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Química Ambiental Cap. 8 Tratamento da água Ciclo da água Tratamento da água • O tratamento da água pode ser dividido em três categorias: – Purificação para uso doméstico – Tratamento para aplicações industriais especializadas – Tratamento das águas residuais para as tornar aceitáveis à sua reutilização ou envio para o ambiente. O homem pode beber a água fresca natural ? • Em princípio NÃO !! • A água pode ter contaminantes e/ou poluentes químicos e microorganismos patogénicos. ETA ETA Estações de Tratamento de Água (ETAs) Processos unitários numa ETA - Arejamento: libertação de impurezas gasosas para a atmosfera e oxidação de matéria orgânica. - Sedimentação: sedimentar partículas em suspensão. - Filtração: remover partículas minerais, orgânicas e microorganismos em suspensão. - Desinfecção: eliminar agentes infecciosos. Desinfecção da água: Cloro • O gás cloro (Cl2) (ou o hipoclorito de cálcio, CaOCl) é o desinfectante mais usado para matar bactérias patogénicas na água. Quando se adiciona Cl2 à água ocorre uma reacção química traduzida pela seguinte equação: Cl2(g) + H2O(l) H+(aq.) + Cl-(aq.) + HOCl(aq.) HOCl(aq.) H+(aq.) + OCl-(aq.) • A soma das espécies químicas Cl2, OCl- e HOCl denomina-se de cloro livre. • O cloro livre reage com amoníaco (NH3) dando origem a cloroaminas (NH2Cl, NHCl2 e NCl3). As cloroaminas denominam-se de cloro combinado disponível e, juntamente com o cloro livre, exerce algum poder desinfectante ao longo da rede de distribuição de água. Problemas da desinfecção da água com cloro Formação de clorofórmio Desinfecção da água: Dióxido de cloro • O ClO2 é um desinfectante da água que não produz clorofórmio. As semi-equações de redução são as seguintes: ClO2(g) + 4H+(aq.) + 5e- Cl-(aq.) + 2H2O(l) ClO2(g) + e- ClO2 -(aq.) • No entanto, o ClO2 é gás que reage violentamente com a matéria orgânica e explode quando se expõe à luz. Assim, ele tem que ser produzido no sítio da desinfecção usando a seguinte reacção química: 2NaClO2(s) + Cl2(g) 2ClO2(g) + 2NaCl(s) Desinfecção da água: Ozono • O ozono pode ser usado como desinfectante tal como o cloro. Também, é mais destrutivo de vírus do que o cloro e não dá origem a clorofórmio. • No entanto, o ozono decompõe-se espontaneamente em oxigénio [2O3(g) 3O2(g)] pelo que é necessário adicionar algum cloro através do sistema de distribuição. ETA para a industria • Aplicações industriais: – Participação nos processos: Ex. alimentar, é necessário remover agentes patogénicos e substâncias tóxicas. – Caldeiras: É necessário remover agentes corrosivos e que formam precipitados. – Arrefecimento: Apenas necessita de um tratamento mínimo. ETAR ETAR Utilização de água pelo homem Esgoto municipal Esgoto Esgoto industrial Esgotos municipais Esgoto agrícola Os esgotos municipais podem ser directamente despejados nos rios, lagos e mar ? • Nunca !!! • Os esgotos municipais contêm por exemplo: – Matéria orgânica biodegradável • Consumo de oxigénio e morte da vida aquática – Nutrientes (azoto e fósforo) • Eutroficação – Microorganismos patogénicos (bactérias, vírus, protozoários, etc.) • Provoca doenças nos homens ETAR – Estação de tratamento de águas residuais Entra: Esgoto Sai: água limpa Sai: Lamas compostadas ou para o aterro Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETARs) 1º Tratamento 2º Tratamento 3º Tratamento Tratamento primário Clarificador primário: adição de coagulantes Remoção de sólidos Remoção de areia e gordura Esgoto Lamas primárias Coagulantes químicos na ETAR • Os coagulantes são adicionados às águas residuais durante o seu tratamento com dois objectivos: - Promover a coagulação e floculação de partículas sólidas muito pequenas de diversa composição; - Remover poluentes químicos da água. • Os coagulantes químicos mais vulgares são o alúmen [Al2(SO4)3.xH2O], cloreto de ferro(III) e cal apagada [Ca(OH)2]. O alúmen • Quando o ião Al3+ é adicionado à água ocorrem reacções químicas traduzidas pelas seguintes equações: Al3+(aq.) + H2O(l) Al(OH)2+ (aq.) + H+(aq.) Al(OH)2+(aq.) + H2O(l) Al(OH)2 + (aq.) + H+(aq.) Al(OH)2 +(aq.) + H2O(l) Al(OH)3 (s) + H+(aq.) • Os hidroxocomplexos de alumínio e o hidróxido de alumínio floculado provocam a coagulação de partículas coloidais carregadas negativamente (argilas, matéria orgânica e bactérias). Remoção de fósforo • O alúmem provoca também a remoção de fosfato da água ao precipitar o fosfato de alumínio: Al3+(aq.) + PO4 3-(aq.) AlPO4(s) • Ou: Al(OH)3(s) + HPO4 2-(aq.) + H2O(l) Al(OH)(HPO4).H2O(s) + 2OH-(aq.) Tratamento secundário Arejamento: Lamas activadas Clarificador secundário Lamas secundárias Desnitrificador Remoção de azoto: desnitrificador • A desnitrificação ocorre em duas fases bioquímicas. Na primeira o amónio é oxidado a nitrito pelas bactérias Nitrosomonas e depois a nitrato pelas bactérias Nitrobacter: NH4+(aq.)+ 2O2(g)+ bactérias nitrificantes NO3 -(aq.) + 2H+(aq.) + H2O(l) • Na presença de uma fonte de carbono (metanol) ocorre a seguinte conversão bioquímica: 6NO3 -(aq.)+ 5CH3OH(aq.) + 6H+(aq.) + bactérias desnitrificantes 3N2(g) + 5CO2(aq.) + 13H2O(l) Tratamento terciário Desinfecção com cloro Rio Coagulação Filtração Tratamento físico-químico dos esgotos municipais Um sistema físico-químico de tratamento de esgotos tem vantagens e desvantagens relativamente ao sistema de tratamento biológico: Vantagens: - Custos de capital inferior - Menos mão de obra - Respondem melhor a materiais tóxicos e sobrecargas. Desvantagens: - Operação mais controlada - Consomem mais energia Tratamento das águas residuais industriais • Materiais orgânicos: – Tratamento biológico – Adsorsão em carvão activado • Processos químicos: – Neutralização ácido-base – Precipitação – Oxidação-redução. • Processos físicos: – Sedimentação, filtração, flutuação. – Concentração por evaporação, destilação, processos de membrana (osmose reversa, hiperfiltração e ultrafiltração) – Extracção de solventes, arrastamento com ar ou vapor. – Resinas organofílicas e/ou iónicas. Remoção de cálcio e outros metais • Remoção simultânea de Ca2+ e Mg2+. Adição simultânea de Ca(OH)2 e Na2CO3. Assim ocorre a precipitação de CaCO3 e Mg(OH)2. Ca2+ + 2HCO3 - + Ca(OH)2 2CaCO3(s) + 2H2O Mg2+ + 2OH- Mg(OH)2(s) • O Ca2+ pode ser removido pela precipitação com ortofosfato: 5Ca2+ + 3PO4 3- + OH- Ca5OH(PO4)3(s) Resinas permutadoras A água pode ser purificada por troca iónica usando resinas permutadoras. Remoção de ferro e manganês • O Fe2+ e Mn2+ existem nas águas subterrâneas devido às sua condições redutoras. Estes iões podem ser removidos por oxidação: – Arejamento – Cloro – Permanganato • Em águas com elevados teores de carbonato os FaCO3 e MnCO3 podem ser precipitados fazendo subir o pH da água acima dos 8,5. Remoção de metais pesados • Os metais pesados como o cobre, cádmio, mercúrio e chumbo encontram-se nos esgotos em consequência de actividades industriais. Estes iões podem ser retirados da água pelos seguintes processos: – Tratamento com cal (precipitação dos hidróxidos) – Electrodeposição – Osmose reversa – Resinas permutadoras iónicas – Carvão activado Remoção de substâncias orgânicas em solução • O método padrão para remover substâncias orgânicas dissolvidas é o carvão activado. • O carvão activado é produzido por aquecimento de materiais carboníferos (madeira, lignites, etc) a 600ºC sob condições anaeróbias seguido de um passo de oxidação parcial com dióxido de carbono ou água: CO2 + C 2CO H2O + C H2 + CO • Este passo de oxidação parcial dá origem a poros, aumentando a área superficial, aumentando também a afinidade dos átomos de carbono por substâncias orgânicas. • O carvão activado pode ser regenerado por aquecimento a 950 ºC numa corrente de ar. Remoção de substâncias inorgânicas em solução • Com o objectivo de reciclara água é necessário remover as substâncias inorgânicas em solução das águas residuais. • O efluente do tratamento secundário normalmente contém mais 300- 400 mg/L de substâncias inorgânicas dissolvidas do que a água de abastecimento pública. • Um dos métodos mais óbvios para remover estas substâncias é a destilação. No entanto a energia necessária é muito elevada. Congelar a água dá origem a água muito pura mas a tecnologia ainda não está suficientemente avançada. • Os processos de separação baseados em membranas são os processos mais efectivos do ponto de vista dos custos para separar as substâncias inorgânicas da água. Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Electrodiálise Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Osmose reversa Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Remoção de fósforo Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Remoção de azoto Lamas • O principal problema do tratamento da água são as lamas que se acumulam ao longo do processo. • A medida ambientalmente mais correcta para lidar com o problema das lamas provenientes das ETA ou ETAR (exclusivamente esgotos municipais) é a compostagem (aeróbia ou anaeróbia) e subsequente reciclagem como correctivo orgânico na agricultura. A água usada pelo homem retorna ao seu ciclo Bibliografia • www.epa.gov • www.usgs.gov • www.epal.pt • www.wow.danfoss.com • www.unep.org • G.W.vanLoon, S.J.Duffy, Environmental Chemistry: a global perspective, Oxford, 2000, Oxford. • M.L.McKinney, R.M.Schoch, Environmental Science: systems and solutions, Jones and Bartlett Publishers, 1996, Boston. • S.L. Manahan, Environmental Chemistry, Lewis, 2000, Boca Raton. http://www.epa.gov/ http://www.epa.gov/ http://www.usgs.gov/ http://www.usgs.gov/ http://www.epal.pt/ http://www.epal.pt/ http://www.wow.danfoss.com/ http://www.unep.org/ Ciclo da água Tratamento da água O homem pode beber a água fresca natural ? ETA Estações de Tratamento de Água (ETAs) Processos unitários numa ETA Desinfecção da água: Cloro Problemas da desinfecção da água com cloro Desinfecção da água: Dióxido de cloro Desinfecção da água: Ozono ETA para a industria ETAR Utilização de água pelo homem Esgoto Os esgotos municipais podem ser directamente despejados nos rios, lagos e mar ? ETAR – Estação de tratamento de águas residuais Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETARs) Tratamento primário Coagulantes químicos na ETAR O alúmen Remoção de fósforo Tratamento secundário Remoção de azoto: desnitrificador Tratamento terciário Tratamento físico-químico dos esgotos municipais Tratamento das águas residuais industriais Remoção de cálcio e outros metais Resinas permutadoras Remoção de ferro e manganês Remoção de metais pesados Remoção de substâncias orgânicas em solução Remoção de substâncias inorgânicas em solução Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Electrodiálise Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Osmose reversa Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Remoção de fósforo Remoção de substâncias inorgânicas em solução: Remoção de azoto Lamas A água usada pelo homem retorna ao seu ciclo Bibliografia