23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

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1 INVESTIGAÇÃO DO MECANISMO DE INTERAÇÃO BOLHA PARTÍCULA NA FLOTAÇÃO POR AR DISSOLVIDO PARA SEPARAÇÃO DE FLOCOS EXPANSIVOS DO TRATAMENTO DE EFLUENTE DE INDÚSTRIA ALIMENTÍCIA Alves, A.G.T. (1) ; Viotto, T.E.F. (1) ; Ribeiro, E.A.M. (2) ; Canobre, S.C. (1) ; Filho, G.R. (1) e Amaral, F.A. (1)*. (1) LAETE - Laboratório de Armazenamento de Energia e Tratamento de Efluentes. Instituto de Química, Universidade Federal de Uberlândia UFU Av. João Naves de Ávila, 2121, CEP , Uberlândia, MG, Brasil (2) ESTES Escola Técnica de Saúde, Universidade Federal de Uberlândia UFU *fabioamaral@ufu.br RESUMO O presente trabalho utilizou efluente de indústria alimentícia para o tratamento físico-químico com posterior separação sólido-líquido por flotação por ar dissolvido (FAD) com adição de tensoativos ou floculantes na câmara de saturação, que atuaram como auxiliares de coagulação e flotação, respectivamente. O processo de coagulação foi realizado com tanino catiônico e, posteriormente, foi avaliada a atuação da FAD com adição de floculantes hemicelulose catiônica (HC) e Sulfacetato de celulose de caráter aniônico (SAC) e de tensoativos Dodecil Sulfato de Sódio (DSS), de caráter aniônico e TetrabutylAmnoniumBromide (TBAB), de caráter catiônico. A adição dos auxiliares de caráter aniônico reduziu consideravelmente o volume de lodo. Os dois auxiliares de flotação de caráter aniônico investigados destacaram-se, cujo Sulfacetato de celulose promoveu redução de volume de lodo em 58,4% e promoveu a remoção de turbidez em 92,1%. Palavras chave: auxiliares de flotação, efluente de indústria alimentícia, fontes renováveis. INTRODUÇÃO O tratamento de efluentes é realizado por diversas técnicas, que são uma combinação de vários processos físico e químicos, utilizados nas Estações de Tratamento de Esgoto, a fim de adequar o efluente dentro dos parâmetros estabelecidos por lei. O CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente) é órgão ao qual compete a responsabilidade de estabelecer e monitorar os parâmetros do 7277

2 tratamento de agua e esgoto, e por meio da Resolução Nº 430, de 13 de maio de 2011, são estabelecidos os requisitos para o lançamento de efluente em corpo d água. Dentre várias exigências, as que concedem a este trabalho propriedades de melhorias são: Controle do ph, concentração de materiais sedimentáveis, vazão, concentração de óleo, ausência de materiais flutuantes, remoção mínima da demanda química de oxigênio e índice de turbidez. Dentre os processos existentes para separação sólido-líquido, a flotação por ar dissolvido (FAD) vem ganhando cada vez mais espaço, por proporcionar diversas vantagens, tais como: maior taxa de aplicação superficial, maior eficiência do processo, ocupa uma menor área útil e proporciona a geração de um lodo mais compacto (1). A principal característica que diferencia este processo dos demais, é que ele provoca a reação inversa do que ocorreria espontaneamente: a sedimentação das partículas. Este fenômeno é possibilitado devido a tensão superficial do meio de dispersão e o ângulo de contato formado entre as bolhas e as partículas no ato de aderência das partículas às bolhas. A consequência disso é a formação de espécie de espuma, chamado de lodo de flotação, no qual as misturas de sólidos e líquidos é abundante em sólido (2). A interação bolha-partícula no processo de FAD é governada por diversos fatores, que resulta em diferentes mecanismos de interação e consequentemente ascensão para a superfície. Nesse processo os principais mecanismos são (3) : a) Colisão bolha-partícula causada pela turbulência e/ou atração de carga que pode resultar em ligação (attachment); b) Captura da bolha na estrutura do floco (entrapment), e pode ocorrer durante a formação do floco, ou devido à quebra e reformação do floco no jarro; c) Crescimento de grandes bolhas no núcleo de sólidos contidos em estruturas floculares (growth); Com o intuito de investigar os mecanismos de interação bolha partícula, e também otimizar o processo de FAD, auxiliares de flotação (surfactantes) foram utilizados na câmara de saturação, de modo geral, são agentes de atividades de superfície. Surfactantes são moléculas anfipáticas as quais possuem tanto propriedades hidrofílicas como hidrofóbicas, e que tem atividade de superfície. 7278

3 No processo de flotação os surfactantes possuem duas funções: a) favorecer a adsorção na interface sólido/líquido, com a finalidade de promover a seleção de caráter de superfície hidrofóbica, visto que modifica o caráter das partículas inicialmente polares, b) interferir na cinética da ligação bolha-partícula no qual estabelecem ângulo de contato satisfatório e promove o aumento da elasticidade do filme líquido (4). As Hemiceluloses Catiônicas (floculante) possuem fórmula estrutural rica em grupos aminas sendo um composto biodegradável de fonte renovável e sustentável. Já o Sulfacetato de celulose (floculante) possui algumas particularidades, como a capacidade de se dissolver em água espontaneamente, e apresenta uma boa estabilidade eletrostática de agregação e mecânica, tornando-o promissor como floculante no processo de tratamento de águas e efluentes (5). No presente trabalho foi investigado a atuação das Hemiceluloses Catiônicas (caráter catiônico) e do Sulfacetato de Celulose (caráter aniônico) como auxiliares de flotação, a fim de averiguar suas eficiências na promoção da separação sólidolíquido por flotação por ar dissolvido (FAD) comparado com a eficácia de tensoativos já utilizados como o DodecilSulfato de Sódio e TetrabutylAmnoniumBromide em efluente de indústria alimentícia. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foi investigado a atuação das Hemiceluloses Catiônicas (HC) e do Sulfacetato de Celulose (SAC) como agentes de flotação de fontes renováveis, a fim de averiguar suas eficiências na promoção da separação sólidolíquido por flotação por ar dissolvido (FAD) comparado aos tensoativos Dodecilsulfato de sódio (DSS) e TetrabutylAmnoniumBromide (TBAB). Síntese das Hemiceluloses As Hemiceluloses foram extraídas seguindo a metodologia descrita no fluxograma da Figura

4 Casca do amendoim (5,0g) e 100,0 ml de água destilada Filtrar e lavar com 30 ml de água destilada. Em seguida neutralizar com ác. acético 10% (v/v) Resíduo do funil (Celulose) Agitação mecânica T = 75º (todo o período) Sobrenadante Hemicelulose 2,0 ml de ác. acético e 3,0 g de NaClO 2 40,0 ml de água destilada Precipitar com etanol/ ác. acético (1/1 v/v) t = 1h (4vezes) Em seguida resfiar, filtrar e lavar com H 2 O ( 5 ºC) Secar T = 105 ºC t = 6h 2 min em repouso e posteriormente triturar o material por 8 min Resíduo Fibroso Resíduo Fibroso (1,0g) e 15,0 ml de NaOH (17,5%) Figura 1: Fluxograma da metodologia de extração das hemiceluloses e celulose a partir da casca de amendoim (6). Síntese de sulfatocetato de celulose aniônico (SAC) A síntese foi realizada segundo descrito por Nascimento e colaboradores (7), no qual o SAC foi obtido a partir da reação de acetilação em concomitante com a reação de sulfonação da celulose, quando o ácido sulfúrico é utilizado como catalisador da reação. Assim, os grupos sulfatos podem ser incorporados pela celulose, competindo com os grupos acetila e consegue-se um derivado celulósico acetilado solúvel em água. Cationização das hemiceluloses O processo de cationização das Hemiceluloses foi realizado utilizando a metodologia descrita por Landim e colaboradores (8), a qual foi realizada em meio homogêneo utilizando 2,3-epoxipropiltrimetilamonio (ETA) como agente cationizante e hidróxido de sódio como catalisador. 7280

5 Tratamento físico-químico do efluente industrial de indústria alimentícia O tratamento físico-químico foi realizado em um Jar Test, com câmara de saturação em aço inoxidável e jarros modificados para flotação em acrílico, no qual foi colocado 1 litro de efluente em cada jarro, em seguida foi realizada a etapa de alcalinização a fim de adequar o ph de equalização. Posteriormente foi adicionado tanino até atingir o ph 9, que é o ph de coagulação ideal determinado previamente. Após completa adição do coagulante foi avaliada a separação sólido/líquido utilizando flotação por ar dissolvido e a influência da adição de auxiliares de diferentes cargas na câmara de saturação, tendo como parâmetro de avaliação as medidas de eficiência da remoção de turbidez e volume de lodo formado. A preparação da água saturada para a separação sólido-líquido por FAD, se deu pela adição em mesma concentração de 20 ppm dos diferentes tipos de auxiliares de flotação Hemiceluloses Catiônicas e Sulfacetato de Celulose (floculantes) ou Dodecil Sulfato de Sódio e TetrabutylAmnoniumBromide (tensoativos) por um tempo de saturação de 20 min. A água foi injetada a uma pressão de 5,0 Kgf.cm -2 e administrado no efluente na proporção de 25%/75% (água saturada/efluente). Para a realização da FAD, um sistema foi utilizado, o qual consiste na utilização de um Jar Test e uma câmara de saturação, com jarros modificados para flotação construídos em acrílico, e câmara de saturação em aço inoxidável. RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise da atuação de auxiliares de flotação no processo de FAD A coagulação do efluente de indústria alimentícia foi realizada utilizando-se o tanino catiônico como coagulante primário, no qual obteve-se o ph de equalização 12 e o ph de coagulação 9 como o ph que apresentou maior remoção de turbidez, porém houve a formação de um lodo disperso e de difícil separação por decantação, como apresentado na Figura 1, que exemplifica as características do lodo obtido. A utilização de tanino como coagulante ocorreu, pois atualmente a utilização de coagulantes orgânicos em detrimento a coagulantes inorgânicos têm sido preferido devido ao enfoque ambiental cada vez maior, onde existe a busca pela biodegradabilidade dos rejeitos aliado ao avanço econômico sustentável. 7281

6 Figura 1: Foto ilustrativa do lodo formado após o tratamento do efluente industrial com coagulante tanino. Fonte: A autora. Com o intuito de avaliar a melhoria da separação sólido/líquido para o efluente industrial, foram realizados ensaios de FAD com adição de auxiliares, que contribuíram tanto para melhorar a coagulação quanto para a redução do volume de lodo formado, atuando como auxiliares de coagulação e flotação. Foram utilizados duas classes de auxiliares, floculantes e tensoativos. Os floculantes, HC e SAC, possuem a vantagem de serem biodegradáveis e serem de fontes renováveis (9). Os tensoativos apesar de não apresentarem alta toxicidade, são resistentes à biodegradação, suas propriedades lipossolventes lhes conferem efeito bactericida, prejudicando processos biológicos importantes ao bom funcionamento dos ecossistemas aquáticos (10). A Figura 2, apresenta os resultados obtidos do tratamento do efluente utilizando FAD e os tensoativos como auxiliares de coagulação e flotação. 7282

7 Volume de Lodo / ml.l -1 de efluente Branco TBAB DSS Branco TBAB DSS Figura 2: Variação do volume de lodo e eficiência de remoção de turbidez para o sistema sem adição de auxiliares, denominado branco, e auxiliares de flotação, Dodecil sulfato de sódio (DSS) e TetrabutylAmnoniumBromide (TBAB) Eficiencia de Remoção de Turbidez/ % A Figura 2 apresenta os resultados para FAD sem adição de auxiliar (branco), com adição dos auxiliares TBAB e DSS. Foi possível observar uma variação de 3,62% entre os três testes de eficiências de remoções de turbidez. O que sugere que a variação da eficiência da remoção de turbidez não foi influenciada pela adição dos auxiliares. Outro parâmetro de controle para avaliação de auxiliares, foi a influência no volume de lodo formado. No qual, os auxiliares que se mostraram com maior redução no volume de lodo em relação ao branco. Sendo de 123,5 ml e 105,0 ml, para o DSS e TBAB, respectivamente. O DSS foi o auxiliar que apresentou, comparado com o branco, maior redução no volume de lodo. Tal observação pode ser relacionada a atração de cargas do sistema. Pois ao promover a coagulação com tanino, o sistema fica com caráter catiônico devido ao caráter do tanino, quando é promovida a FAD com DSS, que possui caráter aniônico, houve uma interação mais efetiva, o que resultou em um lodo mais compacto. Para o TBAB por possuir um caráter catiônico, a interação foi menos favorável, resultando em uma diminuição do volume de lodo não tão efetiva como o promovido por DSS (Figura 2). Segundo Oliveira & Rubio (11) o mecanismo de agregação de partículas por interação de tensoativos (como auxiliares de flotação) é promovido devido a desestabilização que promove a agregação e ocorre a partir da adsorção destes reagentes na interface sólido-líquido, tornando as partículas hidrofóbicas, 7283

8 possibilitando, assim uma aproximação das mesmas e sua agregação. Este mecanismo esta exemplificado na Figura 3. Figura 3: Mecanismos de agregação com tensoativos (atuantes como auxiliares de flotação): formação de micelas e interação hidrofóbica (11). A adsorção de tensoativos como auxiliares de flotação na interface sólido/solução ocorre, principalmente, via interações eletrostáticas, químicas (entre a parte polar e os sítios superficiais) e hidrofóbicas (ou interação, efeito hidrofóbico ou forças hidrofóbicas) (11). Neste sentido, foi analisado o caráter de cada auxiliar de flotação. O DSS possui caráter aniônico, caráter oposto ao do coagulante, o que favoreceu à obtenção de uma maior eficiência de remoção de turbidez e maior compactação do lodo formado. Volume de Lodo / ml.l -1 de efluente Branco HC SAC Branco HC SAC Eficiencia de Remoção de Turbidez/ % Figura 4: Variação do volume de lodo e eficiência de remoção de turbidez para o sistema sem adição de auxiliares, denominado branco, e agentes floculantes, hemiceluloses catiônicas (HC) e sulfacetato de celulose (SAC) aplicados no processo da FAD. 7284

9 A Figura 4 apresenta os testes utilizando como auxiliares de flotação a HC e o SAC. Ambos os auxiliares quando comparados com o teste branco apresentam uma eficiência de remoção de turbidez equivalente, com variação de 2,16%, entre os três testes. Em relação ao parâmetro de volume de lodo formado, a variação em relação ao branco foi de 110 ml e 156 ml para HC e SAC, respectivamente. Tais valores sugerem que o SAC produziu um lodo com maior compactação, uma vez que este apresentou o menor volume de lodo formado. Segundo Vanacor (12) um dos mecanismo de floculação promovido por polímeros orgânicos se dá pela captura do colóide, e depois este aglomerado se liga a vários outros, formando uma malha conforme exemplificado na Figura 5. Uma consequência prática da capacidade dos polímeros catiônicos em absorver colóides carregados negativamente por interações químicas e eletrostáticas e neutralizar a carga negativa primária nas partículas naturais é que estes polímeros não necessitam de possuírem massa molar grande para serem efetivos na desestabilização. Figura 5: Mecanismo de floculação por pontes poliméricas (11). Neste sentido, ao analisar o caráter iônico dos polieletrólitos, foi possível perceber que ao utilizar a HC como auxiliar de flotação (mesmo caráter iônico do coagulante), apresentou menor compactação do volume de lodo. Já o SAC, por apresentar um caráter aniônico, resultou em uma diminuição significativa de lodo formado quando comparado com aquele obtido para o branco. Com base nos dados obtidos por meio do tratamento de FAD, pode-se notar que o caráter iônico dos auxiliares de flotação contribuiu ou não para diminuição da quantidade de lodo formado, demonstrando que a carga influência na estabilização do floco e mantém a remoção de turbidez. Portanto, segundo Gochin (3) a interação 7285

10 bolha-partícula do sistema provavelmente ocorre mecanismo de interação attachment, no qual a colisão bolha-partícula causada pela turbulência e/ou atração de carga que pode resultar em ligação. Os auxiliaram de flotação adicionados, também contribuíram na remoção da cor do sistema (Figura 6(b)), um parâmetro geralmente alterado quando se utiliza tanino, o qual confere uma coloração marrom ao efluente (Figura 6(a)). (a) (b) Figura 6: Fotos ilustrativa do tratamento do efluente utilizando FAD: (a) sem adição de auxiliar flotação e (b) com adição de auxiliar de flotação. Fonte: A autora. CONCLUSÕES O uso do biopolímero, extraído de fonte renovável, Tanino Catiônico como coagulante permitiu coagulação do efluente, sob mecanismo por formação de pontes/varredura, formando flocos expansivos. A utilização de flotação por ar dissolvido, com utilização de auxiliares de flotação, em efluente da indústria alimentícia, apresentou boa resposta quando avaliado em função da remoção de turbidez, volume de lodo formado e da remoção de cor do efluente. A adição do auxiliar de flotação manteve quase inalterada a remoção de turbidez, mas com considerável redução de volume de lodo. O caráter iônico dos auxiliares foram determinantes em relação à estabilidade da solução. Assim, o DSS e o SAC (de caráter aniônicos) foram os auxiliares que demostraram serem mais adequados para 7286

11 serem aplicados neste tratamento. Dentre os dois auxiliares de flotação de caráter aniônico investigados, destaca-se o sulfacetato de Celulose que promoveu maior redução de lodo e quando comparado ao tensoativo DSS é mais ambientalmente seguro resultou em alternativa promissora para um tratamento com um menor impacto ambiental no corpo d água no qual será depositado. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG (APQ ; APQ ), CNPq (CNPq2018EXA002), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES), Rede Mineira e à Universidade Federal de Uberlândia, pelos auxílios financeiros e bolsas concedidas. REFERENCIAS (1) MENEZES, J.C.S.S. TRATAMENTO E RECICLAGEM DO EFLUENTE DE UMA LAVANDERIA INDUSTRIAL. Porto Alegre, (2) MASSI, L.; SOUSA, S. R.; LALUCE, C.; JAFELICCI JUNIOR, M. FUNDAMENTO E APLICAÇÃO DA FLOTAÇÃO COMO TÉCNICA DE SEPARAÇÃO DE MISTURAS. Química Nova na Escola, n.28, p. 4. (3) GOCHIN, R. J.; SOLARI, J. THE ROLE OF HYDROPHOBICITY IN DISSOLVED AIR FLOTATION. Water Research, Pergamon Press, v. 17, n. 6, p , (4) RAO, S. R. SURFACE CHEMISTRY OF FROTH FLOTATION. 2 ed.,new York: Springer, v. 1, p (5) GRINSHPAN, D. D.; SAVITSKAYA, T. A.; TSYGANKOVA, N. G.; MAKAREVICH, S. E.; TRETSIAKOVA, S. M.; NEVAR, T. N. CELLULOSE ACETATE SULFATE AS A LYOTROPIC LIQUID CRYSTALLINE POLYELECTROLYTE: SYNTHESIS, PROPERTIES, AND APPLICATION. International Journal of Polymer Science, 1, 1-17, (6) MORAIS, J. P. S, ROSA, M. F. R, MARCONCINI, J. M. PROCEDIMENTOS PARA ANÁLISE LIGNOCELULÓSICA, Campina Grande: EMBRAPA, p. (7) NASCIMENTO, B.; RODRIGUES FILHO, G.; FRIGONI, E. S.; SOARES, H. M.; MEIRELES, C. S.; CERQUEIRA, D. A.; VALENTE, A. J. M.; CARVALHO, R. A.; ASSUNÇÃO, R. M. N.; MOTTA, L. A. C. APPLICATIONOFCELLULOSESULFOACETATEOBTAINEDFROMSUGARCANE BAGASSE AS ANADDITIVE IN MORTARS. Jounal of Applied Polymer Science, 124, , (8) LANDIM, A. S; RODRIGUES FILHO, G; SOUSA, R. M. F.;RIBEIRO, E. A. M.; SOUZA, F. R. B.; VIEIRA, J. G.; ASSUNÇÃO, R. M. N.; CERQUEIRA, D. A. APPLICATION OF CATIONIC HEMICELLULOSES PRODUCED FROM CORN HUSK AS POLYELECTROLYTES IN SEWAGE TREATMENT. Polímeros São Carlos, 23, , (9) RIBEIRO, E. A. M.; RODRIGUES FILHO, G.; ROZENO, N. S.; NOGUEIRA, J. M. B. A.; RESENDE, M. A.; THOMPSON JUNIOR, J. P.; VIEIRA, J. G.; CANOBRE, S. C.; AMARAL, F. A. POLYMERIC POLYELECTROLYTES OBTAINED FROM RENEWABLE SOURCES FOR BIODIESEL WASTEWATER TREATMENT BY DUAL-FLOCCULATION. Express Polymer Letters, 11, , 2017a. (10) MARCHETTI, T. TRATAMENTO DE EFLUENTE LÍQUIDO DA INDÚSTRIA DE COSMÉTICOS COM SULFATO DE ALUMÍNIO E BIOPOLÍMERO. Revista da Graduação, v. 7, n.1,

12 (11) OLIVEIRA, C. RUBIO, J. MECANISMOS, TÉCNICAS E APLICAÇÕES DA AGREGAÇÃO NO TRATAMENTO MINERAL E AMBIENTAL: SÉRIE TECNOLOGIA AMBIENTAL. Rio de Janeiro: CETEM/MCT, (12) VANACÔR, R.N. AVALIAÇÃO DO COAGULANTE ORGÂNICO VETA ORGANIC UTILIZADO EM UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO PÚBLICO, f. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, INVESTIGATION OF THE INTERACTION MECHANISM BOLT PARTICLE IN DISSOLVED AIR FLOATING FOR SEPARATION OF EXPANSIVE FLOCKS FROM THE TREATMENT OF FOOD INDUSTRY EFFLUENT ABSTRACT The present work utilized effluent from the food industry for the physical-chemical treatment with subsequent solid-liquid separation by flotation by dissolved air (FAD) with addition of surfactants or flocculants in the saturation chamber, which acted as coagulation and flotation aids, respectively. The coagulation process was carried out with cationic tannin and, afterwards, the action of FAD with the addition of flocculants - cationic hemicellulose (HC) and anionic cellulose acetate sulfate (SAC) - and of surfactants - Dodecyl Sulfate (DSS), of an anionic character and TetrabutylAmnoniumBromide (TBAB), of cationic character. The addition of the anionic auxiliaries considerably reduced the volume of sludge. The two anionic flotation auxiliaries investigated were highlighted, whose cellulose sulfacetate promoted reduction of sludge volume in 58.4% and prompted the removal of turbidity in 92.1%. Keywords: flotation auxiliaries, effluent from food industry, renewable sources. 7288