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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Escola de Engenharia
Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Tese de Doutorado
REMOÇÃO DE ÓLEO DO MEIO FILTRANTE NO
PROCESSO DE RETROLAVAGEM EM
FILTROS DE AREIA.
Autor: Kirlene Salgado Fernandes Penna
Orientador: Luiz Fernando Andrade de Castro
Abril de 2009
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2
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso
Pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Kirlene Salgado Fernandes
Penna
REMOÇÃO DE ÓLEO DO MEIO FILTRANTE NO
PROCESSO DE RETROLAVAGEM EM FILTROS DE
AREIA.
Tese de Doutorado apresentada ao curso de
pós-graduação em Engenharia Metalúrgica e de
Minas da Universidade Federal de Minas Gerais
Área de Concentração: Metalurgia de Extração
Orientador: Luiz Fernando Andrade de Castro
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2009
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3
Dedico este trabalho a Deus, ao meu marido
e à minha filha Pietra
Amo vocês.
4
Agradecimentos
À Deus que esteve presente em minha vida fazendo com que alcançasse com êxito a
realização deste trabalho.
Ao meu orientador Professor Luiz Fernando Andrade de Castro que me apoiou desde o
início deste trabalho.
Ao Professor Toninho pela amizade e compreensão.
À Buckman Laboratórios que forneceu o material a ser estudado, além de disponibilizar
laboratório e equipamentos de análise. À Letícia, Paulinho, Rodrigo, Luiz e Flávio o
meu muito obrigada.
Aos meus pais, meus irmãos Aline, Monick, Laís e Graciliano que sempre estiveram ao
meu lado, dando-me carinho, apoio e certeza de um dia alcançar este resultado.
Às minhas amigas Patrícia e Geisamanda pelo incentivo e amizade.
Ao meu marido Gutemberg que esteve tão presente nas horas difíceis com seu carinho,
amor, incentivo, paciência e compreensão.
À minha filha Pietra que chegou para alegrar meus dias com seus olhos brilhantes
radiando amor.
5
Resumo
Nos últimos anos as indústrias siderúrgicas vêm investindo em tratamento de água
recirculada reduzindo o consumo de água captada dos rios. Isto tem acontecido em
função da preservação de recursos hídricos no Brasil. Atualmente apenas 4% do insumo
utilizado na produção é captado das bacias hidrográficas. A principal utilização da água
nas atividades siderúrgicas ocorre na refrigeração dos equipamentos. Há dois tipos de
sistema de resfriamento: no primeiro, a água não entra em contato com outros materiais,
mantendo suas propriedades físicas e químicas. Neste caso, utilizam-se inibidores de
corrosão no tratamento da água de recirculação. No segundo, a água é utilizada para
resfriar o material que está sendo processado, sendo contaminada pela carepa formada
na superfície da placa de aço e o óleo dos equipamentos. Neste caso, antes da aplicação
dos inibidores de corrosão é necessário clarificar a água utilizando coagulantes e
floculantes, além da etapa de filtração. A filtração é a etapa mais importante, pois irá
remover as pequenas partículas de sólidos em suspensão após a decantação das
partículas maiores. Os filtros de areia, após um ciclo de filtração, precisam ser lavados
para remover o excesso de partículas sólidas retidas durante o processo de filtração.
Neste caso é utilizado o processo de retrolavagem. Uma vez que o óleo utilizado no
processo de laminação contamina a água de recirculação, este óleo também é retido no
processo de filtração, porém a contralavagem não é suficiente para remover o óleo
aderido na superfície do meio filtrante. Foram realizados ensaios em laboratório visando
encontrar um produto de limpeza para remover o óleo da superfície do meio filtrante
com aplicação na retrolavagem dos filtros de areia na planta industrial. As análises
realizadas em laboratório indicaram que o óleo presente em maior proporção na água
contaminada é o óleo lubrificante. O produto que apresentou o melhor resultado na
remoção de óleo em laboratório é a base de ácidos inibidos e surfatantes. Os testes
realizados na planta industrial, com o produto de limpeza que apresentou o melhor
resultado em laboratório, apresentaram resultados satisfatórios e semelhantes aos
encontrados em laboratório.
6
Abstract
In the recent years iron and steel making industries have been investing on recycled
water treatment aiming at reducing the consumption of water collected in rivers. The
motivation for the procedure is the preservation of Brazilian water resources. At present
only 4% of the water used in production is collected from hydrographic basins. The
major use of water in iron and steel making activities occurs in cooling systems. The are
two types of cooling systems: in the first water does not contact other materials, keeping
its physical and chemical properties. In this case corrosion inhibitors are used in the
recirculation water treatment. In the second, water is used to cool a material that is
under processing, being then contaminated by iron scale formed on the steel plate
surface and by oil from equipments. In this case, prior to corrosion inhibitors
application it is necessary to use coagulants and flocculants, in addition to the filtration
stage. Filtration is the most important stage, for it will remove the small solid particles
in suspension after the decantation of the larger ones. The sand filters, after one
filtration cycle must be washed to remove the excess of solid particles retained during
the filtration process. Backwashing is used in this case. Since the oil used in the rolling
process contaminates the recirculation water, it is also retained in filtration, but the
backwashing is not capable of removing the oil adhered to the filtration medium.
Laboratory experiments were performed aiming at removing the oil from the filtration
medium surface with application on backwashing of sand filters in the industrial plant.
Laboratory analyses indicated that lubrication oil is the most abundant in contaminated
water. The most efficient production for its removal, in laboratory experiments, is based
on inhibited acids and surfactants. The industrial plant trials with the use of the cleaning
agent that yielded the best laboratory result presented satisfactory results, similar to
those obtained in the laboratory.
i
SUMÁRIO
RESUMO........................................................................................................................ iii
ABSTRACT.....................................................................................................................iv
LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................v
LISTA DE TABELAS....................................................................................................vii
1 -INTRODUÇÃO.........................................................................................................01
2 – OBJETIVOS............................................................................................................03
3 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...............................................................................04
3.1 – Água de Resfriamento do Sistema Direto...........................................................04
3.2 – Tratamento Químico da Água.............................................................................06
3.2.1 – Coagulação................................................................................................09
3.2.2 – Mecanismos de Coagulação......................................................................10
3.2.3 – Floculação..................................................................................................12
3.2.4 – Coagulação e Floculação: uma correlação................................................17
3.3 – Tratamento Mecânico da Água...........................................................................22
3.3.1 – Flotação......................................................................................................22
3.3.2 – Filtração......................................................................................................26
3.3.3 – Mecanismos da Filtração............................................................................28
3.3.4 – Filtros Lentos de Areia...............................................................................30
3.3.5 – Filtros Rápidos de Areia.............................................................................31
3.3.6 – Meio Filtrante.............................................................................................34
3.3.7 – Lavagem do Meio Filtrante........................................................................36
3.4 – Fluidização..........................................................................................................43
3.4.1 – Condições de Fluidização..........................................................................43
3.4.2 – Interfaces Fluidas.......................................................................................47
3.5 – Agentes de Limpeza para Equipamentos de Tratamento de Água.....................47
3.6 - Óleos...................................................................................................................49
3.6.1 – Óleos Minerais...........................................................................................50
3.6.2 – Óleos Lubrificantes....................................................................................50
ii
3.6.3 – Lubrificantes Utilizados na Laminação......................................................53
3.6.4 – Óleos Hidráulicos.......................................................................................55
3.7 – Técnicas Auxiliares.............................................................................................56
3.7.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)............................................56
3.7.2 – Espectroscopia no Infravermelho...............................................................57
3.7.3 – Análise Granulométrica..............................................................................58
4 – METODOLOGIA....................................................................................................60
4.1 – Características do Meio Filtrante.........................................................................62
4.1.1 – Granulometria e Determinação da Área Superficial...................................63
4.1.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura.........................................................63
4.2 – Características dos Tipos de Óleos Presentes no Sistema de Laminação............64
4.3 – Características da Água a ser Filtrada.................................................................64
4.3.1 – Análise Gravimétrica..................................................................................65
4.3.2 – Calorimetria.................................................................................................65
4.3.3 – Extração de Óleo e Graxa............................................................................66
4.4 – Utilização de Agentes Químicos para limpar o Meio Filtrante...........................67
5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................68
5.1 – Caracterização da Água a ser Filtrada................................................................68
5.2 – Caracterização dos Tipos de Óleo Presentes na Água a ser Filtrada.................69
5.2.1 – Análise da Superfície do Meio Filtrante por Espectroscopia no
Infravermelho................................................................................................70
5.3 – Caracterização do Meio Filtrante.......................................................................77
5.4 – Limpeza Química do Meio Filtrante..................................................................79
5.4.1 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio filtrante Utilizando
Limpeza com Água.....................................................................................81
5.4.2 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio filtrante Utilizando
Limpeza com BSP242................................................................................82
5.4.3 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio filtrante Utilizando
Limpeza com BLB8031..............................................................................83
iii
6 – CONCLUSÕES........................................................................................................86
7 – CONTRIBUIÇÕES ORIGINAIS AO CONHECIMENTO................................88
8 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................................89
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA............................................................................90
iv
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 3.1: Fluxograma das Etapas do Processo de Tratamento de Água..................05
FIGURA 3.2: Representação Esquemática da Dupla Camada Elétrica nas Vizinhanças
de uma Interface Sólido-Líquido.....................................................................................12
FIGURA 3.3: Representação Esquemática da Formação das Pontes Químicas com o
Emprego do Polímero......................................................................................................14
FIGURA 3.4: Atuação dos Polímeros como Auxiliares da Coagulação para a
Filtração...........................................................................................................................16
FIGURA 3.5: Curva de Energia de Interação em Função da Distância de Aproximação
Mútua de duas Partículas.................................................................................................18
FIGURA 3.6: A Dupla Camada Elétrica.........................................................................19
FIGURA 3.7: Ação de um Polieletrólito Aniônico........................................................20
FIGURA 3.8:Esboço Mostrando o que Ocorre num Meio Filtrante...............................33
FIGURA 3.9: Areia Borbulhando no Início da Lavagem...............................................38
FIGURA 3.10: Processo de Retrolavagem......................................................................40
FIGURA 3.11: Variação das Partículas do Meio Filtrante em Função do Tempo para
Areia e Antracito.............................................................................................................41
FIGURA 3.12: Flutuação da Pressão a Diferentes Velocidades de Água e Ar...............44
FIGURA 3.13: Amostras do Meio Filtrante Antes e Após a Limpeza............................48
FIGURA 3.14 Modelo Esquemático da Formação do Filme Protetivo pela Adsorção do
Inibidor............................................................................................................................49
FIGURA 3.15: Cilindros de Laminação..........................................................................53
FIGURA 4.1: Esquematização dos Filtros de Areia........................................................60
FIGURA 5.1: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra do
Sobrenadante na Bacia de Sedimentação x Óleo de Laminação (espectro azul) –
Probabilidade de 43%......................................................................................................71
FIGURA 5.2: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra enviada para o
Filtro de Areia x Óleo de Laminação (espectro azul) – Probabilidade < 30%................71
FIGURA 5.3: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra da Lama da
Bacia de Sedimentação x Óleo de Laminação (espectro azul) – Probabilidade de
47%..................................................................................................................................72
v
FIGURA 5.4: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra do
Sobrenadante na Bacia de Sedimentação x Óleo Hidráulico (espectro azul) –
Probabilidade de 88%......................................................................................................73
FIGURA 5.5: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra enviada para o
Filtro de Areia x Óleo de Hidráulico (espectro azul) – Probabilidade de 55%..............73
FIGURA 5.6: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra da Lama da
Bacia de Sedimentação x Óleo de Hidráulico (espectro azul) – Probabilidade de
68%..................................................................................................................................74
FIGURA 5.7: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra do
Sobrenadante na Bacia de Sedimentação x Óleo Lubrificante (espectro azul) –
Probabilidade de 98%......................................................................................................75
FIGURA 5.8: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra enviada para o
Filtro de Areia x Óleo de Lubrificante (espectro azul) – Probabilidade de
78%..................................................................................................................................75
FIGURA 5.9: Correlação entre o Espectro no Infravermelho da Amostra da Lama da
Bacia de Sedimentação x Óleo de Lubrificante (espectro azul) – Probabilidade de
90%..................................................................................................................................76
FIGURA 5.10: Resultado da Análise Granulométrica da Amostra antes da Limpeza
Química...........................................................................................................................78
FIGURA 5.11: Resultado da Análise Granulométrica da Amostra após da Limpeza
Química...........................................................................................................................79
FIGURA 5.12: Amostra do Meio Filtrante antes da Limpeza química...........................80
FIGURA 5.13: Amostra do Meio Filtrante aos a Limpeza somente com água...............81
FIGURA 5.14: Amostra do Meio Filtrante aos a Limpeza Com BSP 242.....................83
FIGURA 5.15: Amostra do Meio Filtrante aos a Limpeza com BLB 8031....................84
vi
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1: Características do Meio Filtrante.............................................................35
TABELA 3.2: Tamanho Médio e Uniformidade dos Meios Filtrantes Antes e Após a
Retrolavagem...................................................................................................................41
TABELA 3.3: Características dos Óleos Minerais..........................................................50
TABELA 5.1: Características da Água utilizada no Processo de Filtração....................68
TABELA 5.2: Posição das Bandas Relativas ao Espectro no Infravermelho dos tipos de
Óleos Utilizados na Água no Processo de Laminação à quente......................................70
TABELA 5.3: Correlação entre os Tipos de Óleo Presentes na Água de Laminação a ser
Filtrada e o local da Amostragem....................................................................................77
TABELA 5.4: Resultado da Amostra de Área Superficial das Amostras do Meio
Filtrante............................................................................................................................78
1
1 – Introdução
A produção de aço bruto mundial em 2007 foi de 1,20 bilhão de tonelada, 6,8% superior
ao ano de 2006. O Brasil atualmente contribui com 2,8% deste total, ou seja, 33,7
milhões de toneladas, levando o país à décima terceira posição de maior fornecedor de
aço mundial. A produção brasileira de aço bruto em maio de 2009 foi de 1,9 milhão de
toneladas, representando crescimento de 9,5% em relação a abril e queda de 36,3%
quando comparada com o mesmo mês em 2008. Com esses resultados, a produção
acumulada de janeiro a maio totalizou 8,6 milhões de toneladas de aço bruto o que
significou queda de 40,6% e 40,1% respectivamente sobre o mesmo período de 2008.
Uma grande quantidade de água é usada na fabricação do aço, ao todo 16 milhões de m
3
de água circulam por dia nas unidades de produção das siderúrgicas brasileiras. A
tecnologia do tratamento de água recirculada é utilizada visando economizar o consumo
de água onde suas taxas de recuperação podem atingir 94%, ou seja, 15 milhões de m
3
circulam por dia em circuito fechado nas unidades de processo do setor, reduzindo a
captação e situando as empresas brasileiras entre as de melhores índices no cenário
mundial. Em algumas plantas a quantidade de reposição de água é somente 100 a 200
mil m
3
de água /dia. De acordo com o site do Instituto Brasileiro de Siderurgia, para
produzir 1 tonelada de aço são necessários 40 litros de água.
No ano de 2007, as siderúrgicas no Brasil reduziram em 27% o seu consumo de água
em relação ao ano de 2006, isto é, economizaram 122 milhões de m
3
/ano. Já o consumo
de água por tonelada de aço produzido caiu de 14 para 10m
3
de água por tonelada. O
motivo desta redução é decorrente das melhorias nos sistemas de tratamento e
recirculação das águas. Apenas 4,1% do insumo utilizado na produção do aço foi
captado nas bacias hidrográficas. Cerca de 2% da água utilizada no processo industrial
evapora e os outros 2% são devolvidos aos rios após receber o tratamento adequado.
A principal utilização da água na atividade siderúrgica ocorre no momento da
refrigeração dos equipamentos, em um processo realizado em circuito fechado, o que
propicia a reutilização constante do recurso natural durante a produção. A água utilizada
2
é classificada como água de resfriamento direto e água de resfriamento indireto. Os
problemas causados pela água recirculada podem ser corrosão e sujeira biológica, dessa
forma são utilizados inibidores de corrosão e biocidas. As condições de operação e
qualidade da água são diferentes em cada processo, tendo tratamentos químicos
característicos e específicos.
No processo de tratamento de água industrial, substâncias que causam interferências no
sistema, tais como sólidos dissolvidos e sólidos em suspensão, são removidas da água.
Sólidos em suspensão (SS) são removidos através do processo de tratamento de água
industrial e descartados como lama com alta quantidade de água. Como a água possui
alguns tipos de sólidos dissolvidos e sólidos em suspensão, o método adequado de
tratamento de água deve ser selecionado de acordo com a qualidade da água a ser
tratada. Os métodos de tratamento da água são classificados em três categorias:
mecânico, químico e biológico. Porém, só serão relatados o tratamento mecânico e o
químico, uma vez que o tratamento biológico não é de interesse neste estudo.
A água utilizada no processo de laminação a quente pode ser dividida em: água de
resfriamento indireto que é utilizada para o resfriamento do forno de reaquecimento de
placas entre outros equipamentos. Neste sistema são utilizados inibidores de corrosão à
base de fosfato e zinco para evitar a ocorrência de corrosão severa. Já no sistema de
resfriamento direto, a água que é utilizada para o resfriamento da tira, é contaminada
com óleos lubrificantes e com a carepa (óxido de ferro) formada na superfície do aço
depois de reaquecido. Neste sistema são utilizados os processos de clarificação e
filtração.
No processo de filtração são removidas pequenas partículas de sólidos em suspensão
provenientes da carepa e também é retido o óleo utilizado no processo de laminação
emulsionado na água de recirculação. Após um determinado tempo de filtração é
necessário lavar o meio filtrante através do processo de retrolavagem. Porém devido à
presença do óleo, que adere a superfície do meio filtrante, a limpeza não é eficiente,
gerando um acúmulo de material retido dentro do filtro reduzindo sua capacidade de
filtração.
3
2 - Objetivo
Os objetivos propostos deste trabalho são:
Objetivo geral:
Remover o óleo aderido à superfície do meio filtrante utilizando um agente de
limpeza químico durante o processo de retrolavagem em filtros de areia.
Objetivos específicos
→ Identificar o tipo de óleo presente na superfície do meio filtrante utilizando a
técnica de Espectroscopia no Infravermelho.
→ Identificar o agente de limpeza químico mais apropriado à remoção do tipo de
óleo encontrado aderido na superfície do meio filtrante.
→ Caracterizar o meio filtrante quanto a granulometria, área superficial e
morfologia.
→ Desenvolver metodologia de aplicação do agente de limpeza para a remoção do
óleo aderido na superfície do meio filtrante, identificando as etapas de retrolavagem.
4
3 - Revisão Bibliográfica
3.1 - Água de Resfriamento do Sistema Direto
De acordo com Kurita (1999), a água de resfriamento do sistema direto na laminação a
quente é um sistema de aspersão contínua e com alta pressão para a remoção da carepa
(óxido de ferro) formada durante o reaquecimento da placa para obtenção de
propriedades metalúrgicas, podendo causar corrosão e entupimentos dos bicos de
aspersão. O sistema de aspersão de água é lançado diretamente no aço numa zona de
resfriamento secundário. Após a água ser aspergida, retirando a carepa formada na
superfície metálica, a concentração de sólidos suspensos na água torna-se muito alta.
Estes sólidos suspensos são removidos em tanques de sedimentação seguido de
filtração. Problemas como corrosão ocorrem quando o pH da água de resfriamento for
baixo e/ou a concentração de sais for alta. O mecanismo de zonas de aspersão são
repetidamente úmidos e secos, onde os sais na água de aspersão estão concentrados na
superfície metálica. Este mecanismo provoca corrosão severa que pode ser reduzida
utilizando os inibidores de corrosão.
O uso de inibidores de corrosão, juntamente com os agentes controladores de pH, é
eficiente no controle da corrosão. No entanto, inibidores de corrosão são consumidos no
sistema pois se combinam com os sólidos em suspensão presentes na água sendo
removidos pelo processo de filtração. Dessa forma o consumo de inibidores de corrosão
nos sistemas de resfriamento direto são elevados (Kurita, 1999).
O entupimento dos bicos de aspersão pode ser causado por vários fatores de acordo com
as condições de operação. Para evitar o entupimento dos bicos de aspersão,
primeiramente deve-se minimizar a concentração de sólidos em suspensão na água de
recirculação pelo controle de clarificação e filtração. Na água de resfriamento do
sistema direto, a água de recirculação possui alta concentração de sólidos em suspensão
após a aspersão. Neste sistema tanques de sedimentação e filtros de areia são instalados
para remover os sólidos em suspensão presentes na água e também são utilizados
inibidores de corrosão para reduzir o aparecimento de corrosão severa. Além disso, o
5
aumento da corrosão pode causar o entupimento de bicos de aspersão. A Figura 3.1
representa esquematicamente as etapas do processo do tratamento da água.
Poço de Carepa
Torres de
Resfriamento
Poço de Carepa do
Laminar Flow
Poço de Secagem
de Carepa
Filtros de Areia
Espessador
de Lama
Desidratador
de Lama
Tratamento
Químico
Tanque de Lama
Laminador de Tiras
a Quente
Bacias de
Sedimentação
FIGURA 3.1: Fluxograma das Etapas do Processo do Tratamento da Água.
(Manual do Programa Buckman)
Após o processo de Resfriamento Direto, a água contendo a carepa é destinada ao Poço
de Carepa onde é removida a carepa mais grossa. Em seguida a água é direcionada
através de bombas para as Bacias de Sedimentação onde recebe o tratamento químico
para a clarificação da água. A próxima etapa consiste no sistema de Filtração seguindo
para a Torre de Resfriamento onde a água recebe o tratamento químico de inibidores de
corrosão e microbiocida retornando ao processo de laminação para o resfriamento de
equipamentos e do material em processamento.
Após o processo de filtração, ocorre a retrolavagem dos filtros onde é removida toda a
lama de carepa em forma de sólidos em suspensão acumulada. Esta lama segue para o
6
espessador de lama onde recebe novo tratamento de clarificação da água. A lama
formada segue para o desidratador à vácuo e a água clarificada retorna para as bacias de
sedimentação.
3.2 - Tratamento Químico da Água
Inicialmente o tratamento consiste na retirada de calor e dos resíduos incorporados à
água durante o processo de laminação a quente mantendo suas propriedades fisico-
químicas. A retirada de calor é feita através de uma Torre de Resfriamento, específica
deste estudo, com uma vazão de aproximadamente 13.000 m
3
/h. Os principais
equipamentos que são refrigerados pela água durante o processo são os cilindros de
laminação, os rolos de mesas, a tesoura, a bobinadeira e a tira laminada. A água que
entra em contato com a tira laminada remove a carepa (óxido de ferro) formada na
superfície. A retirada de resíduos incorporados à água é feita pelo processo de
clarificação e filtração.
De acordo com Babbitt (1962), sempre que a água for muito turva, a simples
sedimentação prévia permite a remoção de partículas mais grosseiras em suspensão,
resultando em uma água de mais fácil tratamento. A preparação da água de modo a
garantir uma boa clarificação é um requisito essencial para a economia e operação
satisfatória dos filtros. A sedimentação tem pouco efeito sobre as partículas muito
pequenas, sendo bastante eficaz na remoção da maior parte das partículas grosseiras e
mais pesadas, de modo que o grau de clarificação dependerá do tamanho das partículas
que constituem a matéria em suspensão. A turbidez elevada das águas é devido,
principalmente, às partículas mais finas que não sedimentam rapidamente.
Durante o tratamento químico alguns parâmetros são constantemente avaliados para
verificar sua eficiência. São eles:
1 – Alcalinidade: A alcalinidade pode ser definida como a capacidade de reação de um
meio, face a adição de um ácido. É a capacidade de neutralização de um meio, quando
submetido a um ácido forte. Representa a capacidade que um sistema aquoso tem para
7
neutralizar ácidos sem perturbar de forma extrema as atividades biológicas que nele
decorrem (efeito tampão natural da água). Esta capacidade é avaliada com o auxílio de
um indicador ácido/base. Há uma relação entre pH e a existência de hidroxilas,
carbonato, bicarbonato e dióxido de carbono. A alcalinidade é interpretada como a
presença de íons bicarbonato, carbonato e hidróxido. Outros íons como os fosfatos e os
silicatos podem interferir nos valores de alcalinidade.
OH
-
+ H
+
→ H
2
O
CO
2-
3
+ H
+
→ HCO
-
3
HCO
-
3
+ H
+
→ CO
2
+ H
2
O
Para sistemas de recirculação de água é importante saber a alcalinidade do sistema, pois
através dela pode-se antever tendências de corrosividade ou de incrustação de uma
determinada água (Kurita, 1999).
De acordo com Netto (1991), a alcalinidade é devida à presença de carbonatos (CO
-2
3
),
bicarbonatos (HCO
-
3
), ou hidróxidos (OH
-
). É uma das determinações mais importantes
no controle da água, estando relacionada com a coagulação, redução de dureza e
prevenção de corrosão. Os íons causadores da alcalinidade são todos básicos e, assim,
capazes de reagir com um ácido de concentração conhecida.
2- Condutividade: Depende da quantidade de sais dissolvidos na água e é
aproximadamente proporcional à sua quantidade. Sua determinação permite obter uma
estimativa rápida do conteúdo de sólidos de uma amostra.
Depende de:
- concentração, tipo e tamanho de íons,
- natureza do solvente,
- interação entre os solventes e os íons,
- temperatura
Quanto maior a condutividade, maior será a probabilidade da água proporcionar
corrosão ou incrustação nos sistemas de troca térmica.
8
3 – Sólidos em suspensão: São espécies químicas de baixa solubilidade (ou quase
insolúveis), dispersas em um líquido. Carvão, poeira, argila, ferro, areia, folhas e uma
imensa variedade de precipitados, podem ser geralmente removidos por filtração. Os
sólidos suspensos possuem a capacidade de turvar a água. A presença destas partículas
provoca a dispersão e a absorção da luz, dando a água uma aparência nebulosa.
4 – pH: Mede a concentração de íons H
+
em uma dada solução. Sabemos que a água
ioniza-se produzindo íons H
+
e OH
-
da seguinte maneira:
H
2
O ↔ H
+
+ OH
-
pH = -log [H
+
]
Na prática, o pH mede a quantidade de íons H
+
e/ou de íons OH
-
presentes em uma
solução. Quanto mais íons hidrogênio (H
+
) estiverem presentes, mais ácido é o meio.
Quanto mais íons hidroxilas (OH
-
) estiverem presentes, mais básico/alcalino é o meio.
De acordo com Netto (1991), o termo pH é usado universalmente para expressar a
intensidade de uma condição ácida ou alcalina de uma solução. Mede a concentração do
íon hidrogênio ou sua atividade, importante em cada fase do tratamento, sendo referindo
freqüentemente na coagulação, floculação, desinfecção e no controle da corrosão.
5 – Óleos e Graxas: Também denominados de extraíveis orgânicos, são componentes
oleosos analisados através de uma extração (solubilização em solventes) de elementos
orgânicos que a água contém. Trata-se de uma medida de matéria orgânica efetuada a
partir de solvente do tipo “hexanas” muito embora o clorofórmio e solventes clorados
possam ser utilizados. Utiliza-se com freqüência esta análise em depósitos encontrados
em sistemas de resfriamento, onde há suspeitas da existência de contaminação orgânica.
6 - Teor de Ferro: Está presente na água em dois estados diferentes: Ferroso e Férrico.
No estado ferroso, o ferro está parcialmente oxidado (Fe
2+
) e é bastante solúvel,
enquanto que no estado férrico (Fe
3+
) ele encontra-se totalmente oxidado e tem baixa
solubilidade. Esta oxidação se dá em valores de pH entre 7,0 e 8,5. Muitas vezes o ferro
9
é originado nos próprios circuitos de recirculação de águas em função da corrosão que a
água provoca nos sistemas ferrosos.
3.2.1 - Coagulação
A coagulação é empregada para a remoção de material em suspensão ou coloidal. Os
colóides são apresentados por partículas que têm uma faixa de tamanho de 1nm a 0,1nm
e causam cor e turbidez. As partículas coloidais não sedimentam e não podem ser
removidas por processos de tratamento físico convencionais. Os colóides possuem
propriedades elétricas que criam uma força de repulsão que impede a aglomeração e a
sedimentação. Na maior parte dos efluentes industriais o colóide possui carga negativa
(Eckenfelder, 1989). A coagulação é o processo de desestabilização das partículas
coloidais de modo que o crescimento da partícula possa ocorrer em conseqüência das
colisões entre partículas (Metcalf & Eddy, 2003). O papel do coagulante é desestabilizar
a suspensão coloidal reduzindo todas as forças atrativas, desse modo abaixando a
barreira de energia e permitindo partículas a se agregarem. (PUC-Rio – Certificação
Digital N° 0511120/CA).
A coagulação resulta de dois fenômenos: o primeiro, essencialmente químico, consiste
nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga
positiva e depende da concentração do metal e pH final da mistura; o segundo,
fundamentalmente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja
contato entre as impurezas presentes na água. (PUC-Rio – Certificação Digital N°
0511120/CA).
Segundo Libânio (2005), a coagulação consiste essencialmente na desestabilização das
partículas coloidais e suspensas realizada pelo conjunto de ações físicas e reações
químicas, com a duração de poucos segundos, entre o coagulante, a água e as impurezas
presentes. Em solução aquosa, os íons metálicos, positivamente carregados, formam
fortes ligações com os átomos de oxigênio podendo coordenar até seis moléculas de
água ao redor, liberando os átomos de hidrogênio (aumentando a concentração do íon
H
+
) e reduzindo o pH da suspensão. Este processo denomina-se hidrólise, e os produtos
10
formados constituem-se em espécies hidrolisadas, podendo culminar em um precipitado
de hidróxido do metal. A eficiência da coagulação influi no desempenho das demais
etapas do tratamento. Dessa forma, o objetivo da coagulação consiste em elevar a
velocidade de sedimentação do aglomerado de partículas a ser formado pela adição do
coagulante.
A característica fundamental para um coagulante ser empregado no tratamento de água
consiste na capacidade de produzir precipitados e espécies hidrolisadas em dissociação
no meio aquoso, capazes de desestabilizar ou envolver as partículas suspensas e
coloidais presentes na água.
De acordo com Tansel (2004), o coagulante inclui a agregação e deposição de
partículas. O coagulante interage com a superfície da partícula reduzindo as forças de
repulsão de curto alcance formando partículas maiores denominadas flocos. Estudos
mostraram que a eficiência da filtração melhora com a formação de flocos. Hermeneck
et al, estudaram a remoção de água de reuso contaminada com óleo utilizando
coagulante na filtração. A adição do polieletrólito catiônico melhorou o desempenho da
filtração.
De forma geral, a coagulação do material finamente dividido disperso em suspensões
naturais é afetada por propriedades da água, tais como temperatura, alcalinidade e pH,
por parâmetros operacionais que afetam as condições hidrodinâmicas do meio, e pela
presença e natureza do agente coagulante e sua dosagem. As partículas desestabilizadas
pela ação do coagulante podem se agregar em flocos, por meio de mecanismos de
transporte, tais como o movimento Browniano, a força da gravidade ou a convecção
forçada do fluido. (Guedes et al 2004).
3.2.2 - Mecanismos de Coagulação
Para melhor compreender os mecanismos no processo de coagulação vale ressaltar que
as partículas suspensas e coloidais dispersas na água apresentam carga
11
predominantemente negativa. Três fenômenos favorecem o desenvolvimento de carga
negativa na superfície da partícula:
1. Para o caso das argilas minerais, a carga negativa pode estar associada às próprias
imperfeições do cristal ou à substituição do átomo de silício por um átomo de menor
valência na estrutura do cristal.
2. Grupos funcionais como carbozinas ou hidrófilas presentes na superfície das
partículas, dissociam-se na água e produzem carga elétrica negativa, dependendo do
grau de ionização e do pH do meio aquoso.
3. Pode ocorrer a adsorção de íons específicos na superfície da partícula, decorrentes
das forças de van der Waals.
Quando as partículas coloidais estão dispersas na água, íons de carga oposta tendem a se
aproximar de sua superfície formando uma camada de íons positivos e negativos,
denominada camada dupla ou camada de Stern, decorrente das forças de repulsão
eletrostática e de atração de van der Waals. Dessa forma, apesar da carga negativa da
maioria dos colóides, a suspensão tende a ser eletricamente neutra. Assim, a
desestabilização referenciada no próprio conceito de coagulação permitirá a
aproximação das partículas vencendo a barreira de energia decorrente desses potenciais
elétricos. (PUC-Rio – Certificação Digital N° 0511120/CA).
A Figura 3.2 apresenta de forma esquemática a dupla camada elétrica nas vizinhanças
de uma interface sólido-líquido.
12
FIGURA 3.2: Representação Esquemática da Dupla Camada Elétrica nas
Vizinhanças de uma Interface Sólido-Líquido. (PUC-Rio – Certificação Digital N°
0511120/CA).
A coagulação é necessária para as águas com turbidez superior a 30 e 50 ppm de
presença de sólidos em suspensão. Ela nunca é empregada como tratamento completo,
mas sempre seguida pela filtração. Uma coagulação satisfatória é conseguida somente
com uma mistura eficiente dos coagulantes na água. Alguns reagentes e certas águas
exigem uma mistura rápida e violenta, enquanto que outros requerem uma mistura lenta
durante um período mais prolongado. (Babbitt, 1962)
3.2.3 – Floculação
Floculantes são polímeros orgânicos, solúveis em água, de longa cadeia e alto peso
molecular. Geralmente atuam pela agregação de partículas finas dentro de grandes
Contorno
de Ster
n
Camada difusa ou de
Gouy
Restante da
solução
sólido
Plano interno
de Helmholtz
Plano externo de
Helmholtz ou de
Stern
Contorno de
cisalhamento
Plano de
Gouy
Co-íon especialmente
absorvido
Contra-íon usualmente
hidratado
Moléculas do solvente (água)
mostrando a direção do dipolo
13
massas chamado flocos, aumentando o tamanho aparente da partícula e o raio capilar.
Os mecanismos de adsorção deste floculante polimérico foram identificados como (i)
ponte polimérica (ii) neutralização de carga (iii) formação de complexo polimérico ou
(iv) floculação pelos polímeros livres. O primeiro mecanismo é considerado mais
significativo que os dois últimos. A ponte ocorre quando segmentos de um polímero
adsorvem em mais de uma partícula simultaneamente, formando assim um elo entre
elas. A maioria dos minerais em meio aquoso possuem cargas negativas. A
neutralização da carga ocorre quando são utilizados polímeros de cargas opostas. Esses
polímeros são adsorvidas na superfície das partículas por mecanismo eletrostático e
reduzem as forças de repulsão entre as partículas. (Besra et al, 1997)
De acordo com Babbitt (1962), quando os coágulos são misturados com a água
formando flocos, as partículas finamente divididas das matérias em suspensão e em
matérias coloidais, que se encontram na água são atraídas para os flocos constituindo
grupos ou agregados mais facilmente removíveis pela decantação do que pelas
partículas inicialmente presentes. Há ainda a considerar que os flocos apresentam
superfícies suficientemente grandes para emaranhar e aglomerar as substâncias
responsáveis pela cor; os flocos assim carregados, levam para o fundo a medida que
decantam.
Com o objetivo de reduzir as dosagens do coagulante e conferir ao floco maior
densidade, são empregados polímeros orgânicos ou sintéticos, como auxiliares de
floculação. Tais substâncias podem ser definidas como compostos orgânicos de longas
cadeias constituindo-se de uma série repetitiva de unidades químicas unidas (meros) por
ligações covalentes formando moléculas denominadas monômeros, e a massa molar do
polímero é conseqüência da soma dos diversos polímeros. Uma classe especial de
polímero denomina-se polieletrólitos, que são distintos dos polímeros ordinários por
possuírem grupos funcionais ionizáveis capazes de serem adsorvidos na superfície dos
colóides (Libânio, 2005).
No processo de floculação inserem-se os polímeros orgânicos, sintéticos ou naturais,
(polieletrólitos) utilizados mais comumente como auxiliares de coagulação, quer para
14
elevar a velocidade de sedimentação dos flocos quer para, em estações de filtração
direta, aumentar a resistência destes aos efeitos de cisalhamento provocado pelas forças
hidrodinâmicas do escoamento através dos interstícios do meio filtrante, retardando a
ocorrência do transpasse (fenômeno pelo qual as partículas atravessam os interstícios do
meio filtrante ocasionando a queda da qualidade do efluente) e, consequentemente,
prolongando a duração das carreiras dos filtros. (Libânio, 2005)
FIGURA 3.
3
:
Representação
E
squemá
tica da Formação das P
ontes
Químicas com
o Emprego de Polímero. (Libânio, 2005)
No emprego dos polímeros, a floculação pode efetuar-se por intermédio da formação de
pontes químicas, quando as partículas coloidais são adsorvidas na superfície das
Reação 1
Adsorção inicial (dosagem ótima de polímero)
(rápido)
Reação 2A
Formação de floco
Polímero
Partícula coloidal
Partícula desestabilizada
Partículas desestabilizadas
Floco
Reação 2B
Adsorção Secundária
Partícu
la reestabilizada
Reação 3
Adsorção inicial (excesso de dosagem de polímero)
Excesso de polímero
Partícula coloidal
Partícula estável
Reação 4A
Ruptura do floco
Reação 4B
Adsorção Secundária
Floco
Flocos fragmentados
Floco fragmentado
Pa
rtícula reestabilizada
15
diversas cadeias dos polímeros. Para tal finalidade, a molécula de polímero deve ser
longa o suficiente para minimizar o efeito repulsivo da dupla camada quando da
aproximação de mais de uma partícula e permitir a adsorção em sua superfície. Há uma
correlação direta entre a área superficial das partículas coloidais e a dosagem ótima de
polímeros, e a melhor agregação não ocorre, necessariamente, para potencial zeta nulo.
O mecanismo de floculação pode ocorrer com polímeros aniônicos, nos quais
predominam sítios negativos. Dessa forma, tanto podem ocorrer ligações decorrentes de
forças de atração eletrostática, quanto a prevalência de pontes de hidrogênio ou das
forças de van der Waals. A Figura 3.3 apresenta uma representação esquemática da
formação das pontes químicas.
Nos polímeros, podem predominar sítios ionizáveis positivos (catiônicos) e negativos
(aniônicos), ou nenhum destes (não-iônicos). No emprego dos polímeros como
floculantes primários, a desestabilização pode ocorrer a partir da adsorção do polímero
às partículas coloidais. Para floculação com polímeros catiônicos a adsorção neutraliza a
carga negativa das partículas permitindo a agregação. Para os polímeros aniônicos ou
não-iônicos, há a referida formação das pontes químicas conectando as partículas
coloidais de carga predominantemente negativas (Libânio, 2005).
A Figura 3.4 apresenta a ação do polímero no interstício do meio filtrante. Observe que
o polímero fica retido nas paredes do filtro agregando novas partículas retendo o
material a ser filtrado. Os polímeros são utilizados como floculantes primários
(auxiliando o processo de coagulação) em estações de filtração direta; predomina os
polímeros catiônicos de menor massa molar e seu uso apresenta as seguintes
características:
• Em estações de filtração direta há formação de flocos mais resistentes à erosão nos
interstícios do meio filtrante;
• Redução do volume de lodo gerado;
16
• Redução com gastos com alcalinizantes para correção do pH final, uma vez que
menores dosagens de coagulantes minimizam a queda acentuada do pH de
coagulação;
• Maior facilidade de desidratação do lodo gerado comparada aos sais de ferro e
alumínio.
FIGURA 3.4: Atuação dos Polímeros como Auxiliares de Coagulação para a
Filtração. (Libânio, 2005)
Porém, existem alguns fatores que interferem na floculação. Destacam-se o tipo de
coagulante, o pH e a alcalinidade da água bruta, a natureza e a distribuição dos
tamanhos das partículas causadoras de cor e turbidez e a uniformidade de aplicação dos
produtos químicos na massa líquida. Em menor grau, tem-se a presença de íons, a
concentração e a idade da solução de coagulante, a temperatura da água e, dependendo
do mecanismo predominante, o gradiente de velocidade e o tempo de agitação na
mistura. (Libânio, 2005)
Verificou-se ser vantajoso agitar-se violentamente a água logo após a aplicação dos
reagentes (coagulante e floculante) e em seguida, manter-se uma agitação moderada ou
lenta enquanto se formam os flocos. Esse movimento mais lento da água permite o
encontro e a aglomeração dos flocos, tornando-os maiores e mais eficazes no processo
de clarificação. (Babbitt, 1962).
Grão do meio
filtrante
Grão do meio
filtrante
Partícula
17
De acordo com PUC-Rio (Certificação Digital N°0511120/CA) o processo de
coagulação é muito rápido, variando desde décimos de segundos a cerca de 100
segundos dependendo das demais características (pH, alcalinidade, temperatura,
turbidez). Daí em diante há necessidade de agitação lenta, para que ocorra choques entre
as impurezas, que se aglomeram formando partículas maiores denominadas flocos, que
podem ser removidas por sedimentação, flotação ou filtração rápida. Uma característica
essencial da floculação é a remoção de sólidos suspensos.
3.2.4 – Coagulação e floculação: uma correlação
A coagulação ocorre quando partículas extremamente finas aderem diretamente uma à
outra. Todas as partículas exercem uma atração mútua devido às forças de London-van
der Waals, sendo que essas forças são efetivas somente a distâncias muito pequenas.
Normalmente, a adesão entre partículas pela ação dessas forças é evitada devido à
presença de uma atmosfera carregada eletricamente ao redor de cada partícula, o que
gera forças de repulsão quando as partículas se aproximam uma da outra. Há então um
balanço entre as forças de atração e as forças de repulsão elétrica na interface sólido –
liquido, conforme ilustrado na Figura 3.5.
Em um dado sistema as cargas elétricas na superfície possuem o mesmo sinal. Em
suspensões aquosas de pH maior ou igual a 4 essa carga é geralmente negativa. As
superfícies carregadas positivamente ocorrem principalmente em soluções altamente
ácidas.
As forças de repulsão não somente evitam a coagulação das partículas como também
retardam sua sedimentação mantendo-as em constante movimento. Esse efeito fica mais
evidente em partículas menores.
Os coagulantes são eletrólitos que têm carga oposta à carga das partículas e que causam
a neutralização das cargas quando dispersos em um sistema. Sem a repulsão entre as
partículas elas entram em contato uma com as outras e se aderem como resultado das
forças moleculares. Os coagulantes mais utilizados são os sais inorgânicos
18
(frequentemente carregados positivamente e com cátions altamente carregados), a cal, o
ácido sulfúrico e o CO
2
.
Figura 3.5 – Curva de energia de interação em função da distância de
aproximação mútua de duas partículas.
A coagulação ocorre de forma mais pronunciada quando as partículas têm carga zero
em relação ao meio, e isto acontece quando o potencial zeta é zero. A natureza do
potencial zeta pode ser vista na Figura 3.6, que mostra o modelo da dupla camada
elétrica na superfície da partícula.
A superfície mostrada tem carga negativa o que atrai os íons positivos da solução. Estes
íons formam uma camada na superfície da partícula que é conhecida como Plano de
Stern e também uma camada difusa onde a concentração dos íons positivos decai à
medida que se afasta da partícula. A uma determinada distância da superfície as cargas
da solução voltam a entrar em equilíbrio. Estas camadas de íons, próximas da superfície
da partícula, constituem a dupla camada elétrica.
A floculação envolve a formação de um agregado mais “aberto” do que os resultantes
da coagulação. O processo ocorre através da ação de moléculas de reagente que formam
uma espécie de ponte entre partículas em suspensão. Os reagentes utilizados para
Distância
entre
partículas
Curva da força de atração
Curva da força de repulsão
Resultante
Aumento de
repulstão
Energia
poetencial
Aumento da
atração
19
formar as “pontes” são polímeros de cadeia longa que no passado eram naturais (amido,
cola, gelatina e goma de guar) e atualmente são sintéticos.
Os reagentes sintéticos são baseados na repetição de unidades de ácido acrílico e seus
derivados. Eles estão disponíveis em uma ampla faixa de peso molecular. Os reagentes
contendo grupos ionizáveis são conhecidos como polieletrólitos. A maioria destes
reagentes tem caráter aniônico, porém também podem apresentar-se na forma não-
iônica e catiônica.
.
Figura 3.6 – A dupla camada elétrica
As poliacrilamidas, que variam amplamente em peso molecular e densidade de carga,
são largamente utilizadas como floculantes. A densidade da carga se refere à
porcentagem do segmento do monômero acrílico que carrega a carga.
Superfície da
partícula
Potencial
elétrico
Plano de cisalhamento
Distância da superície
Potência Zeta
Dupla camada
Camada
difusa
Solução
Bulk
Camada
Bound
20
As informações precisas referentes aos produtos disponíveis no mercado geralmente não
são reveladas pelos fabricantes de polímeros.
Os fatores que influenciam o grau de floculação são:
• a eficiência ou força de adsorção do polímero na superfície da partícula;
• o grau de agitação durante a floculação;
• o grau de agitação depois da floculação (isto pode resultar na quebra dos
flocos).
Figura 3.7 – Ação de um polieletrólito aniônico.
A taxa de sedimentação e a turbidez são medidas indiretas que fornecem um caminho
para a determinação da performance de um processo de floculação, e são governadas
principalmente pela distribuição do tamanho dos flocos. A distribuição do tamanho dos
flocos pode geralmente ser controlada pela seleção e uso apropriado de floculantes
(Hogg, 2000). Para uma floculação bem sucedida, alguns parâmetros da suspensão
como, por exemplo, o pH, a ionicidade, a temperatura, o tipo de floculante e suas
características (peso molecular, densidade de carga e estrutura molecular) são
importantes (Werneke, 1979; Atesok, 1988; Hogg, 2000; Yarar, 2001). Desta forma,
para que ocorra uma floculação apropriada o tipo de polímero e algumas características
da suspensão precisam ser otimizadas.
Partícula
Molécula de polímero
21
A escolha do polímero ideal para um dado processo é mais uma arte do que uma
ciência, pois existe uma ampla faixa de polímeros disponíveis cujas características
detalhadas não são informadas pelos fabricantes (Yong, 1995).
O procedimento mais utilizado para a identificação do tipo de polímero mais adequado
para um dado processo é descrito abaixo:
• A amostra a ser investigada é colocada em recipientes, por exemplo, em béckers.
Uma quantidade dos polímeros a serem estudados é adicionada na superfície da
suspensão. A amostra é então agitada por algumas vezes para que haja a
homogeneização do reagente. O material é deixado em repouso. Medidas do
deslocamento da interface sólido/água clarificada são realizadas ao longo do
tempo. Os polímeros que apresentarem maiores velocidades de sedimentação e
melhor clarificação do sobrenadante são posteriormente estudados de forma
mais detalhada para otimizar a dosagem.
Como a separação sólido líquido tem sido objeto de maior atenção na literatura técnica
recente, artigos abordando tanto o uso de reagentes tanto quanto desenvolvimento em
reagentes tornaram-se menos escassos.
Outra abordagem voltada a reagentes (Franks et al., 2008) considera o uso de um único
reagente com funções múltiplas visando reduzir o número de espécies químicas no
sistema e tornar mais eficiente a flotação e o desaguamento. Dependendo da condição
de estímulo, a superfície das partículas pode ser tornada hidrofílica ou hidrofóbica.
Partículas hidrofílicas tornam-se dispersas. Partículas hidrofóbicas tendem a se agregar
e também a se ligar a bolhas de ar. O polímero sensível à temperatura usado foi poli N-
isopropil acrilamida (PNIPAM). A temperatura crítica de transição é 32
0
C, agregação
hidrofóbica ocorrendo acima dessa temperatura, consolidação do sedimento com
liberação de água ocorrendo em temperaturas inferiores.
Propriedades estruturais do polímero como funcionabilidade, densidade de carga,
arquitetura e peso molecular, conformação e cobertura superficial da camada adsorvida
22
afetam o desaguamento (Mpofu et al., 2003a&b & 2004; Hogg, 1984; Gregory, 1976 &
1989; McFarlene et al. 2005; McFarlene et al. 2008); Addai-Mensah, 2007; Besra et al.,
2004; Tjipangandjara e Somasundaram, 1991).
McGuire et al. (2006) verificaram que um copolímero do tipo poliacrilamida
anionicamente substituída (carboxilato) é mais eficiente que o copolímero catiônico
amino substituído no desaguamento de dispersões de partículas de óxido de ferro
negativamente carregadas.
A modificação da química da polpa de dispersões de óxidos de ferro por efeito do pH e
da adição de NH
4
Cl afeta o potencial eletrocinético e a reologia de dispersão. A taxa de
desaguamento é aumentada pela adição de NH
4
Cl e pelo ajuste do pH para valores
próximos ao do ponto isoelétrico (Addai-Mensh e Ralston, 2004).
3.3 - Tratamento Mecânico da Água
3.3.1 - Flotação
A flotação é um processo de separação de partículas suspensas em meio líquido baseado
na propriedade da interface sólido-líquido. O processo de flotação é o inverso da
sedimentação, no qual as partículas acumulam-se na interface líquido-gás das bolhas de
ar, induzidas no meio líquido pelo borbulhamento de gás. As bolhas têm densidade
menor que a da fase líquida e migram para superfície arrastando as partículas
seletivamente aderidas, em função da afinidade da superfície da partícula com a fase
gasosa. Constitui-se numa aplicação muito importante, mas bastante complexa da
química de superfície. Devido à sua simplicidade operacional, o processo é utilizado
para separar uma grande variedade de sólidos, principalmente minerais. (Jafelicci, 2008)
De acordo com Kurita (1999) as substâncias que possuem densidades iguais ou menores
que a água, como os óleos, são separadas por flotação. Assim, partículas que
apresentam baixa densidade são facilmente flotadas em condições naturais. Neste
23
processo, bolhas de ar são geradas na água e a adesão das bolhas com as partículas
favorece o processo de flotação.
A flotação visa a remoção de partículas em suspensão e/ou flutuantes (fase dispersa) de
um meio líquido (fase contínua) para o caso em que a densidade da fase dispersa é
menor que a da fase contínua. As partículas da fase dispersa podem ser carreadas para a
superfície do tanque de flotação pelo aumento da força ascensional (empuxo) que sobre
elas atuam. Esse aumento da força ascensional se deve às bolhas do ar atmosférico de
pequeno diâmetro que, ao aderirem à superfície das partículas da fase dispersa, reduzem
a densidade aparente do conjunto partícula/bolha. O floco é formado por um conjunto
de partículas, em cujos interstícios as bolhas de ar ficam retidas.
De acordo com Ramaswamy et al (2006), a vantagem da flotação é a recuperação
seletiva de várias espécies e também é usada para limpeza de água contaminada com
óleo. O mecanismo envolvido no processo consiste em vários passos: primeiro,
aproximação de uma bolha de ar e uma gota de óleo; segundo, um filme de água muito
fino entre a bolha e a gota; terceiro, ruptura do filme de água além da espessura crítica;
quarto, união do óleo à bolha de ar; quinto, propagação do óleo na superfície da bolha; e
sexto, elevação rápida do conglomerado comparado a uma gota de óleo não fixada
devido a redução da densidade.
Macroemulsões, ou emulsões, são definidas como um sistema heterogêneo de um
líquido disperso na forma de gota de um outro líquido com tamanhos tipicamente entre
1 e 100µm de diâmetro e com cada gota tendo uma monocamada de surfatante ou
emulsão molecular como uma camada. Assim, as duas fases do liquido são imiscíveis,
quimicamente não-reativas e o sistema que elas formam é termodinamicamente instável.
As emulsões podem consistir de gotas de óleo dispersas em uma fase água contínua
(óleo em água) ou de gotas de água dispersas em uma fase contínua de óleo (água em
óleo). Este tipo de emulsão que é formada depende de muitos fatores incluindo a razão
água/óleo, a estrutura molecular e a concentração de surfatantes, a presença ou ausência
de eletrólitos, temperatura e pressão. A estabilidade da emulsão é em função da
quantidade de surfatante que é adsorvido na interface. Quanto mais surfatantes na
24
interface, a tensão interfacial é reduzida, e as moléculas surfatantes atuam como uma
barreira retardando a coalescência das gotas pela repulsão eletrostática/estérica. As
emulsões requerem um acréscimo de energia no sistema para sua formação. A energia
fornecida ao sistema atua para dispersar um líquido dentro de uma fase contínua como
gotas, enquanto a área interfacial aumenta. (James-Smith et al, 2007).
Os surfatantes sendo agentes ativos na superfície adsorvem em superfícies óleo/água. O
padrão no qual eles adsorvem é bem definido devido às propriedades do final de cada
molécula. As extremidades hidrofílicas têm afinidade pela água, enquanto as
hidrofóbicas têm afinidade pelo óleo. Isto significa que os surfatantes formam uma
película orientada e estabilizada.
Surfatantes são compostos anfifílicos não-poliméricos. Uma molécula de surfatante
consiste de um ou mais grupos hidrofílicos (sulfonato, carboxilato) e hidrofóbicos (uma
cadeia longa de hidrocarbonetos). O tipo e o número de grupos hidrofílicos afetam a
adsorção na superfície sólida e o comprimento da cadeia carbônica afeta sua
solubilidade ou dispersabilidade na água, e assim a maneira como ele é aplicado. O
mecanismo que tem sido aceito é que surfatantes reduzem a tensão interfacial ar-água.
A agregação de partículas finas é facilitada com o uso de combinação de surfatantes e
floculantes. (Besra, 1997)
De acordo com Rosen (1979), as moléculas presentes na superfície tem uma energia
potencial maior que as moléculas no interior do material. Isto é devido a uma interação
mais forte com as moléculas no interior da substância que ele faz com as moléculas
gasosas sobre ele. O trabalho requerido, entretanto, é trazer a molécula do interior para a
superfície. Agentes ativos na superfície tem uma estrutura molecular característica de
um grupo estrutural que tem muito pouca atração para com o solvente, conhecido como
grupo hidrofóbico, junto com um grupo que tem uma forte atração para com o solvente,
chamado de grupo hidrofílico. Quando o agente de superfície ativa é dissolvido no
solvente, a presença do grupo hidrofílico no interior do solvente causa uma distorção da
estrutura líquida do solvente, aumentando a energia livre do sistema. Numa solução
aquosa do surfatante esta distorção da água pelo grupo hidrofóbico do surfatante, e o
25
aumento resultante da energia livre do sistema enquanto ele é dissolvido, significa que
menos trabalho será necessário para trazer uma molécula surfatante para a superfície. O
surfatante ficará concentrado na superfície. Já que menos trabalho é necessário para
trazer as moléculas para a superfície, a presença do surfatante reduz o trabalho
necessário para criar uma unidade de área superficial (energia livre de superfície ou
tensão de superfície). Por outro lado, a presença do grupo hidrofílico impede o
surfatante de ser expelido completamente do solvente como uma fase separada.
Um solvente polar como a água é hidrofílico. Como a temperatura e as condições de uso
podem variar, modificações na estrutura dos grupos hidrofílicos e hidrofóbicos podem
tornar-se necessárias para manter a superfície ativa em níveis adequados.
A tensão superficial é a responsável pela formação das bolhas e pode ser entendida
como uma espécie de película que envolve os líquidos. A justificativa para este
fenômeno está no fato de que as moléculas situadas no interior de um líquido estão
sujeitas a força de atração igual em todas as direções, ao passo que as moléculas
situadas na superfície de separação líquido-ar estão submetidas à força de atração não
balanceada, o que resulta numa força preferencial em direção ao interior do líquido. O
maior número de moléculas se deslocará da superfície para o interior do líquido e a
superfície tende a contrair-se. (Jafelicci, 2007)
A linha de tensão pode afetar a estabilidade das emulsões. Sabe-se que pequenas
partículas sólidas e gotas líquidas podem ser usadas para afetar o sistema coloidal.
Assim, a molhabilidade das partículas (por água e por óleo) pode determinar o tipo de
emulsão formada, ou seja, água em óleo ou óleo em água. Na literatura o termo linha de
tensão é utilizado para “uma certa tensão linear” nos sistemas bi e tri-dimensionais.
(Amirfazli e Neumann, 2004)
De acordo com Shioi et al (2003), interfaces água/óleo ou líquido/ar, nas quais alguns
tipos de moléculas estão adsorvidas, apresentam instabilidades causadas pela tensão
interfacial. Quando os surfatantes ou alguns tipos de moléculas se movem do seio de
uma fase para outra, a energia livre decai para uma condição de equilíbrio.
26
3.3.2 - Filtração
A filtração é o processo que tem como função primordial a remoção de partículas
responsáveis pela turbidez; é o processo de purificação onde a água a ser tratada passa
através de substâncias porosas. Nas estações de tratamento de água, cabe a filtração a
função mais relevante, por se constituir na etapa em que as falhas, por ventura ocorridas
na coagulação, floculação e sedimentação, podem ser corrigidas assegurando a
qualidade da água tratada. Leitos de areia são muito utilizados uma vez que possibilitam
a penetração de impurezas da água bruta sem a deterioração imediata da qualidade do
efluente. A areia como meio filtrante apresenta algumas vantagens como o baixo custo e
resultados satisfatórios. Quando outro meio filtrante granular, como o antracito, é
utilizado o resultado obtido é uma elevada capacidade de filtração devido à formação de
multi-camadas do leito filtrante. O leito filtrante pode ser um leito simples de areia ou
carvão (antracito), um leito duplo de carvão sobre areia ou um leito misto de carvão,
areia e brita.
De acordo com Netto (1991), a filtração é um processo de separação sólido-líquido,
envolvendo fenômenos físicos, químicos e às vezes biológicos. Visa a remoção das
impurezas da água por sua passagem através de um meio poroso. Quando a velocidade
com que a água atravessa o leito filtrante é baixa, o filtro é denominado filtro lento.
Quando é elevada, é denominado filtro rápido. Um filtro rápido consiste em uma
camada de areia, ou em alguns casos de uma camada de um meio poroso mais grosso e
menos denso (antracito) colocado sobre a camada de areia, permitindo taxas de filtração
mais elevadas. A granulometria do antracito depende da granulometria da areia a ser
adotada, a fim de evitar a mescla indesejável das duas camadas.
Segundo Huisman (1979), como o filtro é um leito de material granular que remove
fisicamente material em suspensão da água que passa através dele, a única alteração na
qualidade da água que resulta da filtração é a redução dos sólidos em suspensão.
Durante o processo de filtração as impurezas são removidas da água, se acumulando nos
grãos e na abertura entre os grãos e o meio filtrante, e assim reduzindo o espaço do poro
efetivo prejudicando a qualidade da filtração já que há um aumento de pressão no fluxo
27
da água. Após algum tempo esta resistência criada torna-se tão elevada que é necessária
uma limpeza. A maioria dos filtros opera por um período limitado de tempo. Quando a
queda de pressão atinge um dado nível, o filtro é obstruído e requer limpeza por
retrolavagem. Partículas pequenas podem passar pelo filtro, daí ser importante a
preparação da água antes da filtração.
Tipicamente os filtros removem partículas sólidas entre 0,1 e 1000µm e o mecanismo
de transporte depende diretamente do tamanho da partícula. Para partículas maiores que
1 µm, qualquer aumento no tamanho da partícula aumentará a probabilidade de colisão
com o meio filtrante facilitando a sua captura. A remoção de sólidos suspensos em
filtros envolve duas etapas distintas: transportar a partícula suspensa para a interface
sólido-líquido presente no filtro e fixar a partícula na superfície. Algumas partículas já
fixadas podem se desprender devido ao aumento das forças de cisalhamento resultante
do filtro entupido.(Tansel e Vilar, 2004)
Sendo a filtração um processo físico e químico de purificação da água, existe um grande
número de variáveis que influenciam a sua eficiência e estas variáveis são
características, tanto da água a ser filtrada quanto do próprio filtro. O conhecimento do
modo pelo qual estes fatores afetam a eficiência da filtração cresceu muito rapidamente
e seu emprego no projeto e controle de operação tornou possível obter uma substancial
melhora qualitativa da água filtrada. Estes fatores são: temperatura da água,
filtrabilidade, tamanho, natureza, concentração e qualidade adesiva das partículas
coloidais e em suspensão. (Leme, 1979)
O carvão ativado granulado é ocasionalmente usado como meio filtrante, mas
geralmente os leitos de carvão são precedidos de areia que serve como proteção para os
leitos de troca iônica que se seguem. O carvão ativo absorve traços de cloro ou outros
oxidantes que podem prejudicar a resina catiônica e produtos orgânicos que obstruem
fortemente resinas aniônicas básicas. O carvão ativo também pode ser utilizado para
remover sabores, odores e outras impurezas. Em geral, o filtro de carvão ativo é de
fluxo descendente, de pressão vertical, contralavando com água. O carvão utilizado para
remover material orgânico dissolvido, entretanto, possui uma capacidade finita que é
28
determinada por suas propriedades e pela natureza do material orgânico. Quando
esgotado, o carvão granulado pode ser substituído por um novo ou por outro regenerado
termicamente (Huisman, 1979).
3.3.3 - Mecanismos da Filtração
Inicialmente acreditou-se que a ação limpadora dos leitos filtrantes era inteiramente
devida a retenção mecânica; porém, o simples processo de “coar” em um filtro, remove
só as partículas de matérias em suspensão, que são maiores do que os espaços entre os
grãos de areia. A maior parte das águas precisa ser filtrada ainda mesmo quando uma
coagulação/floculação/decantação controlada produz uma água com apenas 10 a 20ppm
de turbidez. Antes da água ser aplicada aos filtros, ela deve ser preparada por um
processo de coagulação/floculação/decantação. (Babbitt, 1962)
De acordo com Leme (1979), os efeitos do pré-tratamento na filtração se caracterizam
na redução da turbidez da água filtrada, que por sua vez se evidencia na qualidade da
água purificada sob o aspecto físico. Os efeitos qualitativos da água filtrada obtidos por
meio do pré-tratamento são previstos por meio da análise das duas mais importantes
características da água floculada, que são o grau de perfeição da floculação e da
resistência ao cisalhamento do floco obtido.
O tamanho da areia, a porosidade, a espessura do leito e a taxa de filtração, entre outras
variáveis, também poderão exercer um efeito profundo na qualidade da água filtrada,
quando a matéria floculada penetrar através do leito por falta de suficiente resistência às
forças de cisalhamento que aparecem no leito filtrante. (Leme, 1979)
Os aspectos fundamentais do processo de filtração – taxa de filtração e sentido de
escoamento – definem o tipo de filtro. A remoção de impurezas associada ao processo
de filtração traz uma combinação de diferentes fenômenos, tais como:
a) Tensão Mecânica: É o processo de remoção mais utilizado, removendo as partículas
suspensas que são tão grandes que passam pela abertura entre o grão de areia.
29
Assim, a superfície do meio filtrante é independente da taxa de filtração. Algumas
partículas suspensas podem ser amarradas convergindo espaços entre o meio
filtrante (intersticial) enquanto o movimento repentino da água, através dos poros do
meio filtrante, cria um gradiente de velocidade, trazendo partículas suspensas em
contato uma com a outra. A obstrução do meio filtrante reduz o tamanho dos poros
reduzindo a eficiência da filtração.
b) Sedimentação: Remove partículas suspensas de tamanhos tão pequenos que a
abertura dos poros pela precipitação na parte superior da superfície da areia, é
exatamente o mesmo caminho do sedimento. O depósito pode se formar na parte
inferior. Uma sedimentação eficiente é uma função da taxa entre essa superfície e a
velocidade de sedimentação da partícula suspensa.
c) Adsorção: É a ação mais importante no processo de purificação, removendo
partículas suspensas finamente divididas como impurezas moleculares. A força de
adsorção tem sua influência externa. O mecanismo de purificação por adsorção é
possível somente após outro mecanismo que traga as impurezas a serem removidas
para as vizinhanças da superfície de filtração. Muitos desses mecanismos de
transportes estão presentes no fluxo intersticial da água, como gravidade, inércia,
difusão, forças hidrodinâmicas e tubulares.
d) Atividade Química: É o processo pelo qual impurezas dissolvidas são quebradas ou
convergidas em compostos insolúveis após sedimentação ou adsorção.
Algumas observações podem ser notadas quando a água atravessa o meio filtrante: o
tamanho e a resistência do floco. As maiores partículas de flocos podem ser removidas
pela ação de coar efetuada na superfície do filtro e a maioria do material floculado
consegue introduzir no leito passando através do meio filtrante por milhares de
aberturas que existem, alojando-se no seu interior.
A disposição do meio filtrante em relação ao sentido de escoamento da água faz com
que a água mais impura encontre primeiramente o material mais grosseiro, de maior
30
porosidade. À medida que a água se livra de impurezas, no seu movimento vai
encontrando meios cada vez mais finos e de menor porosidade. Talvez o maior
problema com os filtros surge quando a perda de carga, em um nível qualquer do leito
filtrante, supere o peso da camada submergida acima desse nível, fluidificando-o e
permitindo que flocos anteriormente depositados passem para o efluente (água filtrada).
À medida que prossegue a filtração, pode haver um momento em que ocorre a
fluidificação do leito, aumentando a porosidade e permitindo ao material depositado ser
arrastado pela água. Observa-se que durante a filtração ocorre uma tendência à
fluidificação das camadas superiores de areia, o que ocasiona o arrastamento das
impurezas e de flocos retidos do topo do leito filtrante para o efluente. Além disso, as
primeiras águas produzidas pelo filtro, geralmente não satisfazem ao rigor da qualidade.
Reconhece-se a possibilidade de contaminação da parte superior do filtro pela própria
água de lavagem. (Netto, 1991)
Os filtros de areia constituem um leito de material granular (areia) retido por gravidade
e dotado de um escoamento vertical. A maior parte das espécies de filtros utilizados no
processo de clarificação da água são os filtros rápidos de areia e os filtros lentos de
areia.
3.3.4 - Filtros Lentos de Areia
De acordo com Mattenson e Orr (1987) geralmente são empregados na purificação de
águas de baixa turbidez e concentração de algas, quase sempre como única
potabilização, operando com taxas de 2 a 6 m
3
/m
2
.dia. Pela ausência da coagulação no
pré-tratamento, não ocorre o mecanismo de aderência, já que o meio filtrante não é
lavado por meio de velocidade ascensional que promove o choque entre os grãos para
que as partículas a eles aderidas sejam arrastadas com a água de lavagem.
Além da qualidade do efluente, a filtração lenta apresenta algumas vantagens: o fato de
prescindir da coagulação química torna a operação mais simples; as baixas taxas de
filtração que ocasionam a lenta evolução de perda de carga; e como conseqüência da
ausência da coagulação não há geração de lodo.
31
Diversos fatores intervêm no desempenho da filtração lenta. Podem ser citados as
características da água bruta e do meio filtrante – espessura e tamanho de grão – a taxa
de filtração. Contudo, há limitações de ordem prática. Grãos mais finos podem
contribuir para a colmatação mais rápida do meio filtrante. A taxa de filtração desses
filtros lentos é tão baixa que somente após um período de operação de semanas ou até
meses seria necessária a limpeza dos filtros. O material obstruído pode ser removido
pela restauração do filtro na sua capacidade original pela raspagem dessa camada suja
de areia.
Os filtros lentos de areia antigamente eram de uso comum, porém poucos filtros têm
sido construído nos últimos anos pois custam mais caro devido à maior área filtrante
requerida e não produzem os melhores resultados. De fato eles não são tão eficientes no
processo de clarificação de águas com turbidez elevada.
3.3.5 - Filtros Rápidos de Areia
Os filtros rápidos podem ser classificados como filtros de gravidade e filtros de pressão.
Nos filtros de gravidade a água passa através do leito filtrante só pela ação da gravidade.
Nos filtros de pressão é utilizada uma pressão hidráulica da tubulação do abastecimento
para forçar a água através do leito filtrante. (Babbitt, 1962)
O mecanismo da filtração rápida é extremamente complexo, envolvendo fenômenos
físicos (transporte, sedimentação, difusão) e físico-químicos (aderência por forças
intermoleculares e/ou eletrostáticas, ponte química) entre as partículas e os grãos do
meio filtrante. Durante a filtração, as partículas depositam-se no meio filtrante, e são
removidas pela ação de um ou mais dos fenômenos citados. À medida que aumenta o
volume de depósitos, a velocidade intersticial aumenta pela redução da porosidade, com
um correspondente aumento da perda de carga e das forças hidrodinâmicas de
cisalhamento arrastando, em conseqüência, uma certa quantidade de partículas para o
interior do leito filtrante. (Netto, 1991)
32
Segundo Huisman (1979), as partículas a serem removidas nos filtros rápidos de areia
com escoamento por gravidade apresentam dimensões diversas em função das quais
podem ser apreciadas. Esses filtros consistem de um leito constituído de material
granular (areia) retido por gravidade e são dotados de um escoamento vertical
descendente. O meio filtrante é normalmente suportado por um leito de cascalho. A
areia é colocada em uma série de camadas de variadas espessuras, variando desde o
cascalho grosseiro usado no fundo até as partículas de 0,1 polegadas do topo. O material
grosseiro absorve energia dos jatos de alta velocidade, que é necessária a atender às
seguintes finalidades:
- Difundir uniformemente o escoamento sob a área total do leito de areia durante a
operação de lavagem;
- Suportar a areia de modo que ela não possa sair do filtro durante a filtração.
Como conseqüência da significativa área devido às elevadas taxas de filtração, os filtros
rápidos – principalmente os de gravidade e com escoamento descendente – constituem-
se no tipo mais utilizado. Os filtros rápidos distinguem-se entre si pela natureza e
sentido de escoamento e pelo tipo de meio filtrante. A taxa de filtração é tão elevada
que a necessidade de limpeza pode ocorrer em poucos dias. A limpeza dos filtros
rápidos é possível pelo processo de retrolavagem, onde o fluxo da água é invertido
expandindo o meio filtrante e arrastando as impurezas acumuladas. (Mattenson e Orr,
1987).
Quando um filtro é colocado em serviço, quase todas as partículas de floco passam
através do leito, e a turbidez da água filtrada fica longe do padrão desejado. Em virtude
do material floculado se alojar entre os grãos de areia, a medida que a água é filtrada, a
areia livre fica reduzida e o leito passa a oferecer uma resistência crescente ao
escoamento da água. À medida que o escoamento prossegue, as condições do leito
continuam a mudar; a taxa de escoamento aumenta através das maiores aberturas e
diminui através das menores. A Figura 3.5 apresenta um esboço mostrando o que ocorre
num meio filtrante. Nos canais onde a água escoa com velocidade alta ocorre pouca
deposição de material floculado. A água conduzindo sedimentos se movimenta através
33
dos canais até atingir vazios que ainda não foram obstruídos, neles se espalhando,
ocorrendo o alojamento dos flocos. Quando os vazios que existem em volta da areia se
encherem, os flocos previamente decantados passam a oferecer resistência ao
escoamento e novos canais então se formam através das áreas ainda não perfuradas
conduzindo a água para setores que ainda não foram obstruídos. (Leme, 1979)
À medida que o escoamento prossegue, as condições do leito continuam a mudar; a taxa
de escoamento aumenta através das maiores aberturas e diminui através das menores e
das que forem parcialmente obstruídas. Resulta disto que muitos dos maiores caminhos
por onde a água flui, permanecem quase livres de material depositado, como pode ser
observado na Figura 3.8.
Figura 3.8: Esboço Mostrando o que Ocorre num Leito Filtrante. (Leme, 1979)
O filtro é limpo periodicamente com água filtrada por meio de reversão do escoamento
e a descarga da água carregada de sedimentos é feita por meio de dreno. Os filtros
rápidos de areia são projetados de modo que o escoamento da água de lavagem se dirija
para cima e levante o sedimento removido do meio filtrante expandido, conduzindo-o
para fora do leito em um ponto de escoamento. (Leme, 1979)
A filtração rápida consiste na conjunção de mecanismos de transporte e aderência. Os
primeiros constituem-se fenômenos físicos e hidráulicos afetados pelos parâmetros que
Filtração de Superfície
Modo de penetração do material
coagulado no leito
A B C
34
governam a transferência de massa. Os mecanismos de aderência são influenciados por
fenômenos predominantemente químicos, tais como a formação de pontes químicas,
quando se utiliza polímero como coagulante – forças eletrostáticas e de van der Waals,
balizados por parâmetros físicos e químicos também interferem nas etapas de
coagulação e floculação. Assim, espera-se remover na filtração uma ampla gama de
partículas. (Libânio, 2005)
De acordo com Williams et al (2007), a filtração rápida de água potável tem sido
praticada muito mais extensivamente que para água de reuso. Alguns estudos
demonstraram que a coagulação melhora o desempenho da filtração e
conseqüentemente torna comum o uso de coagulante antes da etapa de filtração de água
de reuso. Um pico na turbidez foi observado quando os filtros iniciaram, devido a
existência de água de retrolavagem no filtro. A coagulação reduziu a turbidez da água
para próximo de 1 NTU, que pode refletir no tamanho e distribuição de novas partículas
devido a precipitação do coagulante.
3.3.6 - Meio Filtrante
De acordo com Libânio (2005), na maioria dos filtros utilizados para o tratamento de
água o meio filtrante assenta-se sobre a camada do cascalho ou pedregulhos
denominada de camada suporte. O meio filtrante e a taxa de filtração possuem uma
correlação direta. A partir da taxa de filtração a ser utilizada – isto definirá os filtros
como rápidos ou lentos – estabelece-se o meio filtrante. Assim, pode-se definir a taxa de
filtração a ser aplicada. Pela conjunção de ambos, define-se o nível inicial de operação,
a partir da perda de carga inicial (perda de carga no meio filtrante limpo adicionada à do
sistema de drenagem e tubulações), estima-se o nível de água para lavagem e a altura do
filtro.
Além da espessura, os meios filtrantes caracterizam-se por:
- Tamanho e distribuição dos grãos: Este item é importante no desempenho dos
filtros, seja na qualidade do efluente ou na vida útil do filtro.
35
- Esfericidade: sua importância concentra-se na determinação da perda de carga no
meio filtrante e na estimativa da velocidade de lavagem. O coeficiente de
esfericidade relaciona-se à porosidade do meio filtrante e, por conseqüência, à
capacidade de armazenamento de partículas, aumentando a vida útil do filtro.
- Porosidade: consiste na razão entre o volume de vazios e o dos grãos. À medida que
o coeficiente de esfericidade cresce, reduzem-se os vazios intergranulares e, em
conseqüência, a porosidade. Grãos mais granulares ou triturados tendem a
apresentar maior porosidade. A porosidade também ajuda na estimativa de perda de
carga no meio filtrante por ocasião do início do funcionamento e na lavagem.
- Densidade: na essência, não interfere na retenção de partículas, mas apresenta-se
como característica na lavagem do meio filtrante, encontrada nos filtros rápidos.
- Dureza: consiste na resistência dos grãos à fragmentação, auxiliando na vida útil do
filtro. O antracito e o carvão ativado apresentam dureza inferior em relação a areia.
As características apresentadas na Tabela 3.1 justificam o emprego de filtros de camada
dupla (areia e antracito), como o meio filtrante mais utilizado. Por possuir menor
densidade que a areia, a camada de antracito mantém-se acima da de areia por ocasião
das lavagens. Além disso, a maior porosidade permite penetração mais significativa das
partículas através do meio filtrante, prolongando a duração das carreiras mesmo para a
significativa elevação das taxas de filtração. (Libânio, 2005)
TABELA 3.1: Características do Meio Filtrante
Característica/Meio Filtrante Areia Antracito Carvão ativado
Densidade
2,65 1,45 a 1,73 1,3 a 1,5
Porosidade (%)
42 a 47 56 a 60 50
Esfericidade
0,7 a 0,8 0,46 a 0,60 0,75
Fonte: Cleasby e Logsdon (1999) – Libânio, 2005.
De acordo com Netto (1991), com a finalidade de aumentar a capacidade de
armazenamento do leito filtrante, de tal forma que os sólidos removidos sejam
distribuídos mais uniformemente entre as camadas mais profundas do leito, tem-se
empregado o antracito, com tamanho efetivo aproximadamente igual ao dobro do da
areia. O antracito, sendo de menor densidade, tende a permanecer sobre a camada de
36
areia, após a lavagem em sentido ascendente. A disposição das camadas de antracito e
areia sobrepostas com granulometrias diferentes representa uma aproximação da
filtração ideal, na qual a água deveria passar no leito filtrante através de grãos cada vez
mais finos, no sentido de diminuição da porosidade.
As propriedades do meio filtrante desempenham um fator preponderante na eficiência
da filtração. Se bem que sejam fixadas em projeto, podem ser alteradas posteriormente
para melhorar a qualidade do efluente ou quando se necessita aumentar a capacidade
dos filtros ou mesmo reconstruí-los. As características do meio filtrante que exercem
uma influência na eficiência dos filtros são: o tamanho, a forma, e a distribuição dos
grãos, a porosidade e a profundidade de leito. (Netto, 1991)
3.3.7 - Lavagem do Meio Filtrante
A retrolavagem dos meios filtrantes é um processo mais crítico que a própria filtração.
Mas algumas tolerâncias podem ser aceitas a partir da taxa de filtração ou do tamanho
do meio filtrante sem afetar muito a eficiência do filtro. Taxas de retrolavagem
incorretas podem levar a perda do meio filtrante. De acordo com Colton et al (1996), a
remoção das partículas em suspensão pelo meio filtrante é mais eficiente após o
processo de retrolavagem; esta melhora é conhecida como período de maturação e isto
tem sido a chave para o tratamento de água industrial. Após o processo de retrolavagem
foi observada a presença de partículas retidas no meio filtrante, e foi observada uma
forte correlação entre a maturação e o volume de partículas capturadas. Dessa forma, o
retorno de uma limpeza dos filtros serve de retenção de partículas reduzindo a passagem
de outras partículas durante a maturação.
De acordo com Amburgey (2004), a maturação do filtro, período de degradação da
qualidade do efluente imediatamente após a retrolavagem, é um problema conhecido
nos tratamentos de água. O período de maturação tem sido estudado por vários
pesquisadores e foi encontrado que mais de 90% das partículas passando através de um
filtro bem operado podem produzir o efeito de maturação. O período de maturação do
filtro não é um entendimento completo e a passagem das partículas nem sempre é bem
37
controlada. Dessa forma esta água filtrada durante o período de maturação é descartada.
Procedimentos envolvendo a adição de coagulante na água de retrolavagem (polímeros)
ao filtro durante a atividade de retrolavagem tem sido aplicada. Há evidências que a
adição de polímeros durante uma filtração pode reduzir a turbidez durante o período de
maturação.
O filtro é limpo periodicamente com água por meio de reversão do escoamento. Os
filtros rápidos de areia são projetados de modo que o escoamento da água de lavagem se
dirija para cima e levante o sedimento removido do meio filtrante expandido,
conduzindo-o para fora do leito em um ponto de escoamento.
De acordo com Netto (1991), os filtros rápidos são lavados a contracorrente (por
inversão de fluxo), com uma vazão capaz de assegurar uma expansão adequada para o
meio filtrante. Estudos recentes tem evidenciado que a colisão e a abrasão das partículas
durante a lavagem tem pouca ou nenhuma ação na limpeza do meio filtrante, sendo a
ação das forças cortantes hidrodinâmicas, resultantes do fluxo ascensional da água entre
as partículas, que produz o efeito desejado. Convém observar que as características do
meio, tais como tamanho efetivo, coeficiente de uniformidade e peso específico têm
mais influência do que a própria velocidade de lavagem, desde que ocorra a fluidização
do meio. Se a lavagem for inadequada, permanece aderida uma película de flocos ou
impurezas em volta dos grãos. Essa película sendo compressível, a medida que aumenta
a perda de carga através do meio filtrante, os grãos são comprimidos uns aos outros,
surgindo então fendas e gretas.
O processo de retrolavagem é um estágio vital na eficiência da operação dos filtros
rápidos. A operação de retrolavagem consiste em reverter o fluxo de água para remover
os depósitos com a própria água. A retrolavagem pode ser acompanhada por alguns
métodos auxiliares de limpeza tais como ar ou jatos de água. Os tipos mais comumente
utilizados são: (i) somente água a uma taxa para fluidizar o leito, (ii) ar seguido de água,
(iii) simultaneamente ar e água. Os processos de filtração e retrolavagem no ciclo
operacional estão intrinsecamente ligados. Retrolavagem ineficiente afetará os ciclos
subseqüentes de filtração. Similarmente, mudanças nas condições de filtração como
38
aumento da concentração do efluente pode reduzir a eficiência ou o regime fixado da
retrolavagem. (Hall e Fitzpatrick, 2000)
Segundo Huisman (1979), quando se inicia a lavagem os grãos de areia não se movem
separadamente através do leito com rapidez uniforme. É necessário certo tempo de
lavagem para que a areia se equilibre durante a expansão e, se o início for repentino, isto
ocasionará um levantamento completo do leito acima do cascalho que produzirá um
vazio entre ele e a areia, rompendo-se o leito num ou vários pontos e desmoronando-se
a camada superior do cascalho (Figura 3.6). Esta ocorrência, que exige uma
reconstituição da camada de cascalho, evidencia a necessidade de ser evitada, o que se
consegue providenciando-se na instalação a possibilidade de se abrir sempre gradual e
lentamente a válvula de lavagem.
Em leitos constituídos de antracito, existe a necessidade da expansão do leito se
processar até atingir um nível acima dos jatos com o objetivo de se evitar a perda de
antracito, que é lançado para fora do leito com maior facilidade que a areia em virtude
da turbulência da água de lavagem superficial. (Leme, 1979)
A Figura 3.9 apresenta o modo como a areia borbulha no início da lavagem. Observe
que há um deslocamento das partículas do meio filtrante.
Figura 3.
9
:
Areia
B
orbulhando no
I
nício da
L
avagem.
(Leme
, 1979)
39
De acordo com Stevenson (1995), na prática, os meios filtrantes não possuem o mesmo
tamanho de grão; isto pode variar com o tamanho da partícula e sua distribuição. Se a
lavagem é sem a corrente de ar inicial, logo se formarão lacunas; mas se a corrente de ar
é utilizada o meio filtrante pode compactar até 38% das lacunas formadas na expansão.
Segundo Leme (1979), como resultado de deficiências de lavagens do leito filtrante
podem ocorrer modificações dos leitos da areia e do cascalho que influem de maneira
prejudicial na eficiência qualitativa da água filtrada. Estas modificações consistem em:
- Distúrbios produzidos na camada de cascalho por jatos de velocidades elevadas,
resultantes do emprego de altas taxas de lavagem. Estes distúrbios, que constituem
na desarrumação do cascalho, contribuem para a ocorrência de fuga de areia através
da água filtrada.
- Formação de bolas de lama no meio filtrante como resultado de lavagens
inadequadas, que permitem acumulação e compactação de materiais retidos durante
a filtração e não removidos na lavagem.
- Compressões produzidas no leito filtrante, devido a pressões exercidas sobre ele
pela água acumulada acima da sua superfície, por causa do aumento da perda de
carga e do recobrimento da superfície por uma camada mole de material removido
na filtração.
A perda do meio filtrante durante o processo de retrolavagem é mencionada por Humby
e Fitzpatrick (1995). Foi realizado um estudo sobre a perda do antracito utilizando a
fase ar. Foi observada uma perda de aproximadamente 5% em massa e seu tamanho foi
reduzido em 2,5%, ou seja, o atrito ocasiona a quebra do material tornando sua função
ineficiente. Foi utilizado um teste acelerado de retrolavagem para determinar a perda do
meio filtrante.
Quando, num filtro, os grãos de areia se acham limpos, eles se equilibram entre si e, a
não ser que ocorra alguma vibração do filtro, existirá pequena compactação no leito à
medida que cresce a perda de carga. Se, entretanto, os grãos de areia forem cobertos por
40
uma camada mole, o leito será comprimido à medida que aumentar a perda de carga,
podendo então formar trincas.
A operação de lavagem dos filtros (Figura 3.10) dá-se em fluxo ascendente, na maioria
dos casos objetivando a fluidização do meio filtrante. A ressalva quanto à maioria
refere-se ao emprego da lavagem auxiliar com ar quando essa não visa a expansão do
meio filtrante, como no caso dos filtros de camada simples de maior espessura.
Problemas com meio filtrante, tais como formação de bolas de lama e sulcos na
superfície, traduzem o principal resultado de sucessivas lavagens ineficazes,
culminando com a queda de qualidade do efluente e a substituição do meio filtrante.
Essas situações não ocorrem no caso de filtração lenta. (Huisman, 1979)
FIGURA 3.10: Processo de Retrolavagem. (Huisman, 1979)
De acordo com Humby e Fitzpatrick (1995), a retrolavagem utilizando somente água
em seu processo mostrou-se ineficiente devido ao número limitado de impactos que
ocorrem entre os grãos. A maioria das limpezas mostrou-se efetiva com a combinação
ar e água, favorecendo o atrito entre os grãos. A Figura 3.11 mostra que há uma
variação do atrito em função do tempo que decresce exponencialmente. Isto ocorre
devido à primeira ruptura (remoção acentuada dos cantos e bordas) ser inicialmente
41
rápida. A Tabela 3.2 apresenta as alterações no tamanho e distribuição do meio filtrante
antes e após a retrolavagem.
FIGURA 3.11: Variação das Partículas do Meio Filtrante em Função do Tempo
para Areia e Antracito. (Humby e Fitzpatrick, 1995)
TABELA 3.2: Tamanho médio e coeficiente de uniformidade dos meios filtrantes
antes e após a retrolavagem
Meio Filtrante Tamanho (d
5%
-d
95%
)
Coeficiente de
Uniformidade
Antracito – antes 1,18-2,45 1,50
Antracito – depois 1,24-2,36 1,45
Areia – antes 1,07-1,94 1,36
Areia - depois 1,07-1,85 1,26
Fonte: Calculado de acordo com a BEWA (1993) – Humby, 1995.
Fitzpatrick (1997) utilizou a técnica de endoscopia para avaliar a agregação e separação
de partículas no meio filtrante. Durante a retrolavagem há um movimento rápido e
vigoroso dos grãos e a separação dos depósitos. A agitação do meio filtrante causada
pelo colapso de bolhas de ar resulta na variação de pressão no leito filtrante. Essa
variação de pressão pode ser monitorada estabelecendo condições de fluxo resultando
no movimento do grão e abrasão do meio e assim uma limpeza mais eficiente. A
lavagem do meio filtrante utilizando somente água apresentou pouca floculação devido
a pouca agitação dentro do leito. Isto era esperado já que a lavagem com água causa
Antracito
Tempo (h)
Antracito
% inicial médio em efluente (wt/l)
42
pouca abrasão do grão. A lavagem do meio filtrante utilizando a corrente de ar afeta a
porção superior do leito. Isto aumenta a agitação com o colapso de bolhas, favorecendo
o atrito entre o meio filtrante resultando numa limpeza mais eficiente.
As bolas de lama constituem-se de aglomerados de partículas e grãos de meio filtrante,
de dimensões de 5cm, que não foram rompidos durante a lavagem. Com o passar do
tempo, esses aglomerados consolidam-se, podendo avançar em direção ao fundo do
filtro, e fazem com que a água (e também ar quando utilizado) crie caminhos
preferenciais na sua vizinhança favorecendo o aparecimento de fissuras na superfície do
meio filtrante que geralmente se iniciam nas paredes dos filtros. Em estações de
filtração direta, nas quais se utilizam polímeros como auxiliares na coagulação, as
principais funções desses compostos orgânicos são favorecer a aglutinação e aumentar a
resistência dos microflocos (concorrem para agravar o problema da formação dessas
bolas de lama). Com o aumento da resistência e da densidade da lama, reduz-se a
possibilidade de que sejam arrastadas durante a lavagem e aflorem na superfície do
meio filtrante, aumentando a perspectiva de maior penetração no interior do meio
filtrante. Para filtros de escoamento ascendente, a velocidade mínima eleva-se para
80cm/mim e tempo mínimo de lavagem para 15min.
Segundo Libânio (2005), para filtros de camada dupla, o emprego de lavagem auxiliar
com ar tem-se mostrado eficiente na limpeza do meio filtrante e em evitar a formação
de bolas de lama. O ar vem de compressores de baixa pressão (aproximadamente 50
KPa) e escoa em tubulação própria. A lavagem com ar ocorre por cerca de 2 a 4
minutos, e a lavagem com água por 4 a 6 minutos, após o desacionamento do
compressor. Recomenda-se, logo após o término da aplicação do ar, baixar a velocidade
ascensional de lavagem para facilitar a expulsão de bolhas de ar que possam estar
aderidas ao meio filtrante. Em algumas estações, há um período de duração da lavagem,
da ordem de 2 minutos, no qual o ar é aplicado simultaneamente à água, esta com
metade da velocidade ascencional definida para plena expansão do meio filtrante.
A recomendação da norma NBR 12216 de tempo mínimo de lavagem de 10 a 15
minutos, dependendo do tipo de filtro, objetiva assegurar um mínimo de eficiência da
43
operação, pela impossibilidade de se prever o grau de colmatação do meio filtrante.
(Libânio, 2005).
Durante a filtração, ocorrem dois tipos de perda de carga: turbulentas e laminares. As
perdas turbulentas são localizadas e contínuas, resultando do escoamento através do
sistema de drenagem do fundo do filtro, sobre o qual se assenta o meio filtrante, e das
tubulações adjacentes, incluindo registros, curvas que conectam os filtros entre si e ao
tanque de contato. As perdas de carga laminares sucedem-se através do meio filtrante e
da camada suporte que o regime de escoamento acaba por caracterizá-las. Definidas as
características do meio filtrante e a temperatura da água, a perda de carga passa a ser
função da taxa de filtração. A medida que a filtração evolui, a retenção de partículas
reduz a porosidade e aumenta a magnitude da perda de carga (Libânio, 2005).
A limpeza usada nos filtros de água industriais tem sido um processo de pouco
entendimento. Filtros rápidos tem sido usados como um polimento final após a
coagulação e a sedimentação, ou como um estágio grosseiro para remoção de partículas
preliminares antes da filtração lenta. Estes filtros requerem limpeza quando os sólidos
capturados ficam retidos no leito filtrante. O processo de limpeza é a retrolavagem,
porém a prática utilizando ar promove a perda de partículas. (Chipps et al, 1993)
3.4 – Fluidização
As características de um leito fluidizado poderão ser melhor compreendidas
examinando o comportamento de um sólido dividido, quando em seu interior passar um
fluido.
De acordo com Gomide (1980), ao atravessar o leito poroso, o fluido perde pressão,
porém não movimenta as partículas. A medida que aumenta a velocidade do fluido, a
perda de pressão também aumenta, a princípio linearmente e depois aproximadamente
com a potência de 1,8 da velocidade. O aumento da perda de carga do fluido através do
leito prossegue até que as partículas sólidas fiquem soltas umas das outras. Este estado
pode ser classificado como calmo/tranqüilo. Cada partícula é separada das que a
44
circundam pela fase fluida. O sistema apresenta as características de um fluido, e como
tal, cede sob a ação de qualquer esforço externo, permite a flutuação de corpos menos
densos do que o leito, que causam até a formação de ondas na superfície. No entanto,
por estarem soltas uma das outras, as partículas ainda são livres para se movimentarem
de um ponto a outro do leito.
Se a velocidade continuar a aumentar, a perda de carga variará de modo apreciável
porque a perda de atrito nas paredes é relativamente pequena em comparação ao peso do
leito, porém a característica do leito poroso continuará sofrendo alterações importantes.
Há primeiro uma expansão do leito e depois as partículas separam-se uma das outras,
começando a se movimentar. Neste ponto a perda de carga pode até diminuir um pouco
em virtude do aumento da porosidade e começa propriamente a fluidização do leito. As
partículas passam a se movimentar desordenadamente de modo vigoroso no interior do
leito. De fato, a velocidade do fluido no leito é muito maior do que acima dele e quando
uma partícula sólida é arrastada, ela acaba retornando ao leito, ao menos que seja muito
fina. Mesmo havendo arraste de partículas finas, a maior parte do sólido ainda
permanece no leito. (Gomide, 1980)
A técnica do leito fluidizado envolve a suspensão do sólido finamente dividido numa
corrente ascendente do fluido numa velocidade suficientemente elevada para causar a
flutuação e a movimentação vigorosa das partículas. O sistema fluidizado é uma
suspensão que possui a maioria das características normalmente apresentadas pelos
fluidos verdadeiros.
Segundo Hartman et al (2007), durante qualquer tratamento de água de reuso lamas
problemáticas são inevitavelmente formadas, com composição e propriedades que
variam amplamente com sua origem e com a tecnologia de tratamento empregada.
Todos os indicadores sugerem que a produção de lama continuará crescendo e é
necessário encontrar um descarte viável para este subproduto. A lama de água de reuso
é uma suspensão diluída de uma variedade de colóides e pode ser secada em um leito
fluidizado. Em geral, leitos fluidizados podem ser operados de diferentes modos. Do
ponto de vista de engenharia, dois estados hidrodinâmicos de um leito devem ser
45
sempre considerados: o início da fluidização, que ocorre a uma velocidade mínima de
fluidização, e o início do arraste, que ocorre muito próximo da velocidade terminal do
leito de partículas.
3.4.1 – Condições da Fluidização
As condições propícias para uma boa fluidização dependem do estado físico e das
características de sólido, principalmente densidade e granulometria. Segundo Gomide
(1980), as partículas movimentam-se individualmente de modo desordenado através do
leito. O comportamento do sistema é aproximadamente independente do tamanho e da
forma das partículas e o próprio percurso é relativamente constante. Quando um sólido é
fluidizado por este mecanismo, não há expansão apreciável do leito estático antes da
fluidização. Isto ocorre quando o fluido e o sólido tem a mesma densidade.
Fitzpatrick (1997), utilizou a técnica de endoscopia para estudar a agregação e a
separação das partículas no leito filtrante. Durante a retrolavagem nos filtros rápidos de
gravidade há um movimento rápido dos grãos e separação de depósitos, onde foi
utilizado um vídeo para ver dentro do leito na escala do grão. As imagens obtidas de
dentro do leito filtrante foram utilizadas para medir a velocidade do grão de areia, dando
uma indicação de como é vigorosa uma retrolavagem, e a imagem indica quando o leito
é limpo.
A agitação do leito filtrante causado pelo colapso de bolsas de ar resulta na variação de
pressão no leito filtrante. Essa variação de pressão pode ser monitorada estabelecendo
condições de fluxo resultando no movimento do grão e abrasão do meio e assim uma
limpeza mais eficiente. A Figura 3.12 apresenta sinais da sonda durante a fluidização
somente com água e corrente de ar para diferentes velocidades de ar e água. Os sinais
mostram pouquíssima floculação, como houve pouca agitação dentro do leito. Isto era
esperado, já que a lavagem com água causa pouca abrasão do grão ou do leito
floculante. Amirtharajah (2004) observou que somente a corrente de ar afeta a porção
superior do leito. Quando a combinação de ar e água foi utilizada, o sinal de pressão
mostrou um aumento na atividade com alterações visíveis com o aumento da velocidade
46
da água. Isto foi confirmado com as imagens de vídeo. A agitação do leito foi evidente
com o colapso de bolhas no leito e nas zonas mortas, confirmado pelo pequeno ou
nenhum movimento dos grãos de areia. (Fitzpatrick, 1997)
FIGURA 3.12: Flutuação da Pressão a Diferentes Velocidades de Água e Ar.
(Fitzpatrick, 1997)
Vários modelos de filtração têm sido desenvolvidos para descrever o processo de
deposição para filtros rápidos. Em contraste, poucos modelos têm sido desenvolvidos
para descrever o processo de retrolavagem, particularmente em termo de volume de
depósitos para serem removidos do leito e o tempo utilizado para um bom regime de
retrolavagem. (Hall e Fitzpatrick, 2000)
A retrolavagem simultânea com ar e água envolve três fases: uma líquida (água), uma
gás (ar) e uma fase sólida (areia). Poucos trabalhos analíticos têm sido cuidadosos com
as propriedades fundamentais do sistema da retrolavagem usando ar e água
simultaneamente particularmente com atenção à hidrodinâmica e às fases individuais.
Temperatura = 16°C
Diferença de pressão (cm H
2
O)
Tempo (s
)
Diferença de pressão (cm H
2
O)
Tempo (s)
Temperatura = 16°C
29.25 m/h
19.8 m/h
18.9 m/h
18.0 m/h
9.0 m/h
Vw=45m/h
Somente água Vw=45m/h
Somente ar
Va=70m/h
Somente ar Va=50m/h
Va=Vw=0m/h
47
De acordo com Cassanelo et al (1995), a hidrodinâmica do leito fluidizado gás-sólido é
um sistema caótico. O comportamento caótico pode originar do movimento das
partículas e, consequentemente, também pode interferir nas propriedades do sólido na
fluidização. (Fitzpatrick e Hall, 1999)
3.4.2 – Interfaces Fluidas
De acordo com Sissom e Pitts (1972), um fluido por sua natureza, deve formar
interfaces com um sólido ou com outros fluidos. O comportamento de um fluido numa
interface depende das forças relativas de coesão, a atração mútua entre as moléculas de
um fluido, e de adesão, a atração entre as moléculas de um fluido e as moléculas de uma
superfície adjacente. Uma molécula fluida no interior de um corpo fluido é atraída, com
igual intensidade e superfícies opostas, pelas moléculas adjacentes. Contudo, uma
molécula sobre uma superfície fluida não pode ser atraída igualmente em todas as
direções, podendo ser atraída mais por um contorno sólido.
As superfícies livres assemelham-se a membranas flexíveis, necessitando de energia
para alterar suas formas. Essa energia de superfície é denominada tensão superficial e é
a força atuante sobre uma linha da superfície livre de um líquido por unidade de
comprimento. Quando um corpo fluido for grande e as interações da superfície forem
desprezíveis, dizemos que a superfície externa é uma superfície livre.
3.5 - Agentes de Limpeza para Equipamentos de Tratamento de Água
De acordo com Kurita (1999) o uso do filtro durante um longo tempo acumula
gradualmente sujeira na superfície do filtro dificultando sua remoção no processo de
retrolavagem (Figura 3.13). A sujeira acumulada causa vários problemas na operação de
filtragem como:
- Aumento da diferença de pressão entre a válvula de entrada e a válvula de saída
resultando na redução da taxa de filtração;
- Aumento no consumo de carga e eletricidade da bomba;
48
- Deterioração da qualidade da água filtrada;
- Aumento na freqüência de retrolavagem e da quantidade de água consumida na
retrolavagem;
- Aumento das freqüências de reposição de meios filtrantes elevando o custo.
O tipo de sujeira varia de acordo com a característica da água a ser filtrada, tais como:
lama, lodo, óleos e graxas, óxidos e hidróxidos metálicos, excesso de coagulante e
floculante.
Antes da limpeza Após a limpeza
FIGURA 3.13: Amostras de Meio Filtrante Antes e Após a Limpeza (Kurita,
1999).
Dessa forma existem alguns tipos de agentes de limpeza utilizados para limpeza dos
filtros tais como ácidos, álcalis, surfatantes e microbicidas. Estes agentes são utilizados
de acordo com a composição da sujeira aderida nos filtros. A combinação de álcalis e
surfatantes é geralmente usada para conter sujeira de alta concentração de óleos. Ácidos
são usados geralmente junto com surfatantes para remover óxidos metálicos. A
combinação de biocidas e surfatantes é usada para remover lodos.
De acordo com Kurita (1999), os agentes de limpeza química apresentam vantagens e
desvantagens de acordo com a composição, tipo e quantidade de sujeira. O ácido
clorídrico é freqüentemente usado para limpezas químicas devido a seu forte poder de
dissolução (exceto para a sílica) e por ser economicamente viável. Além disso, os sais
formados pela reação são altamente solúveis e sua redeposição ocorre muito raramente
na neutralização do processo após a limpeza ácida. As condições da superfície após a
limpeza são melhores. Porém, o ácido clorídrico pode causar corrosão por pite pelos
49
íons cloreto. Outra desvantagem do ácido clorídrico é a formação do gás cloro para o
meio ambiente. Juntamente com o ácido clorídrico podem ser utilizados inibidores de
corrosão minimizando o efeito da corrosão.
Várias substâncias orgânicas com relativamente alta massa molar, como as aminas
alifáticas, são geralmente usadas como inibidores de corrosão para limpeza ácida. Um
inibidor típico de corrosão tem dois tipos de grupos funcionais; um deles é um grupo
polar para adsorver na superfície metálica e outro é um tipo de hidrocarboneto
hidrofóbico. Este tipo de inibidor forma um filme protetivo na superfície metálica
(Figura 3.14).
FIGURA 3.14: Modelo esquemático da formação do filme protetivo pela adsorção
do inibidor. (Kurita, 1999)
Vários fatores influenciam no efeito da limpeza química e a corrosão metálica ao
mesmo tempo. Entretanto, as condições de limpeza apropriada definem o tipo de efeito
resultante. A dosagem e a concentração do agente de limpeza podem remover uma
quantidade maior que a calculada de sujeira. A velocidade é outro fator relevante; a
concentração do agente de limpeza é reduzida na superfície porque é consumido
reduzindo o efeito da limpeza – a alta velocidade do fluxo acelera a remoção mecânica e
também acelera a velocidade de corrosão. (Kurita, 1999)
3.6 – Óleos
Segundo Young (1979), óleos e graxas podem ser caracterizados de três maneiras: pela
polaridade, biodegradabilidade e características físicas. Óleos e graxas polares
Hidrocar
boneto
Grupo
polar
50
normalmente são derivados de material animal e vegetal. Em geral é de conhecimento
que óleos e graxas polares são biodegradáveis e, portanto, tornam-se parte da carga
orgânica que deverá ser tratada num processo biológico. Óleos e graxas não-polares
geralmente são derivados do petróleo ou fontes minerais e geralmente são considerados
não-biodegradáveis. Pelas características físicas, óleos e graxas geralmente são
indicados como não-flotáveis ou dispersado (emulsificado) versus não-dispersado.
3.6.1 - Óleos Minerais
São os mais importantes para o emprego da lubrificação. Os óleos minerais são obtidos
do petróleo a partir da destilação. Os óleos lubrificantes minerais podem ser
classificados em naftênicos e parafínicos que apresentam propriedades peculiares de
acordo com suas aplicações. Pode-se pela refinação adequada melhorar a resistência e a
oxidação do lubrificante, abaixar seu ponto de fluidez e aumentar seu índice de
viscosidade. A Tabela 3.3 apresenta algumas características dos óleos minerais.
TABELA 3.3: Características dos Óleos Minerais
Características Parafínicos Naftênicos
Ponto de Fluidez Alto Baixo
Índice de Viscosidade Alto Baixo
Resistência a Oxidação Grande Pequena
Oleosidade Pequena Grande
Resíduos de carbono Grande Pequeno
Emulsibilidade Pequena Grande
Fonte: Albuquerque, 1977.
3.6.2 – Óleos Lubrificantes
De acordo com Moura e Carreteiro (1975), definem-se como lubrificantes substâncias
que, interpostas entre duas superfícies, em deslocamento relativo, diminuem a
resistência ao movimento. A função do lubrificante é possibilitar que o movimento se
faça com um mínimo de aquecimento, ruído e desgaste. Observam-se duas
características do comportamento dos lubrificantes com as superfícies em movimento:
51
a) reduzem-se as forças de atrito, pois a resistência dos fluidos ao deslocamento é muito
menor que as forças de adesão e cisalhamento; b) reduz-se o desgaste por se evitar o
contato sólido das superfícies.
Os lubrificantes se dividem em três grupos: sólidos, líquidos e pastosos. O petróleo é a
grande fonte dos óleos minerais e é constituído de uma mistura de centenas de
hidrocarbonetos. Os óleos lubrificantes minerais podem ser classificados em naftênicos
e parafinicos, porém não existe nenhum óleo parafínico ou naftênico puro. Os
naftênicos são utilizados na lubrificação dos êmbolos de máquinas alternativas
diminuindo a tendência de colagem dos anéis de segmento. Já os parafínicos alteram-se
menos com a temperatura. (Moura e Carreteiro, 1975)
Muitos ensaios foram estabelecidos com o objetivo de determinar as propriedades
físicas e químicas dos lubrificantes, bem como seu comportamento mecânico,
resistência e reação com água.
a) Ponto de congelamento: ponto a partir do qual o óleo perde sua fluidez e capacidade
de escorrer.
b) Ponto de fulgor: ponto a partir do qual se formam vapores capazes de inflamar-se na
presença de uma chama por um instante;
c) Ponto de combustão: é o ponto no qual se formam vapores suficientes para manter
uma combustão contínua durante 5 segundos (geralmente 3 a 5°C acima do ponto de
fulgor).
d) Carvão residual: o ponto de fulgor e o carvão residual são propriedades que dão a
volatilidade de um óleo. Um óleo bom para lubrificação deve ser pouco volátil para
manter uma película líquida sobre as paredes do cilindro e suficientemente volátil
para evaporar-se e queimar-se sem deixar resíduos. Dessa forma, um óleo de baixo
teor de carbono é o mais adequado na lubrificação.
e) Cor: devido aos atuais processos de refinação este parâmetro deixou de ser uma
característica marcante.
52
f) Resistência a oxidação: um óleo submetido a altas temperaturas, em presença do ar,
tende a formar produtos de oxidação prejudiciais; as altas temperaturas desenvolvem
a tendência dos óleos de corroer as superfícies metálicas.
g) Detergência: é a propriedade de certos óleos de não permitir a deposição de resíduos
resultantes da queima de combustível e oxidação de óleo, que normalmente
depositam-se nas superfícies.
h) Dispersão: propriedade onde certos óleos impedem que se aglomerem e, depositam-
se em seguida, os produtos de oxidação e queima. O poder dispersante mantém
divididas e em suspensão as partículas de carbono, que não se depositam.
Para conservar a forma geométrica dos elementos de máquinas, isto é, para evitar
o desgaste das superfícies de parceiros de contato, elementos de máquinas de
contatos tribológicos devem ser eficientemente separados através de lubrificantes,
quer dizer, deve-se evitar o contato metal-metal durante o movimento de rolagem ou
deslizamento.
Isso pode ser feito através de um filme compacto de graxa ou óleo com capacidade de
suportar carga (lubrificação hidrodinâmica) ou através de um revestimento superficial
(lubrificação com lubrificantes sólidos) nos componentes de máquinas com contatos
tribológicos.
Devido a altas exigências referentes a comportamento em altas pressões, efeito anti-
desgaste, proteção contra corrosão e estabilidade à oxidação, todos os óleos
e graxas de alto desempenho contém uma serie de aditivos. Para a melhora do
comportamento em altas pressões e do comportamento antidesgaste, são usados
aditivos solúveis em óleo e de atuação química.
Aditivos de atuação química, que se encontram em certa porcentagem em óleos e
graxas, reagem quimicamente com o ferro do aço no contato tribológico,
quando são geradas, durante o contato de atrito, temperaturas suficientemente altas
para que isso ocorra. Em uma determinada temperatura, aditivos químicos reagem
com a superfície metálica e formam uma camada de produto de corrosão de grande
53
aderência,
resistente a altas cargas e muito resistente ao desgaste.
3.6.3 - Lubrificantes Utilizados na Laminação
As operações de laminação envolvem duas espécies de fricção: a interna, molecular,
devido à resistência da estrutura cristalina do metal em deformar-se; a externa, da
chapa, contra as superfícies dos cilindros de trabalho. A Figura 3.15 apresenta os
cilindros de laminação.
FIGURA 3.15: Cilindros de Laminação (Albuquerque, 1977).
Ambos os esforços geram uma quantidade de calor. A fricção interna mantém-se
incontrolável, fora de qualquer domínio metalúrgico, mas a externa pode e deve ser
reduzida ao mínimo valor possível. Considerando os requisitos de um lubrificante no
processo de laminação, entende-se como um fator importante que ele seja capaz de
favorecer minimização do coeficiente de fricção externa.
Segundo Albuquerque (1977), as exigências da lubrificação e do resfriamento se
localizam na área de contato entre a chapa e os cilindros de trabalho. Como lubrificante,
necessita-se de um óleo que proporcione um filme resistente, para evitar os
“agarramentos” e como refrigerante, necessita-se de um fluido que possua a maior
relação possível de absorção e dissipação de calor.
Cilindros
de
trabalho
Corpo
Pescoço
Trevo
Cilindro
de
encosto
Laminador Quadruo Laminador Duo com 4
cilindros de encosto
54
É importante que o lubrificante penetre nos interstícios do metal, ou que adsorva
fortemente na superfície metálica, durante os passes redutores. Dessa forma, entende-se
que os óleos de laminação devem possuir características polares, para adsorver-se na
superfície metálica, mesmo na presença de água de refrigeração. (Albuquerque, 1977)
Experiências demonstram que gorduras animais e vegetais neutras possuem coeficiente
de fricção bem maior que os similares contendo ácidos graxos livres. O conteúdo do
ácido graxo livre nos óleos de laminação, para oferecer bons resultados de laminação,
deve estar entre 8 a 12%. A viscosidade dos lubrificantes e seu comportamento diante
das pressões e temperaturas desenvolvidas no laminador são importantes. Pesquisas
demostram que a viscosidade dos óleos aumenta sob altas pressões. Este incremento da
viscosidade auxilia a manter “inquebrável” o filme oleoso sob o efeito das altas
pressões, retendo sua habilidade lubrificante a altas temperaturas. Nos laminadores a
temperatura pode chegar até 300°C. (Moura, 1975)
Sabe-se que não existem duas operações de laminação exatamente iguais, no que se
refere à velocidade, pressão, diâmetro dos cilindros, tipo de aço entre outras. Os
especialistas sabem que cada conjunto de condições requer uma fórmula diferente de
óleo, para conseguir os resultados desejados.
Nos laminadores onde as reduções atingem até 70%, a lubricidade requerida deve ser
harmonizada de acordo com a taxa de redução e velocidade de processo. Utiliza-se uma
emulsão recirculada de óleo em água (1 a 4%).
De acordo com Cambiella et al (2005), óleos emulsificáveis ou miscíveis em água são
utilizados na siderurgia como lubrificantes e produto de refrigeração de superfícies e
ferramentas de corte. O óleo consiste de uma suspensão de gotas de óleo na água,
estabilizada com surfatantes e ainda utiliza vários compostos como biocidas,
antiespumantes, inibidores de corrosão. Se a emulsão perder sua propriedade funcional,
ela deverá ser tratada antes de sua disposição devido a presença de componentes com
propriedades tóxicas. O processo de remoção do óleo envolve destabilização, que não é
um estágio muito fácil, devido à presença de agentes emulsificantes e sua preparação.
55
3.6.4 – Óleos Hidráulicos
A principal tarefa de um óleo hidráulico na industria é de movimentar equipamentos ou
ferramentas em linhas de processos. Em geral são sistemas centralizados ou individuais
que movem ou transportam produtos na fábrica. Nas indústrias alimentícias, sistemas
hidráulicos levantam, empurram, espremem ou dão forma aos ingredientes ou produtos.
Os sistemas com óleo hidráulico muitas vezes estão sendo usados em casos de alta
carga. A função do fluido hidráulico é a transmissão de força e a lubrificação das peças
internas do sistema como, por exemplo, bombas de engrenagens ou cilindros.
A maior parte dos óleos hidráulicos é produzida com óleos minerais devido ao custo.
Para atender as exigências, estes produtos tem de ser melhorados com uma variedade de
aditivos, tais como: inibidores de corrosão, antioxidantes, detergentes, aditivos EP (
extrema pressão), antiespumantes, emulgadores, abaixador do ponto de congelamento (
pour-point), etc. Também é importante que o óleo hidráulico não ataque as vedações do
sistema hidráulico.
Com o tempo de uso e a influência de umidade a viscosidade do óleo tende a aumentar
devido a emulsificação de água no óleo, fato que ocorre muito nas indústrias de
alimentos aonde ocorre a limpeza dos equipamentos diariamente com água sob pressão
e detergentes, contaminando assim o óleo hidráulico. Com óleos semi-sintéticos ou
sintéticos consegue-se uma economia considerável, devido a diminuição de trocas e
paradas no processo produtivo.
56
3.7 – Técnicas Auxiliares
3.7.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A microscopia eletrônica de varredura fornece informações analíticas juntamente com a
observação da morfologia do objeto em estudo. Estas informações podem ser
qualitativas ou semiquantitativas.
O equipamento possui um feixe eletrônico em foco que varre a superfície da amostra,
produzindo:
- Elétrons Secundários: provenientes da espécie arrancada durante o espalhamento
inelástico (onde há perda de energia do elétron incidente) e possuem energia inferior
a 50eV. São coletados para formar a imagem topográfica do material.
- Elétrons Retroespalhados: uma fração de elétrons incidentes na superfície plana
escapa pela mesma superfície de incidência. Possuem alta energia resultando em um
maior volume de interação. As imagens obtidas são de fácil interpretação, contendo
informações sobre a composição da amostra.
- Raios-X: o elétron do feixe incidente arranca um elétron da camada mais interna dos
átomos, e quando os elétrons retornam ao seu estado fundamental de energia emitem
raios-X, proporcionado a determinação da composição química e imagens da
distribuição de um determinado elemento (Mansur, 2000).
Algumas aplicações da microscopia eletrônica de varredura incluem a identificação de
fases, análise de fratura e caracterização microestrutural. Dentre as características desta
técnica, é possível obter: imagens da superfície com a resolução da ordem de 0,1 µm;
imagens com diferenciação de fases, precipitados e regiões de segregação; topografia de
picos e vales (3D).
57
3.7.2 – Espectroscopia no Infravermelho
Segundo Brandão et al (1990) a espectroscopia no infravermelho aplica-se a análises de
amostras gasosas, líquidas e sólidas (cristalinas e amorfas), sendo aplicável tanto a
estudos qualitativos como quantitativos. Esta técnica é favorável ao estudo de espécies
adsorvidas, tanto a partir de fase gasosa quanto líquida, em substratos sólidos. Uma
condição essencial à técnica é uma elevada área superficial específica do adsorvente.
A radiação infravermelha cobre uma região relativamente larga do espectro
eletromagnético. O chamado infravermelho próximo refere-se a sua vizinhança como a
faixa da luz visível; o infravermelho distante limita-se com a região de radiações
térmicas ou de calor, ou mesmo a região de microondas ou radar. Já a faixa chamada
fundamental, refere-se ao infravermelho intermediário, encontra-se na região crítica
para a identificação dos compostos orgânicos e inorgânicos. A absorção da energia da
radiação infravermelha é possível para uma enorme gama de ligações químicas, que são
ativas nesta região espectral; as moléculas interagem com a radiação eletromagnética
absorvendo esta energia, que é convertida em vibrações e/ou rotações moleculares.
Mesmo uma molécula muito simples pode gerar um espectro muito complexo e esta
complexidade é aproveitada quando se compara o espectro de uma substância
desconhecida com o de um composto padrão. Embora o espectro no infravermelho seja
característico como um todo, certos grupos de átomos dão origem a bandas que ocorrem
mais ou menos na mesma freqüência, independente da estrutura da molécula. É a
presença destas bandas que permite a obtenção, através de um simples exame do
espectro e consulta de tabela, de informações úteis para se fazer a identificação de
estruturas.
Todas as moléculas são compostas por átomos unidos por ligações químicas que atuam
como molas, e esses átomos vibram uns em relação aos outros. Cada molécula tem sua
própria freqüência vibracional, e moléculas diferentes possuem vibrações diferentes. A
radiação infravermelha não tem energia suficiente para provocar a excitação dos
elétrons, mas faz com que os átomos, ou grupos de átomos dos compostos vibrem com
58
maior rapidez e maior amplitude em torno das ligações covalentes que os unem. Essas
vibrações são quantizadas e, quando ocorrem, os compostos absorvem energia
infravermelha em certas regiões do espectro.
Nas vibrações, as ligações covalentes se comportam como se fossem molas unindo os
átomos. Quando os átomos vibram, só podem oscilar em certas freqüências. Por isso os
átomos ligados possuem certos níveis de energia vibracional, isto é, os níveis são
quantizados. A excitação de uma molécula de um nível de energia vibracional para
outro só acontece quando o composto absorve energia infravermelha particular com um
certo comprimento de onda ou uma certa freqüência (∆E = hν)
A maior parte dos espectros é linear e em função do número de onda (cm
-1
). Um
espectro linear em número de onda é bem diferente de um linear em comprimento de
onda. A escala linear do número de onda é usada devido à direção proporcional entre
essa quantidade e ambas energia e freqüência. A freqüência da radiação absorvida é a
freqüência da vibração molecular atualmente responsável pelo processo de absorção.
Freqüência é raramente aplicada na abscissa devido ao tamanho inconveniente da
unidade, embora a escala em termos de cm
-1
seja referida como uma escala de
freqüência, o que não está correto. (Silverstein, 1991)
3.7.3 – Análise Granulométrica
A análise granulométrica de partículas sólidas compreende a determinação do tamanho
das mesmas, bem como da freqüência com que ocorrem em uma determinada classe ou
faixa de tamanho. Existem diversas técnicas de análise granulométrica, que se aplicam a
faixas granulométricas bem definidas. A escolha da técnica adequada para se efetuar a
análise granulométrica de um determinado material vai depender do tamanho das
partículas ali presentes.
Segundo Gomide (1980) o meio mais prático consiste em passar o material através de
uma série de peneiras com malhas progressivamente menores, cada uma das quais retém
uma parte da amostra. Abaixo de 80 µm, o peneiramento é insatisfatório. O material
59
retido em cada peneira é pesado separadamente, sendo sua quantidade relacionada com
a abertura da malha que o reteve.
O ensaio consiste em colocar a amostra sobre a peneira mais grossa utilizada no ensaio
e agitar o conjunto de peneiras colocadas uma sobre as outras na ordem decrescente da
abertura das malhas. Na última panela há uma panela que recolhe o material mais fino.
Algumas vezes a operação é realizada com a amostra em suspensão num líquido para
facilitar a separação das partículas. A análise granulométrica fornece a distribuição
percentual, em peso, dos tamanhos dos grãos que constituem o material. Essa
caracterização é essencial para os processos físicos voltados para a extração e síntese.
Ou seja, a análise granulométrica permite identificar o tamanho e a distribuição dos
grãos. Esta análise é feita através de peneiras de diferentes aberturas e que são
padronizadas internacionalmente. Cada peneira tem um número de aberturas por
polegada linear denominado “mesh”. Logo, quanto maior o “mesh”, maior o número de
aberturas e, conseqüentemente, mais fino deverá ser o grão para que passe por ela.
Assim, para materiais grosseiros, usa-se peneiras de baixo “mesh” e para finos usa-se
peneiras com maior “mesh”, conforme o modelo abaixo.
2 mesh (# 2)
6 mesh (# 6)
12 mesh (# 12)
60
4 – Metodologia
Os filtros de areia deste estudo são do tipo leito profundo com camadas de areia e
antracito, lavados com água e ar comprimido. Os filtros são de colunas verticais
trabalhando sob pressão com o leito filtrante homogêneo em toda sua altura, suportado
por um fundo falso metálico perfurado, no qual são fixados os bicos distribuidores.
Estes bicos de água são montados de modo a manter o fluxo de água uniforme pelo leito
filtrante, quando em serviço ou em retrolavagem, sem criar caminhos preferenciais. Os
bicos são do tipo com ranhura, cauda longa, próprios para lavagem água-ar.
Durante a produção, a operação dos filtros de areia é controlada pela vazão à montante,
e pela perda de carga, que indica o grau de entupimento. Durante a produção normal a
vazão de cada filtro é de 560 m
3
/h. Quando o tempo de campanha do processo de
filtração atingir 16 horas é realizada a retrolavagem que descompacta o leito do filtro de
areia e remove as partículas que ficam retidas no leito. A Figura 4.1 apresenta a
esquematização do processo de filtração e retrolavagem.
TRATAMENTO
DE LAMA
TORRE DE
RESFRIAMENTO
BACIAS
DE
SEDIMENTAÇÃO
Água de contra lavagem
FILTRO
ANTRACITO
AREIA
Água filtrada
FIGURA 4.1: Esquematização do Filtro de Areia.
A retrolavagem é um processo onde é efetuada a passagem de água corrente, com fluxo
em sentido contrário ao de operação normal, indicada pela seta vermelha na Figura 4.1.
A água filtrada é introduzida pela parte inferior do vaso e é recolhida pela parte superior
Filtração
Retrolavagem
61
do vaso. A passagem da água em sentido contrário tem a função de agitar o leito
filtrante, desagregando qualquer partícula que se encontra retida. O processo de
retrolavagem, indicado pela seta azul na Figura 4.1, ocorre em 5 etapas:
1 – Drenagem e abertura do filtro para coleta de amostra
Nesta etapa é realizada a remoção da água que fica retida dentro do filtro durante o
processo de filtração. Esta água deve ser removida para redução da pressão interna,
favorecendo a abertura do filtro para a coleta da amostra e também para a realização da
etapa seguinte (entrada de ar). A amostra coletada foi colocada num recipiente limpo e
seco.
2 – Injeção de ar para expansão do meio filtrante (2 minutos)
A injeção de ar tem como objetivo a expansão do meio filtrante para facilitar a limpeza
durante a operação de retrolavagem. O tempo foi determinado pela empresa fornecedora
dos filtros de areia.
3 – Assentamento do meio filtrante (1 minuto)
Esta etapa consiste na acomodação das partículas do meio filtrante. O tempo também foi
determinado pela empresa fornecedora dos filtros de areia.
4 – Injeção de água de retrolavagem + produto químico (2 minutos)
Através da tubulação de injeção de água de retrolavagem no filtro de areia, foi acoplada
uma mangueira para aplicação dos produtos químicos testados em laboratório para
remoção da lama. Para aplicação do produto na tubulação foi utilizada uma bomba de
vácuo de alta pressão. O tempo de duração para aplicar todo o produto foi de 2 minutos.
Após a aplicação do produto químico foi realizada a injeção de ar visando
homogeneizar o produto dentro do filtro de areia durante 30 segundos. Qualquer tempo
maior que este promoveu a formação de muita espuma.
5 – Injeção de água para lavagem do produto químico (10 minutos)
Nesta etapa, a medida que a água entra pelo fluxo ascendente do filtro, ela sai por uma
tubulação na parte superior do filtro, não ficando retida. Sendo assim, 10 minutos foi o
62
tempo necessário para a remoção de todo o produto (indicado pela presença de espuma)
e sujeira de dentro do filtro, sendo observada visualmente a qualidade da água nas
tubulações de saída.
6 – Assentamento do leito filtrante e coleta de amostra
Após a remoção do produto químico de dentro do filtro, foi interrompida a entrada de
água de retrolavagem, visando o assentamento das partículas do meio filtrante.
Novamente, foi realizada uma coleta do meio filtrante.
7 – Normalização do processo
Após a coleta da amostra o filtro foi fechado e reiniciado o processo de filtração.
O objetivo deste trabalho é a verificação da eficiência dos agentes químicos de limpeza
na remoção do óleo impregnado no meio filtrante. Dessa forma, foram utilizados os
seguintes procedimentos para verificação de sua eficácia:
- Caracterização do meio filtrante;
- Caracterização dos tipos de óleo presentes no sistema de laminação;
- Caracterização da água a ser filtrada;
- Utilização de agentes químicos para limpar o meio filtrante.
4.1 – Caracterização do Meio Filtrante
Neste estudo foram utilizados filtros de areia com alta camada de areia e antracito de
uma só granulometria, que é apropriada para a fixação em profundidade das matérias
em suspensão, e é preferível para efluentes oleosos, sendo utilizados em particular no
tratamento de águas do sistema direto de siderúrgicas.
Posteriormente, foi pesada uma amostra de 5 gramas do meio filtrante (areia e antracito)
em balança analítica da marca SATÓRIOS modelo BL210S com precisão de 0,1mg
utilizando um becker de 100 mL, para sua caracterização quanto a sua granulometria
63
após a utilização dos produtos químicos para verificar a eficiência na remoção do óleo e
também para verificar o mecanismo de remoção.
Para visualização da amostra após a limpeza química foi utilizado um Esteroscópio da
marca Olympus modelo SZPT com aumento de 20 vezes.
4.1.1 – Granulometria e Determinação da Área Superficial
A análise granulométrica permite identificar o tamanho e a distribuição dos grãos. O
ensaio consiste em colocar a amostra sobre a peneira mais grossa utilizada no ensaio e
agitar o conjunto de peneiras colocadas uma sobre as outras na ordem decrescente da
abertura das malhas. Na última panela há uma panela que recolhe o material mais fino.
Foi realizada análise granulométrica por peneiramento convencional a seco utilizando o
equipamento da marca Bertel.
A análise de área superficial específica BET, por adsorção de gás N
2
, foi realizada
utilizando-se o equipamento da marca Quantachrome e modelo NOVA 1200. Foi
utilizada a temperatura de desgaseificação de 180
o
C.
4.1.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura
As amostras de meio filtrante foram analisadas quanto à morfologia e composição
química (microanálise semiquantitativa). A tecnologia empregada foi a Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV) e microanálise e raios-X por dispersão de energia
(EDS). Foram utilizadas amostras do meio filtrante após a limpeza dos agentes
químicos de limpeza.
Essa técnica permite a análise de superfícies irregulares por apresentar boa
profundidade de foco. O equipamento utilizado foi o Modelo JSM 6360 LV marca
JEOL. E o equipamento de EDS utilizado foi o modelo Quest da marca ThermoNoram
64
com a condição de operação de 15kV sendo utilizado o metalização com ouro para
aumentar a condutividade do material.
4.2 – Caracterização dos Tipos de Óleo Presentes no Sistema de
Laminação
Durante o processo de laminação são utilizados 3 tipos de óleo: laminação, lubrificante
e hidráulico. Estes óleos contaminam a água utilizada no processo de resfriamento da
placa que passará pelo processo de filtração.
Foram coletados 500 mL de cada tipo de óleo utilizados durante o processo de
laminação (hidráulico, lubrificante e de laminação) e também foram coletados 1000 mL
de amostra de água que será filtrada, contendo a mistura dos três tipos de óleo. Após a
análise individual de cada tipo de óleo e da amostra de água, foi utilizada a técnica de
Espectroscopia de Infravermelho para a identificação da correlação dos tipos de óleo
presentes na amostra de água a ser filtrada.
O equipamento utilizado foi o de Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de
Fourier Modelo Spectrum One, Marca Perkim-Elmer do Laboratório de Pesquisas da
Buckman Laboratórios. O equipamento possui um software (Spectrum One) que avalia
a equação matemática que origina os espectros e faz uma comparação entre dois
materiais indicando uma probabilidade de correlação entre eles.
4.3 – Caracterização da Água a ser Filtrada
Durante o processo de laminação a água é utilizada no resfriamento das placas e dos
equipamentos. Em seguida passa pelo tratamento químico e pela filtração para remoção
dos sólidos em suspensão.
Foram coletadas amostras da água utilizada no processo de laminação a quente nos
seguintes pontos: bacias de sedimentação e torre de resfriamento para caracterização
quanto à presença de sólidos em suspensão e óleos e graxas.
65
Foram realizadas análises quantitativas. Foram verificados alguns parâmetros químicos
da qualidade da água utilizada no processo de laminação a quente proveniente da torre
de resfriamento e das bacias de sedimentação, tais como: Sólidos em Suspensão, Óleos
e Graxas e Teor de Ferro. Os métodos utilizados para realização das análises
quantitativas são descritas a seguir.
4.3.1 – Análise Gravimétrica
A análise gravimétrica ou gravimetria tem o objetivo de determinar um composto dos
demais presentes no material em estudo, na forma de uma fase pura, que é então pesada.
A partir deste peso acha-se o peso do constituinte desejado. A separação do constituinte
pode ser efetuada por meios diversos, mas o mais importante é a precipitação química.
(Ohlweiler, 1974)
Foi coletada 100mL da amostra de água e adicionado 5mL de ácido nítrico concentrado
e levado à chapa aquecedora até que a amostra reduza seu volume para 15mL. Após o
resfriamento em temperatura ambiente, foi feito um ajuste do pH da amostra para um
valor entre 3 e 4 utilizando Soda Cáustica a 5N. Em seguida a amostra é colocada em
um balão volumétrico de 100mL e avolumado. Coletar uma amostra de 5omL da
amostra já digerida e com o pH ajustado. Adicionar o reagente da HACH e agitar até a
completa dissolução. Coloque a amostra no equipamento para leitura do teor de ferro
onde a cor azul indicará a presença do elemento.
4.3.2 - Colorimetria
A colorimetria consiste num processo da química analítica que se baseia na comparação
direta ou indireta da intensidade da cor e da qual se deduz a concentração. A
determinação é realizada através de medições da sensação de cor. Baseia-se no fato de
cada sensação de cor (psicológica) poder ser produzida por muitas excitações de cor
(físicas), sendo, no entanto, todas elas substituíveis por uma mistura (física-aditiva)
determinada por excitações de cor escolhidas arbitrariamente e denominadas cores de
calibração.
66
A sensação de cor pode caracterizar-se por três valores designados coordenadas de cor.
Estas cores de calibração possuem determinadas percentagens de vermelho, verde e
azul. É possível representar a totalidade das sensações de cor num diagrama plano,
como, por exemplo, um triângulo cromático. Os vértices correspondem às luzes de
calibração e a cada ponto do triângulo corresponde uma cor, cujas coordenadas são
dadas pelas coordenadas do ponto.
4.3.3 – Extração de Óleo e Graxa
A técnica de gravimetria compreende a extração por solventes da fase orgânica da fase
aquosa utilizando n-hexano. Nesta etapa foram utilizadas alíquotas de n-hexano: três de
30 mL para a extração de 400 mL de água oleosa e 20 mL para a rinsagem final. A fase
orgânica foi drenada em um funil analítico contendo papel de filtro e 10 gramas de
sulfato de sódio anidro umedecido com n-hexano e recolhido dentro de um erlenmeyer.
O erlenmeyer com o extrato foi colocado sobre uma placa de agitação e sua coloração
foi observada. O extrato apresentou uma coloração amarela pálida transparente, então, o
Procedimento A foi adotado para dar prosseguimento na análise de gravimetria. O
Procedimento A consiste das seguintes etapas: (1) O erlenmeyer foi colocado sob
agitação magnética por 5 minutos com sílica gel (3,0 gramas). (2) Após este tempo, o
extrato foi filtrado e recolhido em um balão de destilação pesado anteriormente. (3) Ao
final da extração, o teor de óleos e graxas foi calculado utilizando a Equação (1):
TOG = 1.000.000 x (massa final – massa inicial)/volume da amostra (Equação 1)
TOG = Teor de Óleo e Graxa
onde massa final = massa do balão após a extração;
massa inicial = massa do balão vazio;
volume da amostra = volume da amostra analisada.
67
4.4 – Utilização de Agentes Químicos para Limpar o Meio Filtrante
Foram coletadas 10g de amostras do meio filtrante pesadas em balança analítica da
marca SATÓRIOS modelo BL 210 S com precisão de 0,1mg em becker de 100 mL. As
amostras foram imersas individualmente em solução de remoção a 1, 5 e 10% v/v. O
teste realizado utilizou um equipamento de ‘jar test’ que simulou a agitação e o tempo
do processo de retrolavagem. Foram observados o pH da solução e as características
físicas dos produtos testados (densidade, cor, formação de espuma).
Após a limpeza química do meio filtrante foi utilizada a técnica de Microscopia
Eletrônica de Varredura (MEV) para verificar a superfície da amostra de areia e
antracito (antes e após a utilização dos agentes químicos utilizados) observando a
eficiência da limpeza.
68
5 – Resultados e Discussões
5.1 – Caracterização da Água a ser Filtrada
Durante o processo de laminação a água é utilizada no resfriamento das placas e dos
equipamentos. Em seguida passa pelo tratamento químico de coagulação e floculação
seguindo pela filtração para remoção dos sólidos em suspensão.
Foram coletadas amostras da água utilizada no processo de laminação a quente nos
seguintes pontos: bacias de sedimentação e torre de resfriamento para caracterização
quanto à presença de sólidos em suspensão e óleos e graxas.
Foram verificados alguns parâmetros químicos da qualidade da água utilizada no
processo de laminação a quente proveniente da torre de resfriamento e das bacias de
sedimentação, tais como: Sólidos em Suspensão, Óleos e Graxas e Teor de Ferro. A
Tabela 5.1 apresenta a média dos resultados obtidos.
TABELA 5.1: Características da Água Utilizada no Processo de Filtração.
Parâmentros de Controle
Local de Amostragem
Unidade Resultado Faixa Limite
Sólidos em Suspensão –
Bacias de Sedimentação
ppm 18,00 40,00
Sólidos em Suspensão –
Torre de Resfriamento
ppm 4,00 10,00
Óleos e Graxas –
Bacias de Sedimentação
ppm 5,35 20,00
Óleos e Graxas (TOG) –
Torre de Resfriamento
ppm 1,18 10,00
Ferro –
Torre de resfriamento
ppm 2,65 5,00
O valor da faixa limite foi determinado pela empresa do tratamento da água.
69
De acordo com os resultados da Tabela 5.1 verifica-se que é uma característica da água
a presença de sólidos em suspensão e óleos e graxas. O teor de ferro indica que a origem
dos sólidos em suspensão é proveniente da carepa (óxido de ferro) originada na placa a
ser laminada que é removida durante o processo de laminação a quente. O teor de óleos
e graxas indica que esta substância é inerente ao processo de laminação, pois o óleo é
utilizado nas engrenagens dos equipamentos do processo de laminação e também é
utilizado para reduzir o atrito entre os cilindros e a placa a ser laminada. Dessa form,a o
óleo fica presente na água utilizada para o resfriamento da placa e dos equipamentos. A
presença de sólidos em suspensão e de óleos e graxas presentes na água da torre de
resfriamento em menor quantidade, em relação às bacias de sedimentação, indica que o
óleo utilizado no processo de laminação a quente e os sólidos em suspensão ficam
retidos no filtro de areia. No processo do tratamento de recirculação da água, o
processo de filtração está situado entre a bacia de sedimentação e a torre de
resfriamento, ou seja, o filtro de areia retém as partículas e o óleo que não decantaram
na bacia de sedimentação no processo de floculação/decantação e envia à torre de
resfriamento a água nos parâmetros desejados pela empresa de tratamento de água.
5.2 – Caracterização dos Tipos de Óleo Presentes na Água a ser
Filtrada
É sabido que durante o processo de laminação a quente são utilizados 3 tipos de óleo:
hidráulico, lubrificante e de laminação. Estes óleos são misturados com a água de
refrigeração da placa de aço a ser laminada para reduzir o atrito entre o cilindro e a
placa e também com os equipamentos de laminação. Foram coletadas amostras do óleo
sobrenadante presente na água da bacia de sedimentação e amostra da água enviada pela
tubulação para o filtro de areia. Também foi coletada amostra da lama (carepa fina)
decantada na bacia de sedimentação, após o processo de floculação.
70
5.2.1 – Análise da Superfície do Meio Filtrante por Espectroscopia no
Infravermelho
Foram coletadas amostras puras dos três tipos de óleo utilizados durante o processo de
laminação a quente (lubrificante, hidráulico e de laminação) e em seguida foi realizada a
análise por espectroscopia no infravermelho correlacionando essas amostras com as
amostras coletadas na bacia de sedimentação (sobrenadante) e na tubulação de envio de
água para o filtro de areia (emulsificada). A Tabela 5.2 apresenta as posições das bandas
dos espectros obtidos das amostras de óleo utilizadas no processo de laminação a
quente. Observa-se que há uma coluna de ‘posições diferenciadas’ que indica uma
posição da banda encontrada no tipo de óleo especificado que não é comum a nenhum
outro tipo de óleo deste estudo.
Tabela 5.2: Posição das Bandas Relativas ao Espectro no Infravermelho dos Tipos
de Óleo Utilizados no Processo de Laminação à Quente.
Tipos de
Óleo
Posição das Bandas (cm
-
¹)
Posições Semelhantes Posições Diferenciadas
Laminação
3474/3009/2854/2728/1747/1656/1463/1377/
1238/1163/1099/722
3474/3009/1747/1656/
1238/1099/914/848
Hidráulico
3787/3640/2854/2728/2032/1905/1604/1450/
1377/1305/1156/1032/972/889/814/722/667
3787/3640/2032/1905/1604/
1305/1032/814/889/667
Lubrificante
2854/2728/1664/1450/1377/1305/1156/
1038/960/822/814/722
*
*Não foi encontrado nenhum pico diferenciado para este tipo de óleo.
As Figuras 5.1, 5.2 e 5.3 apresentam a correlação entre as amostras coletadas e o óleo de
laminação. Esta correlação foi dada pelo software Spectrum One equipamento de
espectroscopia no infravermelho ao ser realizada a análise dos tipos de óleo presentes na
água.
71
4000,0 3600 3200 2800 240 0 2000 1800 1600 1400 120 0 1000 800 65 0,0
3,2
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100,0
cm -1
%T
2728,46
1747,5 1
1713,08
16 04,20
1455,74
1377,22
130 5,29
1157,02
103 3,09
969,88
88 9,22
81 4,47
722,11
347 4,01
3009,16
2854,48
1747,1 6
1656,24
1463,63
1377,40
1238,13
1163,20
109 9,94
91 4,91
722,67
Figura 5.1: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra do
sobrenadante na
bacia de sedimentação x Óleo de laminação (espectro azul) –
probabilidade de 43%.
Foi observado que há uma correlação de 43% entre a amostra coletada na bacia de
sedimentação e o óleo de laminação, ou seja, comparando os dois espectros não é
possível afirmar que o óleo de laminação esteja presente na amostra do sobrenadante na
bacia de sedimentação.
4 00 0,0 3 60 0 3 2 00 2 8 0 0 24 0 0 2 0 00 1 800 1 600 1 400 120 0 1 0 00 800 650,0
3,2
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
10 0,0
cm -1
% T
28 5 0,6 3
1 73 3 ,91
1 46 3,6 2
1 37 7,1 2
1 36 6 ,1 8
12 6 9,5 7
1 22 9,7 8
1 07 0 ,0 7
7 19 ,77
3 47 4 ,0 1
3 00 9,1 6
28 5 4 ,48
1 74 7,1 6
1 65 6,2 4
1 46 3,6 3
1 37 7,4 0
12 3 8,1 3
1 16 3 ,2 0
10 9 9,9 4
9 14 ,9 1
7 22 ,67
Figura 5.2: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra enviada
para o filtro de areia x Óleo de laminação (espectro azul) – probabilidade < 30%.
72
Foi observado que há uma correlação < 30% entre a amostra enviada para o filtro de
areia e o óleo de laminação, ou seja, comparando os dois espectros não é possível
afirmar que o óleo de laminação esteja presente na amostra enviada para o filtro de
areia.
4 000,0 36 00 3 20 0 2 8 00 240 0 2000 180 0 1 600 1 4 00 1 20 0 1 0 00 8 00 6 50,0
3 ,2
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
7 0
7 5
8 0
8 5
9 0
9 5
1 00,0
cm -1
% T
28 5 4,51
2 72 8,2 4
17 1 1,7 1
16 0 2,7 8
14 6 2,7 9
13 7 7,1 2
1 30 3,2 2
11 5 6,8 3
81 3 ,3 7
72 2 ,07
3 47 4,0 1
3 00 9,1 6
28 5 4,48
17 4 7,1 6
16 5 6,2 4
14 6 3,6 3
13 7 7,4 0
12 3 8,1 3
1 16 3,2 0
10 9 9,9 4
91 4 ,9 1
72 2 ,67
Figura 5.3: Correlação entre o espectro no infravermelho da lama da bacia de
sedimentação x Óleo de laminação (espectro azul) – probabilidade de 47%.
Foi observado que há uma correlação de 47% entre a amostra de lama coletada na bacia
de sedimentação e o óleo de laminação, ou seja, comparando os dois espectros não é
possível afirmar que o óleo de laminação esteja presente na lama da bacia de
sedimentação.
As Figuras 5.4, 5.5 e 5.6 apresentam a correlação das amostras coletadas com o óleo
hidráulico. Esta correlação foi dada pelo software do equipamento Spectrum One de
espectroscopia no infravermelho ao ser realizada a análise dos tipos de óleo presentes na
água.
73
4 0 0 0 ,0 3 6 0 0 3 2 0 0 2 80 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 40 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 5 0 ,0
3 ,2
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
7 0
7 5
8 0
8 5
9 0
9 5
1 0 0 ,0
c m -1
% T
2 7 2 8 ,4 6
1 74 7 ,5 1
1 7 1 3 ,0 8
1 6 0 4,2 0
1 4 5 5 ,7 4
1 37 7 ,2 2
1 30 5 ,2 9
1 1 5 7,0 2
1 0 3 3 ,0 9
9 6 9 ,8 8
8 8 9 ,2 2
8 1 4 ,4 7
7 2 2 ,1 1
3 7 8 7 ,3 6
3 6 4 0 ,0 9
2 7 2 8 ,1 8
2 0 3 2 ,8 3
1 9 0 5 ,0 1
1 6 0 4 ,6 9
1 46 0 ,2 6
1 37 7 ,0 9
1 30 5 ,3 4
1 15 6 ,6 8
1 0 3 2 ,9 2
9 7 2 ,9 7
8 8 9 ,0 3
8 1 4 ,0 0
7 21 ,9 9
6 6 7 ,9 9
Figura 5.4: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra do
sobrenadante na
bacia de sedimentação x Óleo hidráulico (espectro azul) –
probabilidade de 88%.
Foi observado que há uma correlação de 88% entre a amostra coletada na bacia de
sedimentação e o óleo hidráulico, ou seja, comparando os dois espectros não é possível
afirmar que o óleo hidráulico esteja presente na amostra do sobrenadante na bacia de
sedimentação.
4 0 0 0 ,0 3 6 0 0 3 2 0 0 2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 5 0 , 0
3 , 2
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
7 0
7 5
8 0
8 5
9 0
9 5
1 0 0 , 0
c m -1
% T
2 8 5 0 ,6 3
1 7 3 3 ,9 1
1 4 6 3 ,6 2
1 3 7 7 ,1 2
1 3 6 6 ,1 8
1 2 6 9 ,5 7
1 2 2 9 ,7 8
1 0 7 0 ,0 7
7 1 9 ,7 7
3 7 8 7 ,3 6
3 6 4 0 ,0 9
2 7 2 8 ,1 8
2 0 3 2 ,8 3
1 9 0 5 ,0 1
1 6 0 4 ,6 9
1 4 6 0 ,2 6
1 3 7 7 ,0 9
1 3 0 5 ,3 4
1 1 5 6 ,6 8
1 0 3 2 ,9 2
9 7 2 ,9 7
8 8 9 ,0 3
8 1 4 ,0 0
7 2 1 ,9 9
6 6 7 ,9 9
Figura 5.5: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra enviada
para o filtro de areia x Óleo hidráulico (espectro azul) – probabilidade de 55%.
74
Foi observado que há uma correlação de 55% entre a amostra enviada para o filtro de
areia e o óleo hidráulico, ou seja, comparando os dois espectros não é possível afirmar
que o óleo hidráulico esteja presente na amostra enviada para o filtro de areia.
4 000 ,0 3 6 00 3 2 0 0 28 00 2 4 0 0 2 000 1800 1 60 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 00 8 0 0 6 5 0,0
3 ,2
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
7 0
7 5
8 0
8 5
9 0
9 5
1 00,0
cm -1
% T
2 8 54 ,51
2 7 28 ,2 4
1 71 1 ,71
1 60 2,78
1 4 62,79
1 37 7 ,12
1 3 03 ,2 2
1 15 6 ,8 3
8 1 3,3 7
7 2 2,0 7
3 78 7 ,3 6
3 6 4 0,0 9
2 7 28 ,1 8
2 03 2 ,8 3
1 90 5 ,0 1
1 60 4 ,69
1 46 0,26
1 37 7 ,09
1 30 5,34
1 15 6 ,6 8
1 0 32 ,92
9 7 2,9 7
8 8 9,0 3
8 1 4,0 0
7 21 ,9 9
6 6 7,9 9
Figura 5.6: Correlação entre o espectro no infravermelho da lama da bacia de
sedimentação x Óleo hidráulico (espectro azul) – probabilidade de 68%.
Foi observado que há uma correlação de 68% entre a amostra de lama coletada na bacia
de sedimentação e o óleo hidráulico, ou seja, comparando os dois espectros não é
possível afirmar que o óleo hidráulico esteja presente na amostra da lama da bacia de
sedimentação.
As Figuras 5.7, 5.8 e 5.9 apresentam a correlação das amostras coletadas com o óleo
lubrificante. Esta correlação foi dada pelo sotware Spectrum One do equipamento de
espectroscopia no infravermelho ao ser realizada a análise dos tipos de óleo presentes na
água.
75
Figura 5.7: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra do
sobrenadante na
bacia de sedimentação x Óleo lubrificante (espectro azul) –
probabilidade de 98%.
Foi observado que há uma correlação de 98% entre a amostra coletada na bacia de
sedimentação e o óleo lubrificante, ou seja, comparando os dois espectros é possível
afirmar que o óleo lubrificante esteja presente na amostra do sobrenadante na bacia de
sedimentação.
Figura 5.8: Correlação entre o espectro no infravermelho da amostra enviada
para o filtro de areia x Óleo lubrificante (espectro azul) – probabilidade de 78%.
76
Foi observado que há uma correlação de 78% entre a amostra enviada para o filtro de
areia e o óleo lubrificante, ou seja, comparando os dois espectros não é possível afirmar
que o óleo lubrificante esteja presente na amostra enviada para o filtro de areia.
Figura 5.9: Correlação entre o espectro no infravermelho da lama da bacia de
sedimentação x Óleo lubrificante (espectro azul) – probabilidade de 90%.
Foi observado que há uma correlação de 90% entre a amostra de lama coletada na bacia
de sedimentação e o lubrificante, ou seja, comparando os dois espectros é possível
afirmar que o óleo lubrificante esteja presente na amostra da lama na bacia de
sedimentação.
Para o óleo lubrificante, a maior probabilidade encontrada foi no sobrenadante das
bacias de sedimentação com 98%. Isto indica que a presença deste tipo de óleo passa
pelos filtros de areia.
A Tabela 5.3 apresenta os resultados da correlação dos tipos de óleo presentes nas
amostras coletadas.
77
TABELA 5.3: Correlação entre os tipos de óleo presentes na água de laminação a
ser filtrada e o local de amostragem.
Tipos de Óleo
Sobrenadante na
Bacia de Sedimentação
Tubulação para o
Filtro de Areia
Lama da Bacia
de
Sedimentação
Laminação
43%
< 30%
47%
Hidráulico
88%
55%
68%
Lubrificante
98%
78%
90%
Dessa forma, foi observado que há uma maior correlação do óleo lubrificante
encontrado nas amostras sobrenadante na bacia de sedimentação e na tubulação para o
filtro de areia com 98 e 78% de probabilidade, respectivamente. Essa correlação foi
possível realizando a análise de Espectroscopia no Infravermelho utilizando o software.
Isto indica que este tipo de óleo deve estar em maior quantidade presente dentro do
filtro de areia.
Observa-se ainda que houve uma redução do valor da probabilidade dos tipos de óleo
encontrados na amostra sobrenadante nas bacias de sedimentação em relação à amostra
enviada para o filtro de areia, ou seja, parte deste óleo fica retida na lama (carepa fina)
decantada no fundo da bacia de sedimentação, conforme apresentado na Tabela 5.3.
5.3 – Caracterização do Meio Filtrante
Foi coletado 1kg da amostra do meio filtrante antes e após a limpeza química, e foi
realizada análise de granulometria e a determinação da área superficial específica. A
Tabela 5.4 apresenta os resultados da área superficial específica da amostra antes e após
a limpeza química. Foi observado que a área superficial específica antes da limpeza
química é menor que da amostra após a limpeza química indicando que havia uma
aglomeração de partículas. Como o diâmetro das partículas não variou muito, ficando
78
praticamente inalterado, parte da área superficial estava obstruída com o óleo adsorvido
presente na água a ser filtrada.
Tabela 5.4: Resultado da análise da área superficial específica das amostras do
meio filtrante.
Amostra Área Superficial Específica
Antes da limpeza química 0,09 m
2
/g
Após da limpeza química 0,14 m
2
/g
A Figura 5.10 apresenta o resultado da análise granulométrica da amostra antes da
limpeza química. A linha azul indica o percentual acumulado abaixo e a coluna em
vermelho indica o percentual de massa retida. O diâmetro das partículas pode variar de
0,29 a 3,36 mm. Foi observado que 41,8% foi de material retido com diâmetro de 1,7
mm.
Figura 5.10: Resultado da análise granulométrica da amostra antes da limpeza
química.
A Figura 5.11 apresenta o resultado da granulometria da amostra após a limpeza
química. A linha azul indica o percentual acumulado abaixo e a coluna em vermelho
indica o percentual de massa retida. O diâmetro das partículas pode variar de 0,29 a 3,36
mm. Foi observado que o comportamento das curvas antes e após a limpeza química é
semelhante, onde 42,5% foi de material retido com diâmetro de 1,7 mm.
79
Figura 5.11: Resultado da análise granulométrica da amostra após a limpeza
química.
Sendo assim, o resultado da análise granulométrica indicou que não houve variação
considerável nas dimensões das amostras do meio filtrante após ter sido utilizado o
produto químico para remoção da lama aderida à superfície.
5.4 – Limpeza Química do Meio Filtrante
Após a pesagem da amostra foi realizado um teste em laboratório para encontrar o
produto químico que apresentasse o melhor resultado de limpeza superficial e também a
melhor dosagem do produto a ser aplicado em escala industrial. Foram testados 10
produtos onde foram observados: pH, cor, formação de espuma, limpeza superficial x
concentração do produto e tempo de limpeza. A Figura 5.12 apresenta a amostra de
meio filtrante antes da aplicação de qualquer produto químico. Foi observado que há
uma aglomeração de material filtrante juntamente com a lama, que fica retida no filtro
de areia, dificultando a ação do meio filtrante em capturar as partículas suspensas na
água fazendo com que o filtro perca eficiência, podendo formar caminhos preferenciais
dentro do leito filtrante onde a água passa pelo leito sem ser limpa. Dessa forma, o
80
objetivo da ação dos produtos testados é de remover esta lama favorecendo a eficiência
no processo de filtração.
FIGURA 5.12: Amostra do meio filtrante antes da limpeza química.
Dos produtos testados, dois se destacaram para o teste em escala industrial: o BSP 242 e
o BLB 8031. O BSP 242 apresentou um excelente resultado com uma baixa
concentração do produto (1%), porém apresentou a formação de espuma durante a
agitação do meio filtrante (simulação da injeção de ar e água durante o processo de
retrolavagem) e um pH = 1. O BLB 8031 não apresentou a formação de espuma e um
pH = 7,5, mas foi necessário utilizar uma concentração de 10% para obter um resultado
satisfatório.
Os demais produtos testados não apresentaram bons resultados de remoção de lama
aderida à superfície do meio filtrante.
A limpeza química do meio filtrante foi realizada em escala industrial onde o produto
químico foi inserido juntamente com a água de retrolavagem numa concentração de 1%.
O processo de retrolavagem, juntamente com a adição do produto químico, foi realizado
de acordo com as etapas a seguir:
1 – Drenagem do filtro
2 – Injeção de ar
3 – Assentamento do meio filtrante
4 – Injeção de água + produto químico
81
5 – Assentamento do leito filtrante
5.4.1 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio Filtrante
Utilizando a Limpeza com Água
A Figura 5.13 apresenta os resultados da análise morfológica, obtida a partir da análise
por microscopia eletrônica de varredura, do meio filtrante após ser realizada a limpeza
da superfície utilizando somente água.
O
Al
Si
Si
K
K
Fe
FeFe
Fe
Au
Au
0
50
100
150
200
250
300
0 5
a) Aumento de 20x b) EDS
c) Aumento de 100x d) Aumento de 1000x
Figura 5.1
3
:
Amostra do meio filtrante após
limpeza
somente com água.
Na Figura 5.13a observa-se a presença de lama ( partículas de carepa impregnada com
óleo) nas cavidades do meio filtrante. A Figura 5.13b apresenta os resultados da análise
semiquantitativa de composição da superfície do meio filtrante, realizada utilizando
uma microssonda acoplada ao microscópio eletrônico de varredura. Foi observada a
82
presença do Si, confirmando a composição química da areia que é o meio filtrante
estudado. Foi observada também a presença do Au que é devida à metalização do
material utilizando tal metal. A presença do ferro indica a presença da lama que não foi
removida o suficiente do material. As Figuras 5.13c e 5.13d apresentam um aumento de
100 e 1000x, respectivamente, focando a região contendo lama.
5.4.2 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio Filtrante
Utilizando a Limpeza com BSP 242
A Figura 5.14 apresenta a os resultados da análise morfológica do meio filtrante após
ser realizada a limpeza com BSP 242, obtida a partir da análise por microscopia
eletrônica de varredura.
Na Figura 5.14a foi observada a presença lama nas cavidades do meio filtrante em
menor quantidade, com relação à Figura 5.13a. A Figura 5.14b apresenta os resultados
da análise semiquantitativa de composição da superfície do meio filtrante, realizada
utilizando uma microssonda acoplada ao microscópio eletrônico de varredura indicando
traços de ferro. As Figuras 5.14c e 5.14d apresentam um aumento de 100 e 1000x,
respectivamente, focando a região contendo lama.
83
C
O
Al
Si
K
K
Fe
Fe
Fe
Ba
Ba
Au
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5
a) Aumento de 20x b) EDS
c) Aumento de 100x d) Aumento de 1000x
Figura 5.1
4
:
Amostra do meio filtrante após limpeza com BSP 242
.
5.4.3 – Análise Química e Morfológica da Superfície do Meio Filtrante
Utilizando a Limpeza com BLB 8031
A Figura 5.15 apresenta a os resultados da análise morfológica do meio filtrante após
ser realizada a limpeza com BLB 8031, obtida a partir da análise por microscopia
eletrônica de varredura.
84
C
O
Al
Si
Fe
Fe
Fe
Fe
Au
0
500
1000
1500
2000
0 5
a) Aumento de 20x b) EDS
c) Aumento de 100x d) Aumento de 1000x
Figura 5.1
5
:
Amostra do meio filtrante após limpeza com BLB 8031.
Na Figura 5.15a foi observada a presença de lama nas cavidades do meio filtrante. A
Figura 5.15b apresenta os resultados da análise semiquantitativa de composição da
superfície do meio filtrante, realizada utilizando uma microssonda acoplada ao
microscópio eletrônico de varredura confirmando a presença do ferro. As Figuras 5.15c
e 5.15d apresentam um aumento de 100 e 1000x, respectivamente, focando a região
contendo lama.
De acordo com as Figuras 5.13, 5.14 e 5.15, o BSP 242 foi o produto químico que
apresentou um melhor resultado na remoção de lama impregnada no meio filtrante. Este
produto contém em sua formulação ácidos inibidos e tensoativo; já o BLB 8031 é um
dispersante orgânico contendo tensoativos e amidas.
85
De acordo com Kurita (1999) a combinação de álcalis e surfatante é geralmente usada
para conter sujeira de alta concentração de óleos. Ácidos são usados geralmente junto
com surfatantes para remover óxidos metálicos.
86
6 – Conclusões
As características da água utilizada no processo de filtração contêm a presença de
sólidos em suspensão, óleos e graxas, sendo que a quantidade destes parâmetros são em
maior quantidade antes da filtração, indicando que parte fica deles fica retido nos filtros
de areia. A presença dos sólidos em suspensão é proveniente da carepa mais fina que
fica dispersa na água que foi utilizada na laminação à quente. A presença de óleo e
graxa na água tem sua origem das engrenagens do laminador e também da aspersão do
óleo de laminação na placa e nos cilindros visando a redução do atrito.
Após a utilização da técnica de Espectrometria no Infravermelho foi feita uma
correlação da presença dos três tipos de óleo utilizados no processo de laminação à
quente: hidráulico, lubrificante e de laminação. Os resultados mostraram que há uma
correlação de 78% de óleo lubrificante, 55% de óleo hidráulico e menos que 30% de
óleo de laminação na tubulação para o filtro de areia.
Foi feita uma comparação entre os espectros dos óleos obtidos pela Espectrometria no
Infravermelho onde foi observado que há picos característicos para o espectro do óleo
hidráulico e para o óleo de laminação, tais como: 3474, 1747, 1238, 3787, 2032 e 1305
cm
-1
. Porém não foi observado nenhum pico característico para o óleo lubrificante.
Quanto à caracterização do meio filtrante, foi observado que a área superficial
específica antes da limpeza química é menor que da amostra após a limpeza química
indicando que havia uma aglomeração de partículas. Como o diâmetro das partículas
não variou muito, ficando praticamente inalterado, parte da área superficial estava
obstruída com o óleo adsorvido presente na água a ser filtrada.
O resultado da análise granulométrica indicou que o diâmetro das partículas variou entre
0,29 e 3,36mm. Foi observado que o percentual de material retido com diâmetro de
1,7mm foi de 41,8 e 42,5% para as amostras do meio filtrante antes e após a limpeza
87
química, respectivamente. O meio filtrante não variou em tamanho de partícula com a
limpeza química.
Foi observado um acúmulo de material impregnado no meio filtrante. O produto
BSP242 apresentou o melhor resultado de limpeza química da superfície do meio
filtrante com a menor concentração utilizada nos testes (1%). Durante a limpeza
química foi observada a formação de espuma.
O outro produto testado, BLB8031, não apresentou a formação de espuma, porém
mesmo elevando a concentração do produto a 10%, o resultado da limpeza da superfície
do meio filtrante foi pior se comparado com o BSP242.
A limpeza do meio filtrante foi realizada em escala industrial, durante o processo de
retrolavagem do filtro de areia.
Quanto a morfologia da superfície do meio filtrante, foi observado que a amostra antes
da limpeza química apresentou a presença do ferro pela análise de EDS. Com a
utilização dos produtos químicos para a limpeza, foi observado que quando testado o
BLB8031, houve uma redução do teor de ferro e após a utilização do BSP242, o teor de
ferro praticamente desapareceu da superfície da amostra.
O BLB8031, que apresentou bons resultados de limpeza superficial, apresenta em sua
formulação química dispersante orgânico contendo surfatantes e amidas. O BSP242,
que apresentou excelentes resultados de limpeza superficial do meio filtrante apresentou
em sua formulação química tensoativos e ácidos inibidos.
88
7 – Contribuições Originais ao Conhecimento
Avaliação da ação de produtos químicos utilizados para limpeza de superfície com
diferentes características na remoção de óleo e graxa e óxido de ferro proveniente da
carepa do processo de laminação à quente da superfície do meio filtrante.
Avaliação do comportamento físico-químico, em escala de laboratório e posteriormente
em escala industrial, do produto químico utilizado para limpar a superfície do meio
filtrante impregnado de carepa e óleo e graxa.
Utilização em escala industrial da aplicação do produto químico que obteve o melhor
resultado em laboratório.
Avaliação das etapas de retrolavagem dos filtros de areia quando da aplicação do
produto químico utilizado para limpeza de superfície, avaliando o tempo de cada etapa
versus a ação do produto testado.
89
8 – Sugestões para Trabalhos Futuros
Avaliar se o coagulante e/ou floculante utilizados na decantação dos sólidos em
suspensão possui interferência na ação de aglomeração da lama (carepa fina juntamente
com óleos e graxas) às das partículas do meio filtrante. Avaliar se também podem
interferir na ação do produto de limpeza químico.
Avaliar outros métodos para identificar os tipos de óleo além da Espectroscopia no
Infravermelho.
Avaliar a ação dos componentes químicos do óleo versus a formulação química dos
agentes de limpeza.
Testar em laboratório diversos tipos de ácidos e álcalis para verificar a ação de limpeza
em diferentes pH.
Avaliar a influência do óleo no mecanismo de coagulação.
90
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