Abrandamento de água.ppt

O abrandamento é o processo mais utilizado para acabar com a dureza da água. Ele consiste na retirada do cálcio (Ca2+) e do magnésio (Mg2+) da água dura.

Quimicamente, a água pode ser dura ou mole e o que determina essas classificações é a quantidade de sais depositados nela. Podem existir vários tipos de sais na águas, mas os que mais impactam para ela ser dura são o cálcio e o magnésio.

A utilização da água dura pode causar depósitos de calcite em caldeiras e tubulações, por exemplo. Para evitar esse tipo de problemas, dois tipos de abrandamento podem ser utilizados: precipitação química e troca iônica.

Antes disso, é importante conhecer o funcionamento dos abrandadores. O equipamento é um vaso de pressão normalmente produzido em aço carbono ou fibra de vidro, com resinas catiônicas em seu interior, elas são as responsáveis pela remoção da dureza. Os abrandadores possuem vazões diferenciadas e podem ser automáticos ou não, elétricos ou não.

Definido o tipo de equipamento utilizado, é a hora de decidir qual o método de abrandamento para tirar a dureza da água.
Precipitação química
O processo de abrandamento por precipitação química ocorre com a adição de cal (CaO) e carbonato de sódio (Na2CO3), que, ao reagirem com a água dura, precipitam o cálcio e o magnésio. Ele funciona para tratar água com altíssima dureza e ainda tem a capacidade de remoção de outros tipos de contaminantes, incluindo metais pesados.



Troca iônica
Faz com que a água atravesse um leito de resina catiônica que irá trocar os íons de cálcio e magnésio presentes na água por íons de sódio. Essa resina é, geralmente, uma pequena esfera de polímero poroso com uma estrutura molecular carregada negativamente. Ela carrega um íon positivo que pode ser trocado pelo íon de sódio. Quando os íons de cálcio e magnésio passam pelos poros da resina, são atraídos pela estrutura negativa que ela leva. Assim, o sódio é liberado na água e, por ser solúvel, acaba com as incrustações causadas pelos outros dois sais.



Medindo a dureza da água
Alguns mecanismos permitem a medição da dureza da água. Ela vai definir o tipo de abrandamento e dos abrandadores que serão utilizados.

Geralmente, a medição é feita com base na quantidade de partes por milhão (ppm) de carbonato de cálcio. Quanto maior a quantidade de ppm, mais dura a água.

1. PHD 5750 –Tratamento
avançado de águas de
abastecimento
Abrandamento de água por precipitação
química

2. Dureza da água
O termo dureza foi originado em razão da
dificuldade no processo de lavagem de
roupas, com águas contendo elevada
concentração de certos íons minerais;
Isto era resultado da capacidade deste íons
reagirem com sabões, evitando a formação
de espuma;
Na reação eram formados sabões insolúveis,
que precipitavam.

3. Dureza da água
Além de reagir com sabões,
a dureza da água pode
resultar na formação de
incrustações em tubulações
e dispositivos de troca
térmica.

4. Dureza da água
A dureza é resultado da presença de íons bivalentes,
destacando-se o cálcio e o magnésio;
Outros íons também podem atribuir dureza a água:
Ferro;
Manganês;
Estrôncio;
Bário;
Zinco;
Alumínio

5. Prof. José Carlos Mierzwa
Medida da dureza
Em tratamento de água a dureza é expressa em
concentração equivalente ao carbonato de cálcio
(mg/L);
Ela pode ser designada de várias maneiras:
Dureza total: soma da concentração de todos os íons
responsáveis pela dureza;
Dureza devida a carbonatos: parcela relacionada a
presença de sais na forma de carbonatos (HCO
3
-
,
CaCO
3);
Dureza devida a não carbonatos: parcela devida a sais
diferentes:
Sulfato de cálcio, cloreto de cálcio, sulfato de
manganês e cloreto de manganês.

6. Prof. José Carlos Mierzwa
Classificação das águas em função da
dureza
Com relação a concentração de dureza, a água pode
ser classificada em quatro categorias:
Classificação
Dureza
(mg CaCO
3/L)
Branda < 75
Dureza moderada 76 -150
Dura 151 -300
Muito dura > 300

7. Prof. José Carlos Mierzwa
Fatores associados à dureza
Para o controle da corrosão e incrustações em redes
de água, o controle da dureza devido a carbonatos é
muito importante;
Em função do equilíbrio entre carbonatos a água
pode ser corrosiva ou incrustante:
Se a água tiver tendência para solubilizar carbonato ela é
considerada corrosiva;
No caso de haver tendência para precipitação de carbonato
a água e considerada incrustante.
Iso pode ser verificado pelo Índice de Saturação de
Langelier;

8. Prof. José Carlos MierzwaEquilíbrio de Carbonatos
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
Fração Molar
Ácido Carbônico Bicarbonato Carbonato

9. Prof. José Carlos Mierzwa
Índice de Langelier
O índice de Langelier, ou Índice de
Saturação mede a tendência de
corrosividade ou incrustação de uma água:
IS = pH –pHs
IS = 0 (sem tendência para corrosão ou
deposição);
IS < 0 (água com características corrosivas);
IS > 0 (água com característica incrustante).

10. Prof. José Carlos Mierzwa
pH de Saturação em função das Constantes de
Solubilidade e Equilíbrio de Carbonatos



3
2
3
2
2
.log
]log[]log[
HCOCaS
SHCOCapKpKpH
pss

•O fator S ajusta a equação para a verdadeira
atividade dos íons na expressão de equilíbrio.
•A expressão final é válida para uma faixa de pH
variando entre 6,0 e 8,5.

11. Prof. José Carlos Mierzwa
Coeficiente de AtividadeTDSx
z
i
i
.105,2
1
.).(5,0
log
5
2
1
2
1
2









i= coeficiente de atividade para a espécie iônica i
 = força iônica da solução;
z
i= carga iônica da espécie i
TDS = concentração de sólidos dissolvidos totais (mg/L)
C
i= concentração da espécie iônica (M);
i
ii
zC).(.
2
1
2


12. Prof. José Carlos Mierzwa
Valores de pK
ps, pK
2e S
Temperatura
(ºC)
pK
2pK
ps
S
TDS (mg/L)
50 150 400 1000 1500
5 10,558,390,08250,137 0,210 0,300 0,345
10 10,498,410,08320,138 0,211 0,303 0,348
15 10,438,430,08380,139 0,213 0,305 0,351
20 10,388,450,08450,140 0,215 0,308 0,354
25 10,338,480,08540,142 0,217 0,311 0,358
30 10,298,510,08610,143 0,219 0,314 0,362
35 10,258,540,08690,144 0,221 0,318 0,366
40 10,228,580,08790,146 0,224 0,322 0,370
45 10,208,620,08880,148 0,226 0,325 0,375
50 10,178,660,08980,149 0,229 0,329 0,379
Fonte:Ronald L. Droste, 1997

13. Prof. José Carlos Mierzwa
Dureza em águas de abastecimento
Para água de abastecimento público é
recomendado que a dureza da água esteja
entre 80 mg/L a 100 mg/L como CaCO
3;
Águas com dureza superior ou para o caso
de aplicações industriais, a dureza deve ser
reduzida.

14. Prof. José Carlos Mierzwa
Benefícios para redução da dureza
Redução da tendência de incrustação;
Redução do consumo de sabões e
detergentes;
Remoção de metais pesados:
Elevação do pH;
Formação de complexos insolúveis.
Remoção de sílica e fluoretos;
Remoção de ferro e manganês;
Clarificação da água quando da precipitação
dos íons responsáveis pela dureza.

15. Prof. José Carlos Mierzwa
Remoção da dureza
O processo de remoção da dureza é conhecido
como abrandamento;
O abrandamento pode ser feito de três formas:
Precipitação química processo geralmente utilizado
para águas com elevada concentração de dureza;
Troca catiônica mais indicado para o caso onde a
concentração da dureza seja baixa;
Processo de nanofiltração utilização de membranas
poliméricas.

16. Prof. José Carlos Mierzwa
Vantagens e desvantagens dos
processos de abrandamento
Precipitação química:
Vantagens:
Pode ser aplicado para águas com dureza elevada;
Possibilita remover da água outros contaminantes:
Alguns radionuclídeos;
Remoção de metais pesados e arsênio;
Clarificação da água;
Tecnologia bem estabelecida.
Desvantagens:
Utilização de produtos químicos;
Produção de lodo;
Necessidade de ajustes finais.

17. Prof. José Carlos Mierzwa
Vantagens e desvantagens dos
processos de abrandamento
Troca catiônica:
Vantagens:
Grande eficiência para remoção dos íons
responsáveis pela dureza;
As resinas podem ser regeneradas;
Não há formação de lodo no processo.
Desvantagens:
Requer um pré-tratamento da água;
Ocorre saturação da resina, exigindo a sua
regeneração;
Elevação da concentração de SDT na água;
Requer o tratamento do efluente da regeneração.

18. Prof. José Carlos Mierzwa
Vantagens e desvantagens dos
processos de abrandamento
Nanofiltração:
Vantagens:
Remove com eficiência íons responsáveis pela
dureza;
Não requer a utilização de produtos químicos;
Ocorre a remoção de outros contaminantes, orgânicos
e inorgânicos.
Desvantagens:
Tem uma menor produção de água em relação aos
demais processos;
Requer um nível elevado de pré-tratamento;
Água com elevada dureza pode resultar em perda da
eficiência do sistema;
Ocorre a geração de uma corrente de concentrado.

19. Prof. José Carlos Mierzwa
Abrandamento por precipitação
química
É utilizado o processo a base de cal (CaO) e
carbonato de sódio;
A cal é utilizada para elevar o pH da água,
fornecendo a alcalinidade necessária;
O carbonato de sódio pode fornecer a
alcalinidade para reação e também os íons
carbonato necessários.

20. Prof. José Carlos Mierzwa
Reações envolvidas423324
4224
3223
23323
2323
23322
22
)()(
)()(
2)()(
22)()(
2)(
)(
SONaCaCOCONaCaSO
CaSOOHMgOHCaMgSO
CaCOOHMgOHCaMgCO
OHMgCOCaCOOHCaHCOMg
OHCaCOOHCaHCOCa
OHCaCOCOHOHCa
OHCaOHCaO








21. Prof. José Carlos Mierzwa
Considerações
A utilização do CaO é mais indicada pois esta
apresenta menor custo;
É possível utilizar também o hidróxido de
sódio como alcalinizante, mas:
É um produto de custo mais alto;
A sua utilização resulta em um maior
acréscimo na concentração de SDT na água
final.

22. Prof. José Carlos Mierzwa
Química do processo de abrandamento
Com relação á remoção de dureza devido a cálcio
consideram-se as seguintes relações:

t
ps
C
CO
COCaK
COCaCaCO






2
3
2
2
3
2
2
3
2
3
.


23. Prof. José Carlos Mierzwa
Química do processo de abrandamento
Admitindo-se que todo o carbono inorgânico esteja
na forma de carbonato e bicarbonato:
[Ca
2+
]=C
t
Combinando-se as expressões:


21
211
2
2
211
2
21
2
2
2
.
.][]([
.].[
.
.
KK
KKHKHK
Ca
KKHKH
KK
CaK
ps
ps











Kps = 10
-8,342
K
1= 10
-6,35
K
2= 10
-10,33

24. Prof. José Carlos Mierzwa-5,00
-4,00
-3,00
-2,00
-1,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
Log [Ca
2+
]
Região de
solubilidade
CaCO3(s)
Concentração de cálcio em função do pH, para o
sistema CaCO
3

25. Prof. José Carlos Mierzwa
Constantes de solubilidade para compostos relacionados ao processo
de remoção da dureza
T (ºC)
CaCO
3(s)Mg(OH)
2(s)MgCO
3(s) CaSO
4(s)
[Ca
2+
] [Mg
2+
] [Mg
2+
] [Ca
2+
]
-Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L -Log Kps mg/L
08,0233,90
108,150
208,2802,90
258,342 11,62,677,464,525,389,8
308,395
408,515
508,6251,95
Fonte: Chemistry of Water Treatment, Samuel D. Faust; Osman M. Aly. 1999.

26. Prof. José Carlos Mierzwa
Consumo de produtos químicos para o
abrandamento
A determinação do consumo de produtos
considera as quantidades estequiométricas
baseadas nas equações das reações
químicas envolvidas;
Com base na análise química da água
determina-se os tipos de dureza presentes;
Também é importante determinar a
concentração de ácido carbônico.

27. Prof. José Carlos Mierzwa
Consumo de produtos químicos para o
abrandamento
Concentração de ácido carbônico:CxK
K
HHCO
COH
HHCOCOH
º25@103,4
]].[[
][
7
3
32
332







28. Prof. José Carlos Mierzwa
Consumo de produtos químicos para o
abrandamento
A obtenção dos tipos de dureza é feita por
meio de uma escala em meq, com linhas
acima e abaixo desta escala;
Nas linhas serão indicadas as concentrações
de cátions (acima) e ânions (abaixo).
meq/L
cátions
ânions

29. Prof. José Carlos Mierzwa
Consumo de produtos químicos para o
abrandamento
Os cátions e ânions devem ser apresentados
nas seguintes ordens:
Cátions:
Ca
2+
; Mg
2+
, Na
+
; K
+
(caso necessário);
Ânions:
HCO
3
-
; SO
4
2-
; Cl
-
; NO
3-
(caso necessário).
Para efeito de cálculo admite-se que a
concentração de íons carbonato seja zero.

30. Prof. José Carlos Mierzwa
Exemplo de cálculo
Análise de qualidade da água
Constituinte mg/L meq/L mM
pH 7,8
a
Ca
2+
96 4,79 2,395
Mg
2+
19 1,56 0,78
Na
+
18 0,78 0,78
K
+
1,5 0,04 0,04
HCO
3
-
133 2,18 2,18
SO
4
2-
208 4,33 2,165
Cl
-
25 0,705 0,705
H
2CO
3 5,2 0,17 0,084
a -unidades

31. Prof. José Carlos Mierzwa
Diagrama de identificação
123456 10
meq/L
Ca
2+
= 4,79 Mg
2+
= 1,56
HCO
3
-
= 2,18 SO
4
2-
= 4,33
Na
+
= 0,78
Cl
-
= 0,705
Dureza de cálcio por carbonato = 2,18 meq/L;
Dureza de cálcio não carbonato = 2,61 meq/L;
Dureza de magnésio não carbonato = 1,56 meq/L.

32. Prof. José Carlos Mierzwa
Dosagens de Produtos Químicos
Tipo de
Dureza
meq
Ca(OH)
2 Na
2CO
3
meq/l mM meq/L mM
H
2CO
3 0,19 0,17 0,84 0 0
Ca-Carb. 2,18 2,18 1,09 0 0
Ca-nCarb. 2,61 0 0 2,61 1,305
Mg-Carb. 0 0 0 0 0
Mg-nCarb. 1,56 1,56 0,78 1,56 0,78
Total 6,52 3,91 1,945 4,17 2,085
Para o caso da dureza de Mg não carbonato deve-se considerar a necessidade de reação com
o cálcio do hidróxido

33. Prof. José Carlos Mierzwa
Equações complementares
[Ca
2+
]
original+ [Ca
2+
]
adicionado= Ct
original+ [CO
3
2-
]
adicionado
Relação de neutralidade de cargas:
carga de cátions = carga dos ânions;
O valor de Ct original é obtido com base na concentração de
bicarbonato e a respectiva constante de dissociação: 
33,10
2
35,6
1
211
2
1
1
3
1
10
10
][][
][










K
K
KKHKH
HK
Ct
HCO



34. Prof. José Carlos Mierzwa
Processos de Abrandamento
O abrandamento por precipitação química pode ser
feito por:
Processo sem excesso de cal ou carbonato:
Específico para remoção de dureza devida ao cálcio;
Processo com excesso de cal ou carbonato:
Quando é feita a remoção de dureza devida a cálcio e
magnésio;
Estes processos podem ser realizados em uma ou
duas etapas;
Em todos os casos deve ser feito o ajuste da
estabilidade da água.

35. Prof. José Carlos Mierzwa
Processo de abrandamento em um único estágio sem ou
com excesso de cal ou carbonato
Cal
Coagulante
CO
2
Auxiliar de
filtração
Água Abrandada
Pré-tratamento
Lodo
Abrandamento Recarbonatação
Filtração
Na
2CO
3

36. Prof. José Carlos Mierzwa
Processo de abrandamento em dois estágios com excesso
de cal ou carbonato
Cal
Coagulante
CO
2
Auxiliar de
filtração
Água Abrandada
Pré-tratamento
Lodo
1°Estágio 2°Estágio
Filtração
Na
2CO
3
Coagulante

37. Prof. José Carlos Mierzwa
Dimensionamento dos componentes
do sistema de abrandamento
Os processos de coagulação e sedimentação utilização
equipamentos similares aos utilizados no processo de
clarificação;
Mistura rápida:
Geralmente feita em dispositivo hidráulico.
Floculação:
Utilização de misturadores horizontais ou verticais (tipo
turbina);
Tempo de detenção de 30 a 45 minutos;
Gradientes de floculação variados, podendo-se ter até três
estágios;
O projeto deve facilitar a limpeza periódica.

38. Prof. José Carlos Mierzwa
Sedimentação:
Taxa de aplicação:
1 a 2,4 m/h.
Tempo de detenção hidráulico:
2 a 4 horas.
Filtração:
Utiliza-se as taxas empregadas na filtração em
sistemas convencionas.
No processo de abrandamento, a recirculação de
uma parcela do lodo para o início do processo
acelera as reações de precipitação.
Dimensionamento dos componentes
do sistema de abrandamento

39. Prof. José Carlos Mierzwa
Sistema de tratamento de água Water Factory 21