FEUP Ensaio Laboratorial de Coagulação e Floculação Aplicação ao efluente de uma Tinturaria

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3 "Nós esquecemo-nos que o ciclo da água e o ciclo da vida são um." - Jacques-Yves Cousteau O principal objetivo do ensaio laboratorial foi remover a cor do efluente assim como outras partículas em suspensão. Esta experiência foi coordenada pela professora Cidália Botelho com a ajuda da monitora Ana Catarina Ferreira. Página III de 23

4 Resumo A água é uma fonte essencial para a sobrevivência de toda e qualquer espécie, mas a poluição dos rios, lagos e oceanos está a agravar muito negativamente a sobrevivência das especies. Apesar de haver muita água disponível no planeta, só aproximadamente 1% dessa água é para consumo. O tratamento de águas contaminadas é feito nas ETA s. Existem alguns processos que permitem a descontaminação dos efluentes, como por exemplo a coagulação/floculação. Este processo consiste na adição de químicos que permitem que as partículas se agrupem formando flocos que depois possam ser retirados por sedimentação. O processo de coagulação/floculação tem como principal objetivo retirar os resíduos em suspensão dos efluentes de modo a não prejudicar a saúde humana. Este trabalho laboratorial consiste então na remoção dessas partículas por filtração ou decantação. Para a nossa experiência obtivemos os valores de condições ótimas com 4mL e ph 9, sendo que a percentagem de remoção de cor foi de 100%.Assim, verificamos que nestas condições e com a presença de floculante, os flocos resultantes eram bastante grandes e com uma velocidade de sedimentação bastante elevada. Para além dos valores de absorvância obtivemos também os valores de carbono orgânico total tanto no efluente inicial como no final. Calculamos também que a percentagem de remoção de carbono orgânico total é de 43,66%. Palavras-Chave Coagulação; Floculação; Jar-Test; Coagulante; Floculante; Absorvância; Efluente; Turvação; Sobrenadante. Página IV de 23

5 Agradecimentos Agradecemos todo o apoio prestado na realização deste relatório e trabalho laboratorial à coordenadora deste curso Cidália Maria Sousa Botelho e um especial agradecimento a nossa monitora Ana Catarina Campos Ferreira. Página V de 23

6 Índice Resumo... IV Palavras-Chave... IV Agradecimentos... V Índice... VI Índice de Figuras... VII Índice de Tabelas... VII Abreviaturas e Símbolos Introdução Estrutura e Organização Procedimento de Ensaio... 4 Instalação Laboratorial... 4 Material... 5 Reagentes... 5 Procedimento Experimental Resultados/Discussão Conclusão Referências Bibliográficas Apêndice... IV I - Protocolo de Ensaio Laboratorial... IV Página VI de 23

7 Índice de Figuras Figura 1: Ilustração do processo de coagulação/floculação... 2 Figura 2: Um exemplar de Jar-Test da faculdade, no qual estão dispostos os 6 gobelés utlizados no ensaio laboratorial... 4 Figura 3: Resultado final da solução com 1 ml de coagulante... 7 Figura 4: Resultado final da solução com 2 ml de coagulante... 7 Figura 5: Resultado final da solução com 3 ml de coagulante... 7 Figura 6: Resultado final da solução com 4 ml de coagulante... 7 Figura 7: Resultado final da solução com 5 ml de coagulante... 8 Figura 8: Resultado final da solução com 6 ml de coagulante... 8 Figura 9: Efluente inicial Figura 10: Efluente após a adição de floculante (ph 7) Figura 11: Efluente após ensaio com as condições ótimas e com adição de floculante Índice de Tabelas Tabela 1: Comparação de resultados de ensaios... 8 Tabela 2: Comparação de ensaio com ou sem floculante... 8 Tabela 3: Comparação entre as condições ótimas e condições iniciais... 8 Tabela 4: Indicação dos diferentes valores da absorvância... 9 Página VII de 23

8 1 Abreviaturas e Símbolos ETA - Estações de Tratamento de Águas; TOC Total Organic Carbon; C/ - Com Floculante S/ - Sem Floculante ml- mililitros Página 1 de 23

9 1. Introdução A água é um bem inestimável e essencial para a sobrevivência do ser humano, mas apesar dos esforços para a melhoria da sua gestão, principalmente nos países desenvolvidos, ainda existem muitas regiões do globo em que isso é completamente inexistente. [1] Com os avanços tecnológicos, a destruição do meio ambiente é cada vez mais visível no nosso dia a dia, como por exemplo, a depleção da camada de ozono, a desflorestação, a poluição das águas, entre outras. O nosso planeta é constituído por 97% de água, mas apenas 3% dessa água é potável, ou seja própria para consumo humano e apenas 1% está disponível em rios, lagos e na atmosfera onde o acesso é facilitado. [2]. Como a água para consumo é tão reduzida e escassa, a contaminação das águas é um grave problema para humanidade. O processo da coagulação/floculação é uma das etapas fundamentais no tratamento de águas e efluentes em ETA s que tem como finalidade promover o aumento das partículas que se encontram em estado coloidal, seguido de uma posterior separação das partículas por ação da gravidade. [3] Pormenorizando, a coagulação consiste na adição de coagulantes (produtos químicos), dos quais os mais comuns são coagulantes à base de ferro e alumínio, a águas e efluentes, fazendo com que as partículas coloidais se agrupem. A floculação, processo complementar da coagulação, baseia-se na adição de determinados compostos químicos denominados floculantes com o objetivo de aumentar o tamanho das partículas para que se formem agregados maiores e mais pesados, facilitando a sedimentação dos mesmos. Figura 1: Ilustração do processo de coagulação/floculação O objetivo fundamental do processo floculação/coagulação é retirar os resíduos em suspensão dos efluentes de modo a não prejudicar a saúde humana. [4]Deste modo, promovese o processo da floculação/coagulação para que no final deste mesmo processo seja possível a sedimentação dos resíduos e o consequente desaparecimento da cor do efluente. O objetivo deste procedimento é então facilitar a sedimentação dos resíduos de um efluente, através do agrupamento e aumento de dimensão das partículas que o constituem. Em Portugal existe uma legislação que regulamenta a gestão da água. Assim a Lei da Água, Decreto-Lei n.º 130/2012, de 22 de junho estabelece a estrutura básica do novo quadro institucional e reorganiza os serviços e organismos com competências na gestão dos recursos Página 2 de 23

10 hídricos. Existem outros decretos que promovem a gestão mais eficiente dos recursos hídricos, nomeadamente o Decreto de lei 236/98 que estabelece normas, critérios e objetivos de qualidade visando melhorar a qualidade das águas. [5] [6] [7] 2. Estrutura e Organização De forma a facilitar a leitura e a compreensão da temática abordada neste relatório, proceder-se-á, de seguida, a uma breve abordagem sobe a estrutura e organização do mesmo. Visto isto, o presente relatório encontra-se dividido em vários capítulos, sendo que as principais questões abordadas em cada um deles se encontram apresentadas de seguida: No desenvolvimento ou na parte central, são referidos os materiais necessários à realização do ensaio laboratorial de coagulação e floculação, bem como o método e os procedimentos experimentais necessários para o sucesso do mesmo. Há ainda um outro capítulo de exposição dos resultados obtidos bem como uma breve discussão sobre os mesmos. Finalmente serão apresentadas as conclusões do trabalho realizado. Página 3 de 23

11 3. Procedimento de Ensaio Os processos de coagulação e floculação possuem um papel interventivo, no sentido em que minimizam ao máximo a turvação e a cor da águas e efluentes. Entende-se por coagulação, o procedimento em que se dá a aglomeração de partículas por processos físicos ou químicos e de seguida, junta-se um coagulante (de ferro ou alumínio) que irá resultar na precipitação do hidróxido metálico com impurezas neutralizadas, gerando flocos. Segue-se a floculação que a partir de partículas consequentes da coagulação origina flocos de maiores dimensões, por ligações de pontes e pelo floculante, constituído por uma cadeia de vários monómeros. Instalação Laboratorial Recorre-se então ao Jar-Test, da marca ISCO, um aparelho composto por seis agitadores em série usados em ensaios laboratoriais de coagulação e floculação, cuja função assenta na análise da velocidade de agitação, da decantibilidade dos flocos concebidos e o aspeto da água sobrenadante, como é referido no protocolo. Figura 2: Um exemplar de Jar-Test da faculdade, no qual estão dispostos os 6 gobelés utlizados no ensaio laboratorial Página 4 de 23

12 Material Equipamento de laboratório: - Aparelho de Jar-Test para 6 provas com velocidade ajustável e cronómetro; - Medidor de ph; - 1 proveta graduada de 1000 ml para medição do volume de amostra; - 6 gobelés de 800 ml; - Vareta de vidro; - Pipeta de Pasteur; - Pipetas volumétricas; - Proveta de 500 ml; - Analisador TOC; - Conta-gotas em plástico para soluções de ajuste de ph (para solução ácida e para solução alcalina); - Máquina fotográfica. Reagentes - Coagulante solução de 50 g/l de sulfato de alumínio Al 2 (SO 4 ) 3. 14H2 0; - Floculante solução de 0.5 g/l de Magnafloc 155; - Base soluções de NaHO de diferentes concentrações (1.0N e 0.1N); - Ácido soluções de H 2 SO 4 de diferentes concentrações (1:1, 1.0N e 0.1N); - Efluente de tinturaria. Página 5 de 23

13 Procedimento Experimental O objetivo desta experiência é determinar uma concentração ótima de coagulante necessário, que será a primeira etapa deste processo. Dispõe-se de 6 gobelés, cada um com 500 ml de efluente e adiciona-se consecutivamente 1 ml de coagulante. O ph deverá rondar os 7 valores (a medição feita do ph oscilou entre 6,99 e 7,01) em todos os gobelés, adicionando uma base, NaOH, para aumentar o valor do ph, caso a medição efetuada seja inferior a 7, ou um ácido, H 2 SO 4, para diminuir o valor do ph, caso este seja superior a 7. Contudo, é de salientar que o coagulante é ácido, pelo que a seguir à sua adição averigua-se uma diminuição significativa do ph do efluente. Após o acerto do ph, os gobelés são colocados no Jar-Test e durante 3 minutos, os mesmos terão uma agitação rápida de 150 rpm e posteriormente uma agitação lenta de 20 rpm durante 15 minutos (consultar Manual de Apoio ao Utilizador do Jar-Test em anexo). Observar minuciosamente, a ação do coagulante e a formação de flocos, através do registo do aspeto do sobrenadante, a dimensão dos flocos e a velocidade da sedimentação. Procede-se posteriormente à seleção da concentração de coagulante ótima, ou seja, escolher o gobelé cujos coágulos sejam maiores, pois contribui para a fase da sedimentação. Reservar o gobelé que apresente as características previamente referidas. Medir a absorvância do sobrenadante. A segunda etapa deste procedimento consiste na avaliação do efeito da adição de um floculante. Para tal, são acrescentados 500 ml de efluente num gobelé, a porção de coagulante que melhor se agregou e acertar o ph a 7. O Jar-Test é uma vez mais imprescindível para repetir o ensaio, como se procedeu anteriormente. No entanto, adiciona-se 1 ml de floculante, o Magnafloc 155, mencionado nos reagentes, assim que começar o modo de agitação lenta. Ter em conta o aspeto do sobrenadante de todos os gobelés, a estatura dos flocos e a velocidade a que atua a sedimentação, pelo que deverão ser registadas as propriedades referenciadas. O gobelé em que se colocou o floculante será preciso nesta fase experimental, visto que é indispensável uma amostra do sobrenadante para medir a cor do efluente no espetrofotómetro. A cor do efluente inicial também é relevante, pelo que terá de ser medida cuja finalidade assenta no cálculo da eficiência da coagulação/floculação, de forma a remover a cor. Página 6 de 23

14 4. Resultados/Discussão Foram realizadas 2 experiências, sendo que numa foi adicionado floculante e na outra apenas o coagulante. Os resultados indicam que com a adição de floculante os flocos tornaram-se significativamente maiores, permitindo remover a cor do efluente na totalidade. Os resultados obtidos apresentam-se na tabela 1 e 2, sendo o ph utilizado igual a 7. Nas figuras seguintes apresenta-se o resultado dos diferentes ensaios efetuados. Figura 3: Resultado final da solução com 1 ml de coagulante Figura 4: Resultado final da solução com 2 ml de coagulante Figura 5: Resultado final da solução com 3 ml de coagulante Figura 6: Resultado final da solução com 4 ml de coagulante Página 7 de 23

15 Figura 7: Resultado final da solução com 5 ml de coagulante Figura 8: Resultado final da solução com 6 ml de coagulante Tabela 1: Comparação de resultados de ensaios Volume de Velocidade de Tamanho dos Turvação coagulante Sedimentação Flocos 1 ml Menor Muito turvo Pequeno 2 ml Menor Muito turvo Pequeno 3 ml Média Alguma Turvação Médio 4 ml Máxima Pouca turvação Médio/grande 5 ml Média Pouca Turvação Médio 6 ml Média Alguma Turvação Médio Nota: A avaliação qualitativa foi utilizada em termos comparativos entre os ensaios. Tabela 2: Comparação de ensaio com ou sem floculante Velocidade de Tamanho dos Turvação Sedimentação Flocos C/ Floculante Maior Límpido Grandes S/ Floculante Menor Alguma Turvação Médios Posteriormente e sabendo que o ph ótimo é igual a 9, realizou-se uma nova experiencia nas condições ótimas de ph e concentração de coagulante, sendo os resultados apresentados na tabela 3. Tabela 3: Comparação entre as condições ótimas e condições iniciais Efluente (4 ml de Velocidade de Tamanho dos Turvação coagulante) Sedimentação Flocos ph 7 Menor Límpido Médio/Grande ph 9 Maior Límpido Grande Com o objetivo de determinar a eficiência do processo de remoção da cor, mediu-se a absorvância da solução a 620 nm antes e depois do tratamento. Página 8 de 23

16 Tabela 4: Indicação dos diferentes valores da absorvância Efluente Absorvância Inicial 0,047 Após Processo de Coagulação 0,003 Após Processo de Floculação 0,000 Através das absorvâncias obtidas foi possível calcular a eficiência do processo de coagulação/floculação, em que e utilizou a seguinte fórmula: ( ) Desta forma, a eficiência do processo de coagulação foi de: ( ) Relativamente ao processo com adição de floculante, a eficiência é a seguinte: ( ) Após a avaliação do parâmetro absorvância, procedemos à determinação do parâmetro TOC. Assim, o valor do efluente inicial determinado foi 46,20 mg/l e do efluente final foi 26,03 mg/l. Recorre-se frequentemente ao TOC com o objectivo de este ser utilizado como indicador da qualidade das águas. O TOC é a quantidade total de carbono ligado a um composto orgânico. Foi calculada a percentagem de remoção do carbono orgânico total através da seguinte expressão: R çã TOC [ ( u t u t )] A percentagem do TOC no final do ensaio laboratorial foi de 43,66%, o que indica que o principal poluente do efluente não tem origem orgânica. Página 9 de 23

17 Figura 9: Efluente inicial Figura 10: Efluente após a adição de floculante (ph 7) Figura 11: Efluente após ensaio com as condições ótimas e com adição de floculante. Com os resultados obtidos fica comprovado que existe uma dose ótima de coagulante para conseguirmos remover quase na totalidade o material particulado e coloidal presente e a remoção total da cor. Página 10 de 23

18 5. Conclusão Este ensaio laboratorial consistiu em minimizar a turvação e a cor de um efluente de cor azul, através do procedimento de coagulação/floculação. Na coagulação, adicionou-se um coagulante, que resultou no agrupamento de partículas coloidais. Por fim, na floculação, adicionou-se um floculante, que fez com que as partículas formassem flocos de maiores dimensões e mais pesados, resultando na sedimentação destes no fundo do gobelé, deixando assim a água de ser turva. Para imprimir uma certa velocidade de agitação aos gobelés quando adicionados o coagulante e no final, o floculante, recorreu-se ao aparelho Jar-Test. Depois de adicionar o coagulante aos seis gobelés com diferentes volumes deste que variavam de 1-6 ml, o nosso grupo pôde concluir que os piores resultados obtidos foram os do gobelé 1 e 2, com os volumes de 1 e 2 ml, respetivamente. Estes gobelés apresentaram uma velocidade de sedimentação muito baixa, o tamanho dos flocos era muito pequenos e água continuava bastante turva. De seguida, os gobelés 3, 5 e 6 obteram melhores resultados. Neste caso a velocidade de sedimentação já foi mais alta e o tamanho dos flocos era maior e a turvação do efluente já era menor. Assim, o gobelé que obteu melhores resultados foi o 4, com 4 ml de coagulante. Foi possível observar que os flocos deste gobelé eram maiores o que mais tarde facilita, ao adicionar o floculante, a sedimentação desses mesmos flocos no fundo do gobelé, e a turvação deste foi quase inexistente. Este processo não fica completo sem ser adicionado o floculante. Por isso no ensaio sem floculante a velocidade de sedimentação foi muito menor, o tamanho dos flocos eram médios e havia alguma turvação. Por outro lado, no ensaio em que foi adicionado floculante, a velocidade de sedimentação foi mais elevada, os flocos eram maiores e quanto à turvação a água estava límpida. Posteriormente, realizou-se um ensaio sabendo que o ph ótimo era igual a 9 e comparou-se com os resultados de ph igual 7. Como esperávamos, obtivemos melhores resultados no ensaio com o ph igual a 9, originando flocos de maiores dimensões, uma velocidade de sedimentação mais alta e ambos os ensaios com a água límpida. Com os valores da absorvância, calculamos a eficiência da remoção da cor após a adição do coagulante e depois da adição do floculante. Sendo os valores de aproximadamente 92,8 % para o ensaio sem floculante e de 100% para o ensaio com floculante. Por fim, após a avaliação do parâmetro absorvância, procedemos à determinação do parâmetro TOC. Assim, o valor do efluente inicial é 46,20 mg/l e do efluente final é XX. A percentagem de remoção do Carbono Orgânico Total é de 43,66%. Desta forma, podemos concluir que o processo de floculação/coagulação é um método eficiente para a remoção das partículas em suspensão, nomeadamente as que conferem a cor ao efluente utilizado e as partículas em estado coloidal. Página 11 de 23

19 6. Referências Bibliográficas [1] Vida e saúde; Água, o bem precioso; acedido em a setembro de 2012; [2] Universidade da Água; Água no planeta; acedido em setembro de 2012; [3] Repositório Aberto U.Porto; Otimização do processo de coagulação/floculação química na ETA do Ferro; acedido em a outubro 2012; [4] Universo Ambiental; Coagulação /Floculação; acedido em fluentes07.pdf a outubro de 2012; [5] Inag; Lei n.º 58/2005. DR 249 SÉRIE I-A de ; acedido em a outubro 2012; [6] Água Online; Decreto-Lei n. 236/98 de 1 de agosto; acedido em a outubro 2012; [7] Macedo Vitorino & Associados; Alteração à Lei da água; acedido em a outubro de 2012; Página 12 de 23

20 IV 7. Apêndice I - Protocolo de Ensaio Laboratorial Página IV de 23

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23 Página VII de 23