Aula 4: Química das Águas

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1 QUÍMICA ANALÍTICA AMBIENTAL Aula 4: Química das Águas - Parâmetros de qualidade das águas - Aspectos analíticos relacionados à análise de águas Prof. Rafael Sousa Departamento de Química UFJF 1º período de 2013

2 Recapitulando... Contexto multidisciplinar da Química Ambiental - Relação entre poluição e desenvolvimento sócio-econômico Química analítica ambiental - Equipamentos portáteis - Características das amostras Necessidade de realizar validações Química das águas - Importância da água - Exemplos de substâncias tóxicas na água - Os principais processos químicos aquáticos

3 CONTEXTO: INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS O aporte de substâncias nos mananciais Origina-se de várias FONTES: - Efluentes domésticos e industriais - Escoamentos superficial urbano e agrícola DEPENDE do tipo de uso e ocupação do solo Cada uma dessas FONTES possui características próprias quanto aos poluentes que transportam, como: - Contaminantes orgânicos (biodegradáveis) - Nutrientes - Bactérias

4 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS CONTEXTO DA POLUIÇÃO DAS ÁGUAS: Mesmo separando os poluentes em grupos, a diversidade das indústrias existentes aumenta, ainda mais, a variabilidade dos contaminantes aportados nos corpos de água Torna-se praticamente impossível a determinação sistemática de todos os poluentes que possam estar presentes nas águas superficiais, em tempo relativamente curto... Existem parâmetros de qualidade de água, levando em conta os poluentes mais representativos Físicos Químicos Microbiológicos Bioensaios ecotoxicológicos

5 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Parâmetros de qualidade Indicadores de qualidade das águas Usados para a MONITORAÇÃO e FISCALIZAÇÃO ambiental com base da legislação CONAMA nº 357, de 17 de março de 2005 CETESB: Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (Secretaria de Meio Ambiente de SP) - IGAM: Instituto Mineiro de Gestão das Águas -

6 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Os parâmetros de qualidade PARÂMETROS FÍSICOS Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Temperatura - Solubilidade de gases como o O 2 O aumento da T diminui - Favorece processos aeróbicos mau cheiro (produtos de degradação) Medida e instrumentação bastante simples

7 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Condutividade elétrica É ocasianada pelas substâncias dissolvidas que se dissociam em cátions e ânions em função da temperatura Muitos sais encontrados nas águas são de origem antropogênica - Descargas industriais - Consumo de sal nas residências - Excreções da população e animais IDENTIFICAR MODIFICAÇÕES NA COMPOSIÇÃO DA ÁGUA

8 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Sólidos Correspondem a partículas diversas, sedimentáveis ou não e que podem ser separadas por filtração sólidos Impurezas na água contribuem para o aumento na quantidade de A MEDIÇÃO DOS SÓLIDOS NÃO DISSOLVIDOS é o peso dos sólidos filtráveis, expresso em mg/l

9 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Cor NATURAL: teor de matéria orgânica decomposta e íons de Fe e Mn ALTERADA: ações antropogênicas... MEDIDA - Baseada na intensidade da cor amarela - Utilizando uma escala de cores (Escala de Platina-cobalto ou Escala APHA Hazen), unidade mg Pt/L Análises visuais ou instrumentais Padronizadas pela ASTM D1209, Standard Test Method for Color of Clear Liquids (Platinum-Cobalt Scale)

10 PARÂMETROS FÍSICOS DE QUALIDADE Temperatura, condutividade elétrica, sólidos, cor e turbidez Turbidez É uma medida que representa o quanto uma amostra de água interfere na luz que passa por ela Águas turvas desfavorecem a fotossíntese de vegetações submersas (menos vegetação menos peixes) MEDIDA - Realizada no TURBIDÍMETRO (método espectroscópico) - Unidade: NTU (unidade nefelométrica de turbidez)

11 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS PARÂMETROS QUÍMICOS Alcalinidade, dureza, ph Oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO) Série de nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrato e nitrito) Fósforo total Surfactantes Óleos e graxas Cianetos Fenóis e demais contaminantes orgânicos Ânions (cloretos, sulfetos) Íons metálicos (ferro, potássio, sódio, magnésio, manganês, alumínio, zinco, bário, cádmio, níquel, chumbo, cobre, cromo (III), cromo (VI), selênio, mercúrio) arsênio e boro

12 PARÂMETROS QUÍMICOS Alcalinidade, dureza, ph - Relacionados com as espécies CO 2, CO 3 2-, Ca 2 +, Mg 2+ e H + (correlacionadas) Águas mais alcalinas geralmente dureza moderada a muito dura pouca quantidade de íons H + - Dureza pode ser expressa de várias formas ( dureza de cálcio, dureza de magnésio, dureza total ([Ca 2+ ] + [Mg 2+ ]) - IMPORTÂNCIA desses parâmetros Seres vivos necessitam de água em ph próximo à neutralidade Tubulações de água (domésticas ou industriais) podem ser entupidas (águas duras) ou ter elementos metálicos lixiviados Níveis fora dos padrões Água com sabor desagradável e pode ter efeitos laxativos

13 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS PARÂMETROS QUÍMICOS Alcalinidade, dureza, ph Ex de classificação da dureza total da água, expressa em quantidade de CaCO 3 Dureza mg/l de CaCO 3 Classificação da água <15 muito branda de 15 a 50 de 50 a 100 de 100 a 200 branda moderadamente branda dura >200 muito dura

14 Oxigênio dissolvido, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO) - Oxigênio dissolvido e DBO Aula 3 - Demanda química de oxigênio É a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica através de um agente químico Os valores obtidos são geralmente maiores do que os da DBO e podem ser conseguidos em menos tempo Útil para detectar substâncias resistentes à degradação biológica PRINCÍPIO DO MÉTODO: - Redução do íon CrVI para CrIII na presença de H 2 SO 4 (processo de digestão ) - Excesso de dicromato é titulado com sulfato ferroso Resultado é expresso em equivalente de oxigênio

15 - Série de nitrogênio (orgânico, amoniacal, nitrato e nitrito) - Fósforo total AULA 3... NH 3 é geralmente encontrada em baixas concentrações APESAR DA TOXICIDADE, não é persistente Em concentrações baixas não causa danos aos seres humanos mas pode ocasionar sufocamento de peixes Métodos são variados (espécie) e podem ser clássicos ou instrumentais Ex: NR 3 (orgânico + amoniacal: N total) titulação Kjeldahl (NTK) NO 2- complexação seguida de medida espectrofotométrica NO 3- medida potenciométrica (eletrodo de íon seletivo) (EC e IC também podem ser empregadas para NO 2- e NO 3- )

16 Surfactantes São os constituintes dos detergentes i) aniônicos (R-SO 3- )Na + ii) catiônicos (RMe 3 -N + )Cl - Diminuem a tensão superficial da água geram espuma e deixam a sujeira em suspensão inconvenientes estético e para a biota iii) não iônicos Determinação (surfactantes aniônicos) 1) PREPARO DE AMOSTRA - Extração líquido-líquido com acetato de etila em meio de bicarbonato de sódio e cloreto de sódio - Evaporação da fração extraída dissolvida em metanol e água 2) DETERMINAÇÃO ESPECTROFOTOMÉTRICA - Misturar NaOH e H 2 SO 4 em proporção de ph neutro a alcalino (fenolftaleína incolor) - Adicionar clorofórmio e azul de metileno - Extrair a fase orgânica e ler no espectrofotômetro (652 nm)

17 Óleos e graxas (parâmetro OG) - Substâncias orgânicas pouco encontradas em águas superficiais - MAS por serem pouco solúveis em água, dificultam tanto o tratamento de efluentes (processos biológicos) como o da água de abstaecimento Determinação Seletiva a um conjunto de substâncias com características semelhantes: Acidificação da amostra (hidrólise dos analitos) e separação por filtração Extração dos analitos (filtro) com n-hexano em Soxhlet Evaporação do solvente seguida de medida gravimétrica

18 Fenóis e demais contaminantes orgânicos Exemplos: diversos (Aula 3) Ocorrem em consequência de despejos industriais Além de afetarem o sabor dos peixes e da água, podem causar: - lesões na pele - indisposições físicas de diversos tipos Toxicidade depende da espécie Mistura de substâncias (amostra) Determinação: técnicas analíticas de separação Tempo

19 Ânions (cloretos, sulfetos) - Constituem sais presentes na água Aumento na concentração poluição doméstica (Cl - ) e industrial Íons metálicos (Al, Sb, Ba, Be, Cd, Pb, Co, Cu, Cr, Fe, Li, Mn, Hg, Ni, Ag, Se, U, V, Zn) arsênio e boro - Fontes: despejo de efluentes e lixiviação de fertilizantes - Toxidade: depende da espécie (Aula 3) Determinação: - cromatografia de troca iônica - técnicas espectrométricas de análise (metais)

20 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS PARÂMETROS MICROBIOLÓGICOS Coliformes fecais e totais - Bactérias encontradas principalmente nos intestinos de animais de sangue quente não representam, por si só, perigo à saúde - Dentre as cepas: Escherichia coli é de origem fecal Estreptococos totais Escherichia coli - Bactérias patogênicas - Classificadas em grupos (sinais clínicos e sintomas)

21 BIOENSAIOS ECOTOXICOLÓGICOS (ENSAIOS DE TOXICIDADE) Determinação do potencial tóxico de um agente químico ou de uma mistura Efeito poluentes: resposta de organismos vivos Método O crustácio Ceriodaphnia dubia é colocado em contato com a água contendo as substâncias em avalição Os efeitos observados definem o grau da toxicidade: - Aguda (0 a 96 horas) observação principal é o efeito morte - Crônica (1/1010 do ciclo vital até a totalidade da vida do organismo) resposta causa mudanças comportamentais, alterações fisiológicas, reprodutivas, etc

22 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS0 Para facilitar a interpretação das informações sobre a qualidade da água de forma abrangente e útil,, a CETEB e o IGAM, adaptaram e desenvolveram o Índice de Qualidade das Águas - IQA O IQA incorpora nove parâmetros considerados relevantes para a avaliação da qualidade das águas: - Oxigênio dissolvido - Coliformes fecais - ph - Demanda bioquímica de oxigênio - Nitratos - Fosfatos - Variação na temperatura - Turbidez - Resíduos totais

23 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Cálculo do IQA e aplicação 9 IQA = Π qi wi i=1 Produto ponderado de parâmetros de qualidade Variando de 0 a 100 qi qualidade do parâmetro i obtido através da curva média específica de qualidade gráfico) usado como referência (parâmetro wi peso atribuído ao parâmetro função de sua importância na qualidade, entre 0 e 1 Utilizado para avaliar águas destinadas ao abastecimento público

24 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Cálculo do IQA pesos dos parâmetros Parâmetro Peso - wi Oxigênio Dissolvido OD (%OD Sat) 0,17 Coliformes fecais (NMP/100mL) 0,15 ph 0,12 Demanda Bioquímica de Oxigênio DBO (mg/l) 0,10 Nitratos (mg/l NO 3 ) 0,10 Fosfatos (mg/l PO 4 ) 0,10 Variação na temperatura ( 0 C) 0,10 Turbidez (NTU) 0,08 Resíduos Totais (mg/l) 0,08

25 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Cálculo do IQA qualidade dos parâmetros Exemplo:

26 INDICADORES DE QUALIDADE DAS ÁGUAS Valores de referência do IQA Nível de Faixa Qualidade Excelente 90 < IQA 100 Bom 70 < IQA 90 Médio 50 < IQA 70 Ruim 25 < IQA 50 Muito Ruim 0 < IQA 25 O IQA reflete a interferência por esgotos sanitários e outros materiais orgânicos, nutrientes e sólidos

27 Exemplo de procedimento Análise de água para determinação de metais Coleta Filtração (0,45 µm) Acidificação (fração líquida)* Acidificação Digestão ou Análise direta Resultados *metais dissolvidos metais totais

28 Exemplo de procedimento Análise de água para determinação de metais Digestão (se necessária) pelo Método EPA ) Adicionar em frasco de digestão - 45 ml de amostra - 5 ml de HNO 3 conc. 2) Agitar vagarosamente a mistura 3) Fechar o frasco e introduzi-lo no rotor 4) Submeter a amostra ao seguinte programa de aquecimento: - 10 min até 160 o C - 10 min até 165 o C 5) Após o frasco resfriar, abri-lo e, se necessário, realizar a diluição do digerido 6) Armazenar a amostra em frasco de plástico limpo e analisar a solução de amostra

29 REFERÊNCIAS CONSULTADAS 1 BAIRD, C., Química Ambiental, Bookman, 2002, p (Qualidade das Águas Superficiais do Estado de Minas Gerais em 2004: Superficiais na Bacia do Rio Jequitinhonha em Belo Horizonte: IGAM Monitoramento das Águas, 2004, 116p). 3- Manual de Procedimentos e Técnicas Laboratoriais Voltado para Análises de Águas e Esgotos Sanitário e Industrial. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, acessado em acessado em Nascentes, C. C.; Costa, L. M. Química Ambiental. UFMG, acessado