Nesta unidade temática, você vai aprender

• Processos Unitários Avançados para Tratamento de Água e Efluentes, especificamente:

  • troca iônica;

  • filtração por membranas;

  • processos oxidativos avançados;

  • Tratamento Fotoquímico com UV/H2O2;

  • Adsorção.

Processos Unitários Avançados para Tratamento de Água e Efluentes

Existem diferentes técnicas para remoção de poluentes presentes em água e efluentes. Além da coagulação, floculação e flotação, podem ser citadas a troca iônica, membranas, nanofiltração, processos oxidativos avançados, evaporação, extração por solvente e eletrodeposição, que são conhecidos como processos terciários ou avançados de tratamento de água e efluentes. Neste capítulo, são abordadas algumas destas técnicas.

Troca Iônica

A troca iônica consiste na passagem de um efluente através de um leito de resinas cujo objetivo é trocar o contaminante iônico, por meio de reação química, presente no efluente por íons nocivos presentes no leito de troca. Os poluentes ficam retidos nessas resinas e, por esse motivo, as resinas podem ser regeneradas, liberando os contaminantes em um volume menor que o volume original do efluente, sendo mais fácil de manusear ou dar a correta destinação.

As resinas de troca iônica são pequenas esferas carregadas com hidrogênio (resinas catiônicas) ou hidroxilas (resinas aniônicas). As resinas catiônicas trocam seus hidrogênios (H+) por cátions como cálcio, magnésio, potássio, sódio, entre outros. Na regeneração das resinas catiônicas é utilizado ácido (geralmente ácido clorídrico ou ácido sulfúrico). As resinas aniônicas trocam suas hidroxilas (OH-) por ânions como fluoretos, cloretos, sulfatos, bicarbonatos, entre outros, e na regeneração é utilizado soda cáustica. A Figura 1 mostra os mecanismos de transferência de massa envolvidos nos processos de troca iônica.

Essa operação pode ser utilizada para abrandamento de água industrial, desmineralização da água e polimento de efluentes metálicos, sendo normalmente realizada em colunas onde a resina é colocada e por onde o efluente passa sob pressão. A troca iônica em zeólita pode ser aplicada com a finalidade de remover íons metálicos de solução aquosa e para avaliar a capacidade de troca iônica dos íons cobre e zinco atingindo 100% de troca, por exemplo.

O custo das resinas de troca iônica é bastante expressivo, especialmente quando utilizada para tratar um grande volume de efluentes contaminado por metais em baixas concentrações, então não podem ser utilizadas em larga escala. Dessa forma, não pode haver sólidos em suspensão e matéria orgânica presentes na água ou efluente de ingresso nesse sistema, pois causa problemas de colmatação das resinas. Então, sugere-se que seja realizado pré-tratamento para condicionamento da água ou efluente antes de passar pela troca iônica.

Filtração por Membranas

Os processos de separação por membranas se aplicam para a remoção de sólidos suspensos em que o tamanho das partículas são superiores a 0,001 mm, removendo material particulado microscópico como colóides, bactérias, algas e vírus; moléculas orgânicas como poluentes emergentes, pesticidas, medicamentos e solventes; e íons como metais tóxicos e sais.

Na filtração por membranas, resulta o permeado, que é a porção que passa pela membrana; e em concentrado, que corresponde aos sólidos retidos na membrana. As membranas são classificadas de acordo com o tamanho dos poros, pressão aplicada, sua origem (sintética ou biológica) e material (orgânico ou inorgânico). A microfiltração pode remover sólidos coloidais e flocos formados por coagulação e floculação, incluindo alguns contaminantes orgânicos e inorgânicos (chegando a um efluente tratado com valores de turbidez de 0,02 UT), alguns microrganismos como coliformes, Giardia, Cryptosporidium e algas. Já a ultrafiltração pode remover sólidos coloidais, sólidos em suspensão, óleos e graxas, silicatos e proteínas, além de alguns microrganismos como coliformes, bactérias, vírus e algas e outras macromoléculas. Na nanofiltração, o princípio é o mesmo da osmose inversa, mas o tamanho das partículas retidas é menor e, em função da presença de grupos iônicos fixos na membrana, essas retêm íons multivalentes e moléculas de massa molar média. A nanofiltração retém até íons tri e bivalentes como fosfato e sulfato, além de alguns íons monovalentes como o cloreto de sódio e cloreto de cálcio. A osmose inversa é um processo de dessalinização de água utilizando membranas permeáveis à água, mas com grande capacidade de retenção de sais.

Processos Oxidativos Avançados

Os Processos Oxidativos Avançados (POAs) são baseados na geração de radicais livres, como o radical hidroxil (∙OH), que possui alto poder oxidante e pode promover a degradação de vários compostos poluentes em um curto tempo. O radical hidroxil reage rápida e indiscriminadamente com muitos compostos orgânicos de diferentes formas, como por adição à dupla ligação ou por abstração do átomo de hidrogênio em moléculas orgânicas alifáticas.

Os Processos Oxidativos Avançados apresentam diversas vantagens tais como a mineralização do poluente e não somente transferindo de fase; transformar produtos refratários em compostos biodegradáveis; ser usados com outros processos para pré e pós-tratamento; forte poder oxidante, com cinética de reação elevada; geralmente não necessitam um pós-tratamento ou disposição final; quando usado oxidante suficiente, mineralizam o contaminante e não formam subprodutos; geralmente melhoram as qualidades organolépticas da água tratada; consumo baixo de energia em comparação a outras tecnologias.

Tratamento Fotoquímico com UV/H₂O₂

No processo UV/H₂O₂, a geração dos radicais ocorre durante a fotólise do peróxido de hidrogênio. Nos processos fotoquímicos, a transparência óptica do efluente a ser tratado é de grande importância. Com o aumento da turvação, a eficácia da ativação dos oxidantes através dos raios ultravioleta diminui devido à absorção da radiação ultravioleta por outras substâncias contidas no meio reacional. O peróxido de hidrogênio é um oxidante enérgico muito utilizado em processos de degradação de compostos recalcitrantes e também para eliminar a coloração persistente de efluentes pós-tratamento biológicos. A decomposição de vários poluentes orgânicos em efluentes tem sido efetivamente verificada através da geração de radicais hidroxila utilizando peróxido de hidrogênio e radiação UV. Os contaminantes orgânicos são oxidados pelo radical hidroxila por três mecanismos básicos: abstração de hidrogênio, transferência eletrônica e adição eletrofílica.

Reagente de Fenton

A reação de Fenton é aquela cuja geração de radicais hidroxila é feita por decomposição de H2O2 catalisada por Fe²⁺ em meio ácido. O reagente de Fenton tem sido utilizado com sucesso na degradação de diversos tipos de efluentes, como clorofenóis, surfactantes, na oxidação de resíduo de lixiviação de aterro e na degradação de corantes, onde se mostrou mais vantajoso que o hipoclorito, ozônio e processo eletroquímico.

Foto-Fenton

O processo que combina a aplicação de radiação ultravioleta a uma reação de Fenton é chamado Foto-Fenton e pode produzir uma maior eficiência de degradação, pois a fotólise de peróxido de hidrogênio contribui para a aceleração na produção de •OH. Nos casos em que se utiliza o peróxido de hidrogênio, seja sozinho ou combinado com UV ou sais de ferro, o oxidante deve ser usado em quantidade adequada para que não tenha residual, pois isso representaria um gasto desnecessário. Além disso, é importante lembrar que o peróxido de hidrogênio pode interferir em algumas análises, como DQO e, caso seu uso preceda um tratamento biológico, ele pode interferir na sua eficiência.

Adsorção

Sorção é um termo aplicado genericamente para caracterizar processos de absorção e adsorção. A adsorção é um processo passivo e físico-químico de acumulação de um soluto em uma superfície ou interface de um sólido. A operação unitária do fenômeno de adsorção sólido-líquido envolve o contato entre um sólido e um fluido, ocorrendo a transferência de massa da fase fluida para a superfície do adsorvente, onde as moléculas presentes nesta fase são atraídas para a zona interfacial pela existência de forças atrativas não compensadas na superfície do adsorvente. A espécie retida na interface do sólido é denominada adsorvato e o sólido em que o adsorvato se acumula é o adsorvente. A área superficial total disponível desse adsorvente para ocorrer tal fenômeno é um parâmetro fundamental, pois quanto maior a superfície, mais forças não balanceadas são disponíveis para adsorção. A quantidade total de metal adsorvido normalmente varia entre 5% e 30% da massa do sólido adsorvente, podendo chegar a 50%.

A adsorção como mecanismo pode ser física ou química. A maior parte dos processos de separação por adsorção ocorre por adsorção física, a qual envolve forças intermoleculares fracas, que incluem as forças de van der Waals (dispersão-repulsão) e interações eletrostáticas como polarização, dipolo e interação quadrupolo. Já na adsorção química, ou quimissorção, há a formação de ligações químicas entre a superfície do adsorvente e o composto adsorvido. Observando essas diferenças entre os fenômenos de adsorção (Infográfico) pode-se concluir que a efetividade do processo depende de fatores como: temperatura, polaridade da substância, pH solução, pressão e área da superfície disponível.

Isotermas de Adsorção

Isotermas de adsorção são obtidas a partir de dados de equilíbrio do processo, sendo úteis para avaliar a capacidade de diferentes adsorventes em reter a molécula do metal estudado. As isotermas demonstram o comportamento de como o adsorvente efetivamente adsorve as impurezas presentes no efluente e se a purificação desejada pode ser obtida. O estudo das isotermas permite estimar a quantidade máxima de impurezas que será adsorvida e, assim, avaliar economicamente o uso de determinado adsorvente na remoção de um contaminante específico durante o tratamento de efluentes. Os parâmetros das isotermas de equilíbrio fornecem algumas percepções sobre o mecanismo de adsorção e a afinidade adsorvente/adsorvato.

Entre os modelos de isotermas mais citados na literatura estão Henry, Langmuir e Freundlich. Ocorrem variações que combinam a Equação Langmuir e de Freudlich, pois para adsorventes heterogêneos esta combinação pode ser eficaz para descrever dados matemáticos. Os modelos de BET e de Toth são um exemplo. Esses modelos de isotermas de adsorção são baseados nos mecanismos envolvidos nos processo de sorção e nas características do conjunto sorvente/sorvato, tais como interação molecular, energia envolvida no processo, tamanho de poros e camadas adsorvidas. Os mais utilizados para adsorção monocomponente são Langmuir e Freundlich.

A isoterma de Langmuir é o modelo teórico mais simples para a adsorção em monocamada e representa a adsorção química em diferentes sítios. Langmuir, ao elaborar esse modelo, levou os seguintes pontos em consideração:

Outro modelo muito aplicado à sorção é a isoterma de Freundlich. A isoterma de Freundlich admite uma distribuição logarítmica de sítios ativos, o que constitui um tratamento válido quando não existe interação apreciável entre as moléculas de adsorbato. Esse modelo é muito aplicado em sistemas de adsorção heterogêneos, não admitindo a existência de uma monocamada.

A cinética de adsorção descreve a velocidade com a qual as moléculas do adsorvato são retidas pelo adsorvente, representando o quanto foi retirado da solução em relação ao tempo e à eficiência do processo. Alguns fatores influenciam diretamente na cinética de adsorção. São eles referentes ao adsorvato, ao adsorvente e à solução. Quanto ao adsorvato, as características são relativas à massa molar, solubilidade e tamanho da partícula. Já relevantes ao adsorvente são a estrutura do poro e a área superficial disponível e em relação à solução aquosa ou efluente os fatores são pH, temperatura e concentração inicial.

A adsorção ocorre em quatro etapas representadas na Figura 2 seguindo a respectiva ordem: Etapa 1: Contato; Etapa 2: Adsorção na superfície externa; Etapa 3: Difusão; Etapa 4: Adsorção nos sítios internos do sólido.

Os processos para remover altas concentrações frequentemente são ineficazes ou de custo proibitivo quando aplicados em estações de tratamento de efluentes. Nesse cenário, a adsorção surgiu como alternativa aos processos convencionalmente aplicados ao tratamento de efluentes. Essa nova alternativa traz como vantagem menor tempo de residência ao processo, menor custo operacional e maior facilidade de operação, aliados índices de remoção de metais satisfatórios.