1) Oxidações de Componentes das Águas 2) Tratamentos de Desinfecção
6 de Março de 2007
1) Oxidações de Componentes das Águas 2) Tratamentos de Desinfecção
6 de Março de 2007
Generalidades: Operações Unitárias e Fluxogramas
Em Engenharia Química, é muito conveniente descrever uma unidade fabril em termos de diagramas mais ou menos pormenorizados (fluxogramas) em que são indicadas as operações unitárias e a sua sequência.
A seguir, apresenta-se o fluxograma de uma Estação de Tratamento de Águas (ETA) como exemplo de sequência de operações e processos que podem usar-se no tratamento de águas.
Deve notar-se que é apenas um exemplo e podem existir ETAs mais simples dependendo das características das águas que estão a ser tratadas.
Nesta aula, vão ser discutidas reacções de oxidação que podem ser importantes nestes tratamentos de águas.
Exemplo de uma ETA (adaptado de Shreve´s Chemical Process Industries )
Sulfato de alumínio Recarbonatador Tanque recarbo-natação Cloro Esgoto águas de lavagem Filtros de areia Cal apagada Carvão activado controlo filtros Águas de lavagem Água tratada (dureza 77ppm) Água bruta (dureza 376ppm) Controlo água bruta Saída de lamas Arejador Amaciador clarificador Cloragem Controlo águas de lavagem
Componentes Oxidáveis em Águas
As águas subterrâneas podem conter Fe(II) e Mn(II) em concentrações apreciáveis e isso quer dizer que, em contacto com o ar, podem ocorrer oxidações com formação de precipitados.
Mesmo sem haver poluição, as águas superficiais contêm compostos provenientes de plantas (ou animais) e esta matéria orgânica também pode ser oxidada em contacto com o ar.
Mesmo que se garantisse que não havia perigo, os clientes duma rede de distribuição não estariam dispostos a consumir água com turvação.
Reacções de Oxi-redução: Definições
Nas reacções de Oxi-redução ocorre transferência de electrões do redutor (que fica oxidado) para o oxidante (que fica reduzido).
É fácil de reconhecer esta transferência de electrões quando estão envolvidos iões metálicos como, por exemplo, na oxidação de Fe2+ a Fe3+ pelo oxigénio do ar.
Pode ser mais difícil reconhecer a oxidação de compostos orgânicos como, por exemplo, quando fenol (C6H5-OH) é oxidado pelo cloro a clorofenol (Cl-C6H4-OH).
Reacções de Oxi-redução: Espécies em Equilíbrio Químico
O estudo teórico do equilíbrio em sistemas químicos em que ocorrem reacções de oxi-redução pode ser feito convenientemente desde que se disponha de tabelas de potenciais normais.
Tendo tabelas de valores dos potenciais normais (e, para muitos casos, os potenciais formais), a aplicação da equação de Nernst permite fazer previsões acerca das concentrações das várias espécies químicas em situações de equilíbrio.
Reacções de Oxi-redução: Cinética e Desvios de Situações de Equilíbrio
Neste momento, deve fazer-se um comentário ao Equilíbrio e Cinética das oxi-reduções: apesar dos métodos de cálculo para as situações de equilíbrio serem rigorosos, há muitos exemplos de oxi-reduções lentas (às escalas de tempo da vida humana).
As reacções de oxi-redução são numerosas e importantes nas águas naturais bem como nos tratamentos de águas mas deve notar-se que muitos destes sistemas não atingem rapidamente o equilíbrio químico.
Oxidação do Ferro(II)
O ferro é um elemento que ocorre muito frequentemente na natureza: não é tóxico e até é usado como medicamento.
O ferro na forma elementar (Feº) não é estável sendo do conhecimento corrente que este metal se oxida (enferruja) ao fim de algum tempo em contacto com o ar.
O ferro no estado de oxidação II ocorre em muitas águas subterrâneas mas a forma do ferro estável em contacto com o ar corresponde ao estado de oxidação III. No estado de oxidação III, a solubilidade do hidróxido é muito baixa e formam-se facilmente precipitados de hidróxido férrico a valores de pH próximos da neutralidade.
Oxidação de Fe(II) por Oxigénio do Ar (Operação de Arejamento)
A oxidação de de Fe(II) por oxigénio do ar pode ser descrita pela equação química:
2 Fe2+ + 1/2 O2 + 5 H2O 2 Fe(OH)3 + 4 H+
a que corresponde a equação cinética:
A reacção também pode ser catalisada por catiões (Cu2+, Co2+) ou aniões (HPO42-, H3SiO4-) e provavelmente por partículas sólidas (sílica, argilas, óxidos).
Oxidação de Manganésio(II)
O manganésio no estado de oxidação II pode ocorrer em muitas águas subterrâneas
O manganésio(II) também pode ser oxidado pelo oxigénio do ar originando espécies no estado de oxidação IV que são pouco solúveis.
Embora estas reacções sejam lentas, é conveniente remover estes iões pois se isso não se fizer nos primeiros passos do tratamento da água, poderiam formar-se precipitados mais tarde, especialmente depois de tratamentos de desinfecção feitos com oxidantes.
Oxidação de Manganésio(II) por Oxigénio do Ar (por Arejamento)
“Mn(II) + O2 → MnO2(sól)”
reacção lenta
Mn(II) + MnO2 (sól) → Mn(II)•MnO2 (sól)
reacção rápida
“Mn(II)•MnO2 (sól) + 1/2 O2 → 2 MnO2 (sól)”
reacção muito lenta
de que resultam produtos não estequiométricos: MnO1,3 e MnO1,9. Embora seja mais usual em Química estudar compostos com estequiometrias bem definidas, não se deve estranhar a existência destes compostos.
Oxidação de Ferro, Manganésio e Matéria Orgânica em Águas
Fe(II) e Mn(II) encontram-se muitas vezes em águas de origens subterrâneas de baixo teor em oxigénio e a remoção destes iões pode fazer-se mediante um processo que envolve:
oxidação por arejamento
os óxidos hidratados que se representaram por Fe(OH)3 e MnO2 são separados a seguir nas operações de coagulação, sedimentação e filtração.
Também convém eliminar os compostos orgânicos embora, de um modo geral, as oxidações destes compostos sejam ainda mais complicadas.
Vantagens da Remoção de Ferro, Manganésio e Matéria Orgânica
Mesmo que a existência de precipitados não represente necessariamente perigo para a saúde pública, uma água com turvação fica imprópria para consumo público, tanto mais que os consumidores associam água turva a poluição e eventuais riscos de contaminação microbiológica.
Para a utilização em lavagens, uma água contendo partículas de óxidos de ferro ou de manganésio é inconveniente pois pode deixar manchas.
Assim, há vantagem em ter uma água estabilizada do ponto de vista químico.
Tratamentos de Desinfecção
A desinfecção de águas destina-se a destruir ou tornar inactivos microrganismos patogénicos.
Na desinfecção, mesmo que não ocorra a morte, os microrganismos ficam suficientemente afectados para impedir a sua proliferação.
A desinfecção é diferente de esterilização. Na esterilização, tal como se procede correntemente em laboratórios de ensaios microbiológicos, os microrganismos são efectivamente mortos mediante aquecimento em estufa a 200ºC ou autoclavagem a 120ºC.
Desinfecção de Água para Beber
Em caso de emergência como desastres (terramotos e inundações), pode ser necessária a desinfecção de água em pequena escala. O mesmo acontece quando há necessidade de viajar em locais em que não há disponibilidade de água potável.
Nessas situações, um dos métodos mais simples consiste em ferver a água.
Como alternativa, pode adicionar-se à água uma pequena quantidade de lexívia (hipoclorito).
Mecanismo de Desinfecção com Agentes Químicos
Na desinfecção com agentes químicos, parece estarem envolvidos dois passos:
1) Passagem do desinfectante através das paredes celulares.
2) Reacção com compostos importantes dos sistemas enzimáticos (dentro das células).
Na maior parte dos casos de desinfecção, são estas perturbações dos mecanismos enzimáticos que causam a inactivação de microrganismos impedindo a sua proliferação.
Aspectos Cinéticos da Desinfecção
Velocidade de desinfecção (Lei de Chick):
N = número de microrganismos
t = tempo
k = constante cinética
Desvios à lei de Chick podem resultar de:
difusão através da membrana celular.
aumento de resistência das células.
reacções químicas com o desinfectante ou desiguais distribuições de desinfectante ou de microrganismos.
Pode haver efeitos de temperatura, pH e/ou devidos a existência de matéria orgânica.
Aspectos da Química do Cloro em Solução Aquosa (1de2)
Dismutação
Cl2 + H2O H+ + Cl - + HOCl
K = 3 x 104 a 15ºC
Esta hidrólise do cloro é muito rápida (0,06seg).
O ácido hipocloroso (HClO) é altamente eficiente como oxidante e biocida (rápido) embora seja pouco selectivo.
Dissociação do ácido hipocloroso (ácido fraco)
HOCl H + + OCl-
Ka = 2,5 x 10-8 a 20ºC
Aspectos da Química do Cloro em Solução Aquosa (2de2)
Em águas naturais, especialmente nas superficiais, existe matéria orgânica, sendo a maior parte de origem vegetal.
A matéria orgânica existente na água pode ser oxidada pelo cloro o que vai originar compostos organoclorados sendo importantes:
Os clorofenóis que são responsáveis por características sensoriais (sabor a “cloro”) da água. Não se considera que haja risco para a saúde pois antes de se atingirem concentrações perigosas já a água tem um flavor (odor + sabor) tão desagradável que é imprópria para beber.
Os tri-halometanos (cancerígenos) não se detectam sensorialmente nas águas tratadas mas devem ser controlados pois representam perigo para a saúde.
Formação de Cloraminas
O ácido HOCl reage com amónia com a formação de cloraminas que também são importantes:
NH3 + HOCl NH2Cl + H2O
NH3 + 2 HOCl NHCl2 + 2 H2O
NH3 + 3 HOCl NCl3 + 3 H2O
e considerando a especiação em função do pH:
pH = 5 16% (NH2Cl) + 84% (NHCl2 )
pH = 6 38% (NH2Cl) + 62% (NHCl2 )
pH = 7 65% (NH2Cl) + 35% (NHCl2 )
pH = 8 85% (NH2Cl) + 15% (NHCl2 )
pH = 9 94% (NH2Cl) + 6% (NHCl2 )
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