eficiente com o resultado de 2 ppm para o teste de sólidos em suspensão com a concentração de 0,5 ppm, já para o teste de turbidez, o melhor resultado foi do polímero sintético que para a concentração de 0,5 ppm obteve 8,66 ppm de turbidez. O melhor resultado do amido de milho para o teste de turbidez foi com a concentração de 1,0 ppm, com isso ele obteve 12,65 ppm de turbidez. O amido de mandioca obteve os piores resultados em ambos os testes. Com isso conclui- se que o amido de milho se mostrou mais eficiente que o de mandioca, porém para uma substituição de floculante devem-se realizar novos testes a fim de analisar se o resultado de turbidez com o amido de milho seria melhor com uma maior concentração e verificar se é possível chegar à eficiência do polímero sintético que já é utilizado. 18 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CAESB - Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal. 2013 .Disponível em: <http://www.caesb.df.gov.br/como-a-agua-e-tratada.html> Acesso em: 15 de set de 2013 CARVALHO, MARIA JOSÉ HERKENHOFF. Uso de coagulantes naturais no processo de obtenção de água potável, 2008. PR, Maringá. Disponivel em <http://www.peu.uem.br/Discertacoes/Maria.pdf> Acesso em 27 de Ago de 2013. COELHO, Tânia M.; PARAGUAIO, Thairo; SANTOS, João Batista Sarmento; ASSAD, Nabi; LUDEWIG, Dieter R. estudo comparativo da floculação entre amido catiônico e amido interligado catiônico. XXX Encontro nacional de engenharia de produção maturidade e desafios da engenharia de produção: competitividade das empresas, condições de trabalho, meio ambiente. São Carlos, SP, Brasil, outubro de 2010. GROSSL, TOMAZZONI, SANTOS. Amido de Batata como auxiliar de floculação no tratamento de águas para abastecimento. Semana de Engenharia Ambiental, VII, 2009, São Paulo. Disponível em <http://pt.scribd.com/doc/68996424/AMIDO- DE-BATATA-COMO-AUXILIAR-DE-FLOCULA-C7-C3O-NO-TRATAMENTO-DE- C1GUAS-PARA-ABASTECIMENTO>. Acesso em: 01 Set 2013. GROSSL, SANTOS. Emprego do amido de mandioca como auxiliar de floculação no tratamento de águas para abastecimento. Anais da SIEPE – Semana de Integração Ensino, Pesquisa e Extensão, 2009, São Paulo. Disponível em < http://anais.unicentro.br/siepe/2009/pdf/resumo_1284.pdf>. Acesso em: 29 Ago 2013. KOTZ, John C.; TRICHEL ,Paul M.; WEAVER,Gabriela C.. Química Geral e Reações Químicas, 1ª edição,vol. 2. Editora Cengage Learning,EUA, 2010. Pastor, José; Carvalho, Antônio; Zibordi , Gabriel. Tratamento químico para estações de tratamento de água. 2013. Disponivel em <http://www.kurita.com.br/adm/download/ETA.pdf> Acesso em: 15 de set de 2013. 19 ROCHA, Thaís Souza; DEMIATE, Ivo Mottin; FRANCO, Célia Maria Landi. Características estruturais e físico-químicas de amidos de mandioquinha-salsa, Ciênc. Tecnol. Aliment., Campinas, 28(3): 620-628, jul.-set. 2008 SANEP - Serviço Autônomo de Saneamento de Pelotas, disponível em < http://www.pelotas.rs.gov.br/sanep/tratamento/>. Acesso em: 18 de out de 2013 SOUZA. Influência da aplicação de polímero natural de fécula de mandioca como auxiliar de floculação na Estação de Tratamento de água nº 2 de Valinhos – SP. Estudo de Caso. Exposição de Experiências Municipais em Saneamento, VIII, 2004, Caxias do Sul. Disponível em <http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/assemae/agua/tratagvali.pdf>. Acesso em: 15 Set 2013. 20 7 APÊNDICE Algoritmo início real: turbmilho, turbmand,turbsint; Escreva("Informe o resultado do ensaio de turbidez com o floculante sintético:"); Leia(turbsint); Enquanto(turbsint<0)faça início Escreva("Valor inválido. Digite um valor positivo:"); Leia(turbsint); fim fimenquanto Escreva("Informe o resultado do ensaio de turbidez com o amido de milho:"); Leia(turbmilho); Enquanto(turbmilho<0)faça início Escreva("Valor inválido. Digite um valor positivo:"); Leia(turbmilho); fim fimenquanto Escreva("Informe o resultado do ensaio de turbidez com o amido de mandioca:"); Leia(turbmand); Enquanto(turbmand<0)faça início Escreva("Valor inválido. Digite um valor positivo:"); Leia(turbmand); fim fimenquanto Escreva("Informe o resultado do ensaio de sóldios em suspensão com o floculante sintético:"); Leia(solsint); Enquanto(solsint<0)faça início Escreva("Valor inválido. 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