COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE PARTÍCULAS NA FILTRAÇÃO
DIRETA ASCENDENTE E DESCENDENTE
Angela S. Di Bernardo(*)
Engenheira Civil e Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia
de São Carlos - Universidade de São Paulo, onde atualmente realiza trabalho de
doutoramento.
Appiah Amirtharajah
School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology
Luiz Di Bernardo
Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo
Endereço (*) : Departamento de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos – USP
Av. Trabalhador São-Carlense, no. 400, CEP : 13 566-570 ; São Carlos – SP,
Fone : 55 16 273 95 28 ; Fax : 55 16 273 95 50, email: [email protected]
RESUMO
Quando a água apresenta características que permitem que seja utilizada a filtração direta, há duas
possibilidades, quais sejam: a) filtração direta ascendente; b) filtração direta descendente. Há vantagens e desvantagens
no uso de uma delas quando comparada à outra quando se destinam a aplicações em escala real. No entanto, com relação
à eficiência de remoção de partículas, existem dúvidas sobre o papel da força da gravidade, uma vez que a sedimentação
tem sido considerada como um dos principais mecanismos de transporte das partículas no interior do meio granular. Por
outro lado, a permanência das partículas nos vazios intergranulares depende das forças de aderência, havendo grande
influência da natureza da superfície das partículas (características hidrofóbicas ou hidrofílicas).
Neste trabalho foi estudada a influência da gravidade na eficiência da filtração direta ascendente e descendente
mediante a realização de ensaios em filtro de laboratório, utilizando-se partículas hidrofóbicas e hidrofílicas.
Palabras-Chave: Filtração Direta Ascendente, Filtração Direta Descendente, Remoção de partículas, Hidrofobicidade.
INTRODUÇÃO
A retenção de impurezas na filtração é considerada como o resultado de dois mecanismos distintos, porém,
complementarres: transporte e aderência. Em primeiro lugar as partículas devem se aproximar das superficies dos grãos
e, posteriormente, devem permanecer aderidas a estes de modo a resisitir às forças de cisalhamento resultantes das
características hidrodinâmicas do escomento ao longo do meio filtrante. Os mecanismos de transporte são influenciados,
principalmente, pelas características físicas e químicas do afluente, do pré-tratamento, da taxa de filtração, do meio
filtrante e do método de operação dos filtros. Dentre os mecanismos de transporte considerados para explicar a
aproximação das partículas aos grãos do meio filtrante (coletores), tem-se: impacto inercial, interceptação,
sedimentação, difusão e ação hidrodinâmica. É provável que os mecanismos ajam simultaneamente durante a filtração,
embora o grau de importância de cada um dependa das características da suspensão e do meio filtrante, além daquelas
relacionadas à operação. Os mecanismo de sedimentação, interceptação e difusão têm sido considerados os mais
importantes e responsáveis pela eficiência do processo de filtração.
1
A difusão é o transporte resultante do movimento Browniano das partículas pelo intenso bombardeio das moléculas
de água. O movimento das partículas por este mecanismo tem natureza estocástica e é altamente relevante para
partículas menores que 1µm.
O mecanismo de sedimentação é devido a força da gravidade e a respectiva velocidade de sedimentação da
partícula, a qual faz com que a partícula cruze as linhas de corrente e alcance o coletor. Neste mecanismo, a densidade
da partícula e temperatura são parâmetros importante. Este mecanismo pode ser entendido pela visualização dos vazios
como pequenas células de sedimentação ou o caminho dos poros como pequenos sedimentadores.
A combinação destes dois mecanismo resulta em uma eficiência líquida de transporte mínima para partículas com
tamanho por volta de 1µm. É interessante extrapolar estes resultados para dois protozoários: Giardia lamblia e
Criptosporidium. Cistos de Giardia lamblia com dimensão de 10-15 µm são removidos provavelmente pelo mecanismo
de sedimentação, enquanto que o Criptosporidium, com dimensão de 3-5µm deve ser removido provavelmente pelo
mecanismo de difusão.
Quando próximas à superficie dos grãos do meio filtrante, as partículas são capturadas e aderidas a estes por meio
dos mecanismos de aderência. A eficiencia da aderência entre as partículas e os coletores depende, principalmente, das
propriedades das superficies de ambos.
O presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar, em ensaios de filtração direta ascendente e descendente,
a influência do mecanismo de sedimentação e da hidrofobicidade das partículas na eficiencia da filtração.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram realizados ensaios em instalação de laboratório para comparar a remoção de partículas na filtração direta
ascendente e descendente. Na Tabela 1 são apresentadas as principais características dos ensaios realizados.
TABELA 1: Características dos ensaios realizados
Ensaio
Tipo de
Coagulante
Direção do
Partícula
Fluxo
1
2
3
4
Hidrofóbica
(PGS)
Hidrofóbica
(PGS)
Hidrofílica
(PGC)
Hidrofílica
(PGC)
Cloreto de
Cálcio: 5 g/L
Cloreto de
Cálcio: 5 g/L
Cloreto de
Cálcio: 5 g/L
Cloreto de
Cálcio: 5 g/L
Ascendente
Concentração Total
de Partículas
(#/mL)
4,5x105
(Turbidez: 12uT)
Espesura do
Meio Filtrante
(cm)
Taxa de
Filtração
(m3/m2.d)
5
120
5
120
5
120
5
120
5
Descendente
Ascendente
Descendente
4,5x10
(Turbidez: 12uT)
4,5x105
(Turbidez: 12uT)
4,5x105
(Turbidez: 12uT)
Nas Figuras 1 e 2 são apresentados esquemas da instalação utilizada nos ensaios de filtração direta ascendente e
descendente, respectivamente.
2
R OT ÂMETRO
R EGULAR IZ AD OR DE
VAZ ÃO
BOMBA
PER IST ÁLTICA
300 r pm
300 r pm
Z ON A DE
BOMBA
MIST U R A RÁPIDA
PER IST ÁLTICA
17,5 L
SOLUÇ ÃO DE
C OAGU LANTE
SUSPENSÃO DE PARTICULAS
(água deioniz ada + tampão)
D ESCARGA
F LU XO ASC EN DENTE
MED ID OR
D E PR ESSÃO
EFLUENTE
D IF ER EN CIAL
( ÁGUA F ILTR AD A)
BAIXA PR ESSÃO
5 cm
AFLUENTE
ALT A PR ESSÃO
( ÁGUA C OAGU LADA)
MEIO F ILTRANTE
FIGURA 1: Instalação de filtração direta ascendente utilizada nos ensaios
R OT ÂMETRO
R EGULAR IZ AD OR DE
VAZ ÃO
BOMBA
PER IST ÁLTICA
300 rpm
300 r pm
Z ON A DE
MIST U R A RÁPIDA
BOMBA
PER IST ÁLTICA
L
17,5 L
SOLUÇ ÃO DE
C OAGU LANTE
SUSPENSÃO DE PARTICULAS
(água deionizada + tampão)
AFLUENTE
(ÁGUA C OAGU LADA)
F LU XO D ESCEND ENTE
MED ID OR
D E PR ESSÃO
EFLUENTE
D IF ER EN CIAL
( ÁGUA F ILTR AD A)
ALT A PR ESSÃO
5 cm
D ESCARGA
BAIXA PR ESSÃO
MEIO F ILTRANTE
FIGURA 2: Instalação de filtração direta descendente utilizada nos ensaios
3
Meio Filtrante: “miçangas de vidro” (glass beads) com diâmetro entre 430 e 600µm foram utilizadas como meio filtrante
(d=2,5 g/cm3). A espessura do meio filtrante (5cm) foi adotada com base nos resultados obtidos no trabalho de
LEVEAU (2001), visando a possível ocorrência do transpasse.
Partículas: as partículas de látex com grupos sulfato e carboxilato têm sido muito utilizadas em pesquisas recentes de
filtração. As partículas de látex com grupos sulfato (PGS) são microesferas de poliestireno carregadas com grupos
funcionais de sulfato na superfície. Suspensões de partículas PGS são estáveis em uma ampla faixa de pH, embora sejam
hidrofóbicas e, portanto, sujeitas à agregação na presença de baixas concentrações de cátions bivalentes e trivalentes.
As partículas de látex com grupos carboxilatos (PGC) são produzidas pela junção de polímeros contendo grupos de
ácido carboxílico e microesferas PGS. O resultado é um polímero de látex com superfície altamente carregada e
relativamente hidrofílica. A suspensão de partículas foi preparada com água deionizada acrescentada ao volume
necessário da solução estoque de partículas, de modo a resultar 4,5x105 partículas por mL. Foi acrescentada também
solução de bicarbonato de sódio (tampão) na suspensão de modo que o pH resultante fosse 7,5.
Coagulante: Com base na literatura consultada, a dosagem de cloreto de cálcio necessária para realizar a coagulação por
compressão da camada difusa era de 5g/L. Para confirmação deste valor, foram realizados ensaios em jarteste para
verificar o potencial zeta da suspensão após a adição de diferentes dosagens de cloreto de cálcio. Para a dosagem de
5g/L, o potencial zeta variou de -6,5 a -3,1mV. O sulfato de alumínio também foi estudado, mas os resultados não se
encontram neste trabalho.
Parâmetros de Controle: durante os ensaios, os seguinte parâmetros foram medidos: perda de carga no meio filtrante,
contagem de partículas, turbidez, pH, condutividade e potencial zeta
RESULTADOS OBTIDOS
Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os resultados dos ensaios de filtração direta ascendente e descendente
realizados com as partículas PGS (hidrofóbicas) e PGC (hidrofílicas).
Percebe-se na Figura 3, que durante os primeiros 30 min os valores de turbidez e número de partículas
oscilaram devido provavelmente ao período de amadurecimento do filtro. Após esse período, os valores de turbidez e
número de partículas do filtrado obtidos foram maiores na filtração ascendente, confirmando o efeito da gravidade na
eficiência de remoção de partículas. Entretanto, embora a remoção de partículas tenha sido menor, a perda de carga na
filtração ascendente foi maior.
Os resultados obtidos com as partículas hidrofílicas (PGC) também confirmaram o efeito da gravidade na
eficiência da filtração (valores de turbidez e número de partículas maiores na filtração ascendente).Novamente, a perda
de carga no meio filtrante foi maior no caso da filtração ascendente.
Os resultados obtidos nos ensaios também mostraram que a hidrofobicidade das partículas tem papel importante
na eficiência da filtração, sendo os valores de turbidez e número de partículas do filtrado significativamente maiores no
caso das partículas hidrofílicas (PGC). Os valores de perda de carga apresentados nos ensaios com as partículas PGC
foram menores que aqueles obtidos com as partículas PGS. Para melhor visualização do efeito da hidrofobicidade das
partículas na eficiência da filtração, foram construídas as Figuras 5 e 6.
4
10,0
12,0
10,0
8,0
Turbidez (uT)
7,0
6,0
5,0
4,0
Descendente
3,0
Ascendente
8,0
6,0
4,0
Ascendente
2,0
Turbidez do Efluente
2,0
1,0
0,0
0
50
100
150
200
250
300
350
0,0
0
50
100
Tempo (min)
200
350000,0
Contagem de Partículas do
Efluente
200000,0
Número de Partículas (#/mL)
Número de Partículas (#/mL)
150
150000,0
Descendente
100000,0
250
Tempo (min)
250000,0
Ascendente
50000,0
Descendente
300000,0
Ascendente
250000,0
200000,0
150000,0
100000,0
Contagem de Partículas do Efluente
50000,0
0,0
0,0
0
50
100
150
200
250
300
0
350
50
100
150
200
250
Tempo (min)
Tempo (min)
3,0
5,0
Evolução da Perda de Carga
4,5
4,0
Perda de Carga (cm)
Perda de Carga (cm)
Turbidez (uT)
Descendente
Turbidez do Efluente
9,0
3,5
3,0
2,5
2,0
Descendente
1,5
Ascendente
1,0
0,5
Descendente
2,5
Ascendente
2,0
1,5
1,0
0,5
Evolução da Perda de Carga
0,0
0,0
0
50
100
150
200
250
300
350
Tempo (min)
FIGURA 3 – Comparação entre Filtração Direta
Ascendente e Descendente
(Partículas Hidrofóbicas: PGS)
0
50
100
150
200
250
Tempo (min)
FIGURA 4 – Comparação entre Filtração Direta
Ascendente e Descendente
(Partículas Hidrofílicas:PGC)
5
12,0
10,0
Turbidez do Efluente
9,0
Turbidez do Efluent e
P GS - Hidrof óbic a s
P GS - Hidr of óbic a s
P GC - Hidrof í lic a s
10,0
P GC - Hidr of í lic a s
8,0
7,0
8,0
6,0
6,0
5,0
4,0
4,0
3,0
2,0
2,0
1,0
0,0
0,0
0
50
350000,0
100
150
200
Te mpo (min)
250
300
50
350000,0
Cont agem de Part ículas do Efluent e
P GS - Hidrofóbic a s
300000,0
0
350
100
150
Te mpo ( min)
200
300
Contagem de Partículas do Efluente
P GS - Hidrofóbic a s
300000,0
P GC - Hidrofí lic a s
250
P GC - Hidrofí lic a s
250000,0
250000,0
200000,0
200000,0
150000,0
150000,0
100000,0
100000,0
50000,0
50000,0
0,0
0
5,0
50
100
150
200
Te mpo ( min)
250
300
350
0,0
0
50
100
150
Te mpo (min)
200
250
300
4,0
Evolução da Perda de Carga
Evolução da Perda de Carga
4,5
3,5
4,0
3,0
3,5
P GS - Hidrofóbic a s
2,5
P GS - Hidr of óbic a s
3,0
P GC - Hidr of í lic a s
2,5
P GC - Hidrofí lic a s
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
0
50
100
150
200
Te mpo (min)
250
300
350
FIGURA 5 : Comparação entre Partículas Hidrofílicas
(PGC) e Hidrofóbicas (PGS)
(Filtração Direta Ascendente)
0
50
100
150
Te mpo (min)
200
250
300
FIGURA 6 : Comparação entre Partículas Hidrofílicas
(PGC) e Hidrofóbicas (PGS)
(Filtração Direta Descendente)
6
CONCLUSÕES
Com base no trabalho realizado, concluiu-se, principalmente, que:
•
a eficiência da filtração direta ascendente na remoção de partículas é menor que a eficiência da filtração direta
descendente devido ao efeito da gravidade;
•
a hidrofobicidade das partículas tem papel importante na eficiência da filtração, sendo que forças adicionais como
atração hidrofóbica e repulsão hidrofílica deveriam ser consideradas nos modelos de aderência de partículas;
•
trabalhos adicionais devem ser feitos com o intuito de modelar a filtração direta ascendente considerando os
aspectos práticos de tal tecnologia, como número de subcamadas e granulometria do meio filtrante, descargas de
fundo intermediárias, etc.
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