Precipitação, Coagulação e
Floculação
13 de Março de 2007
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Natureza das Impurezas na Água
• As dimensões das impurezas nas águas podem
variar 6 ordens de grandeza entre
– iões e moléculas em solução (~1Å = 10-10 m)
– partículas em suspensão (até dimensões da ordem de
0,1mm = 10-4 m).
• Estas partículas em suspensão podem ter
características químicas diversas e interessa que
sejam eliminadas até um nível compatível com a
utilização que se pretende dar à água.
• Começa-se por rever alguns aspectos gerais sobre
reacções químicas com formação de precipitados.
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Formação de Precipitados
Iões  núcleos  micelas (1000 Å)
(1Å)
(10 Å)
(ou partículas coloidais)

Cristalículos
(microcristais)

Agregados
cristalinos
Dispersões
coloidais
Peptização coagulação
Precipitados gelatinosos
ou floculentos
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Mecanismo de Formação de
Dispersões Coloidais
• Partículas sólidas com pequenas dimensões (ex.
micelas) podem ter iões fixados à superfície.
• Essa iões podem estar fixados por processos de
adsorção ou por ionização (ácida) de grupos que
se encontram na superfície de sólidos.
• Nas águas naturais ocorrem muitas vezes
partículas de silicatos que, aos pH correntes em
águas, estão ionizados ficando as partículas em
suspensão com cargas negativas à superfície.
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Formação de Dupla Camada
Eléctrica
• Esquema para ilustrar a formação da dupla camada
eléctrica numa partícula de silicato em suspensão
Camada primária
com carga negativa
Camada de contra-iões
onde predominam iões
positivos em solução e
que permite assegurar
a electroneutralidade
deste sistema
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Estabilização de Suspensões
Coloidais (Dupla Camada Eléctrica)
• Como se viu no esquema, à volta de cada partícula
existe uma dupla camada eléctrica:
– camada primária de iões fixos à superfície das
partículas em suspensão.
– camada de contra-iões em solução e que vão
contrabalançar a carga eléctrica da camada primária.
• Atendendo à semelhança de cargas eléctricas que
as rodeiam, estas partículas em suspensão vão
exercer entre si forças repulsivas que dificultam a
sua aproximação e coalescência podendo
permanecer assim muito tempo sem precipitar.
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Diagramas de Potenciais:
Atractivos e Repulsivos
No caso da concentração
salina mais baixa pode
haver dois mínimos
• Nesta figura estão
representados os
potenciais atractivo (VA) e
repulsivo (VR) bem como
o resultante (VT) para duas
concentrações de sais
(CS’>CS).
• Se duas partículas
chocarem e conseguirem
transpor a barreira de
potencial poderão
coalescer.
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Estabilidade e Classificação de
Colóides
• A maior parte dos sistemas coloidais são
metaestáveis ou instáveis relativamente à situação
de separação de fases.
• Colóide estável significa que as partículas não vão
formar agregados a uma velocidade apreciável.
• A formação destes agregados de micelas bem
como a velocidade a que se podem formar são
aspectos importantes no tratamento de águas.
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Coagulação e Floculação:
Terminologia (1 de 2)
• As palavras Coagulação e Floculação têm sido muitas
vezes usadas em Química como equivalentes para referir a
formação de agregados de partículas coloidais.
• Convém ver o contexto em que estas palavras são usadas
pois há autores que usam estas designações com
significado específico diferente como, por exemplo, a
coagulação de sangue.
• Para conseguir a agregação de micelas, há que proceder de
modo a diminuir ou mesmo suprimir as forças repulsivas.
• Em tratamentos de águas, o termo Coagulação aplica-se
usualmente à desestabilização das partículas coloidais para
formação do pequenos agregados designados por coágulos.
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Coagulação e Floculação:
Terminologia (2 de 2)
• Os coágulos ainda apresentam dificuldades de separação
sendo necessário um passo complementar:
• A Floculação refere-se ao passo em que as partículas se
vão juntar para formar agregados de maiores dimensões
que se designam por flocos e que são mais fáceis de
separar da fase líquida.
• Havendo diversos factores em jogo, é conveniente dispor
de ensaios destinados a avaliar os comportamentos das
partículas sólidas em suspensão: No “Jar test” há um copo
em que se tem um agitador accionado por motor eléctrico
(20 a 200rpm) e onde a amostra de água pode ser ensaiada
avaliando os efeitos que pode ter a adição de determinado
agente químico e em diferentes condições.
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Uso de Agentes Químicos para
Desestabilização de Colóides
• Pode adicionar-se agentes químicos para contrariar
a acção as forças repulsivas que resultam das
duplas camadas eléctricas que se formam nas
partículas em suspensão na águas.
• Deve ter-se em atenção o objectivo em vista que é
o tratamento das águas pelo que estes agentes não
devem ser contaminantes tóxicos naquilo que se
pretende que venha a ser uma água potável.
• Há diferentes mecanismos em jogo que podem ser
usados para atingir este fim e isso deve ser
realizado de modo simples e rápido.
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Mecanismos de Desestabilização
de Colóides
•
Como se discutirá a seguir, os mecanismos em
jogo podem ser:
1. “Compressão” da dupla camada eléctrica diminuindo
ea espessura da camada de contra-iões.
2. Adsorção de iões para neutralização de carga eléctrica
da camada primária.
3. Arrastamento num precipitado volumoso de
hidróxido de alumínio ou hidróxido de ferro(III).
4. Uso de polímeros: Adsorção e formação de pontes
entre partículas
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Desestabilização de Colóides
13 de Março de 2007
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1) “Compressão” da Dupla Camada
• Em ensaios (do tipo “jar
test”) são obtidas curvas
como as apresentadas na
figura e que permitem
avaliar o comportamento
do sistema: redução da
turbidez com o aumento
de concentração de
electrólito.
• Nesta figura vê-se que
iões de maior carga são
mais efectivos (regra de
Shultze-Hardy).
• A adição dum electrólito
reduz a espessura da
camada de contra-iões
diminuindo os potenciais
repulsivos. Isso permite
explicar a desestabilização
dos colóides por este
mecanismo.
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2) Adsorção e Neutralização de Carga
• Uma amina orgânica ao
pH da água está na forma
de ião alquilamónio e vai
ser adsorvida à superfície
da partícula sólida
neutralizando a carga da
camada primária.
• Excesso de amina
adsorvida vai promover a
re-estabilização o colóide
pois vai formar-se uma
camada primária agora
com carga positiva.
Embora existam forças de
atracção entre os iões positivos e
as cargas negatívas da camada
primária, nesta fixação de
aminas à superfície da partícula
sólida, predominam forças de
Van der Waals.
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3) Arrastamento num Precipitado
• Juntando à água sais de
Al(III) ou Fe(III), a
valores de pH próximos de
7 formam-se precipitados
de hidróxidos dos iões
metálicos.
• Estes precipitados bastante
volumosos permitem o
aprisionamento e
susequente arrastamento
de partículas em
suspensão na água.
Neste diagrama, deve prestar-se
atenção à descida de turvação
que ocorre a concentrações altas
de Al(III). O efeito observado a
concentrações mais baixas será
discutido no diapositivo 11.
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Diagramas de Especiação do Al(III)
• Figura com fracções de alumínio(III) em diferentes formas.
Simbologia é ilustrada com os exemplos das espécies
predominantes na solução mais concentrada (0,1m):
Al3+ (1,0), Al13(OH)327+ (13,32) e Al(OH)4- (1,4).
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Diagramas de Especiação do Al(III)
e Curva de Solubilidade
• A cada espécie corresponde uma linha recta devido a que as
escalas dos eixos são logarítmicas. A curva que aparece a
traço mais grosso corresponde à soma das concentrações:
solubilidade do alumínio em equilíbrio com o hidróxido de
alumínio sólido.
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Dosagens: Zonas de Sobressaturação
• Para assegurar uma precipitação rápida é necessário usar
concentrações bastante superiores aos limites de
solubilidade e as dosagens de coagulante são apontadas
para as zonas de sobressaturação assinaladas na figura.
19de30
Uso de Polímeros com Formação de
Pontes entre Partículas em Suspensão
• A adição de polímeros à
água permite a formação
de pontes entre partículas
e que resultam da
adsorção entre as
partículas em suspensão e
as moléculas de polímero.
• Este polímeros podem ser
neutros mas até podem ter
carga do mesmo sinal das
partículas a precipitar.
Verifica-se que um excesso de
polímero também vai fazer
com que as partículas voltem a
ficar em suspensão. Na figura
seguinte, estão indicados
mecanismos que permitem
explicar estes efeitos. 20de30
Uso de Polímeros
• Este mecanismo é
especialmente útil para a
fase de floculação e as
reacções 1 e 2 dão uma
descrição do mecanismo
de actuação destes
polímeros.
• As outras reacções
permitem explicar as
possibilidades de resuspensão das partículas
de sólido devido a excesso
de polímero.
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Coagulação: Condições e
Dosagens
• A discussão das dosagens óptimas de coagulantes
bem como a utilidade de coadjuvantes de
precipitação pode ser facilitada mediante um
diagrama de coagulação como o que se apresenta
na figura seguinte.
• No gráfico, estão assinaladas as zonas de
coagulação em função de concentração de colóide
existente inicialmente na água e concentração de
agente coagulante adicionado.
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Dosagem de Coagulante e
Concentração de Colóides
• Um efeito que tinha sido
referido no diapositivo 4
pode observar-se na figura
(linha S2 assinalada com
seta).
• Para concentrações baixas
de coagulante, há uma
coagulação na zona 2 . O
aumento de concentração
provoca re-suspensão na
zona 3. Na zona 4, há
arrastamento pelo
precipitado (“sweep floc”).
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Considerações sobre Técnicas e
Materiais Utilizados
• Pode observar-se na figura que é mais fácil a coagulação
para concentrações maiores de colóides o que pode
justificar a adição de auxiliares de coagulação como a
bentonite ou sílicas activadas nos casos das concentrações
baixas de colóide.
• Tanto para estes materiais como para os polielectrólitos ou
outros agentes químicos utilizados no tratamento de águas
tem que haver respeito por normas de segurança para não
haver o perigo de introduzir contaminantes tóxicos nas
águas para consumo humano.
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Transporte de Partículas
(Floculação)
13 e 20 de Março de 2007
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Transporte de Partículas (Floculação)
• Agitação térmica das partículas
(movimentos brownianos).
• Movimentos no seio do fluído (agitação
mecânica).
• Diferenças de velocidade de descida por
acção da gravidade (as partículas mais
rápidas podem chocar com as mais lentas).
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Movimentos Brownianos
(Floculação pericinética)
• Agitação térmica das partículas
dN 4  cef  kT

( N )2
dt
3
Nº
N
1  t / t1 / 2
cef = “collision efficiency factor”
 = viscosidade
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Agitação do Fluído
(Floculação Ortocinética ) (1/2)
• Deve ter-se em conta que a velocidade do
fluído varia de ponto para ponto e também é
variável ao longo do tempo.
• A ocorrência de colisões está favorecida
porque nem todas as partículas se movem à
mesma velocidade.
• Um gradiante médio de velocidade ( G )
pode dar conta da existência destas
28de30
diferenças de velocidades do fluído.
Agitação do fluído
(Floculação ortocinética) (2/2)
dN 2  cef  G  d 3  ( N ) 2

dt
3
N
4
ln
   cef    G  t
No

  d0 N0
3

6
V = volume do tanque
e
 p 

G 
 V 
 = volume ocupado pelas partículas coloidais
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Projecto de Unidades de Floculação
• Facilitar contactos entre partículas:
G , configuração do tanque e tempo de retenção.
• Aglomeração suficiente para ser possível a
remoção por sedimentação e/ou filtração.
• Considerando valores fixos de G, cef e , fica
cinética de 1ª ordem com tempo de retenção total:
1/ m
0


N 
 m
m  tCMF 
 0   1
4  cef  G    N m 

CMF = ”Completely Mixed Flow reactor” ou CSTR
“Continuous Stirred Tank Reactor”
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