Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti A
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Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti A PURIFICAÇÃO DE ÁGUAS POLUÍDAS Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Introdução •A humanidade vêm se preocupando com a poluição das águas superficiais •A partir dos anos 80 a humanidade começou a se preocupar com a poluição das águas subterrâneas •A despoluição das águas superficiais são mais fáceis e mais baratas Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Tabela 1. Compostos orgânicos comumente encontrados em águas subterrâneas nos EUA utilizadas pelas comunidades e suas propriedades Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •Além dos compostos citados na tabela 1 encontrou-se pesticidas, em níveis de ppb Chorume = líquido que contém material dissolvido e em suspensão proveniente de uma fonte tesrrestre •As maiores origens de contaminantes de chorume são os aterros de lixo •Nas áreas rurais ocorre muito a contaminação por pesticidas, como a atrazina Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Contaminantes orgânicos típicos: - Solventes clorados (C2HCl3, C2Cl4) - Hidrocarbonetos da gasolina ( so BTXs) •O comportamento dos compostos orgânicos que migram para o lençol depende significativamente de sua densidade relativa à da água - Compostos menos densos ficam na superfície -Compostos mais densos descem até a parte mais profunda dos aqüíferos •Com o passar dos anos os compostos vão se solubilizando e contaminando todo o aqüífero Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Figura 1. Contaminação de águas subterrâneas por produtos químicos orgânicos. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •Não existe um modo fácil para a descontaminação dos aqüíferos - O controle consiste no bombeio e tratamento da água - A água tratada pode ser devolvida ao aqüífero ou armazenada em outro local - Outra maneira e a utilização da água contaminada para a irrigação através da pulverização •As grandes indústrias estão mais responsáveis no descarte de resíduos orgânicos •As pequenas indústrias e municípios não controlam o descarte de resíduos orgânicos Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •A gasolina penetra no solo através de derramamentos na superfície, vazamentos de tanques ou rupturas de oleodutos - Os seus componentes são lixiviados na água e possuem grande mobilidade - O BTX é o componente mais solúvel, podendo ter concentrações de 1 a 50 ppb - Os benzenos alquilados são degradados por bactérias Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •O contaminante inorgânico mais preocupante é o íon nitrato, NO3ppm - Em águas não contaminadas a sua concentração é menor de 2 - Em águas contaminadas esse valor pode exceder 10 ppm •Em aqüíferos mais profundos essa contaminação não é observada: - longe das fontes contaminantes - ocorre desnitrificação Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Principais fontes de nitrato: - fertilizantes nitrogenados - inorgânico (17 milhões toneladas) - esterco animal (7 milhões toneladas) - deposição atmosférica - esgoto doméstico •Na maioria dos casos, as formas originais do nitrogênio são oxidadas para nitrato no solo e este migra para as águas subterrâneas Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti A purificação da água potável •A qualidade da água bruta, não tratada, pode variar de quase pura até a altamente poluída •O tipo de tratamento vai variar de acordo com os contaminantes presente na água •A desinfecção da água pode ser realizada utilizando-se Cl2 ou KMnO4 Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Figura 2. Etapas comuns de purificação da água potável. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti As etapas da purificação Aeração •A aeração é comumente usada para a melhoria da qualidade da água - retirada de gases como o H2S - oxidação de compostos orgânicos com a formação de CO2 - oxidação do Fe2+ (solúvel) para Fe3+ que forma hidróxidos insolúveis Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Decantação •Em várias estações de tratamento permite-se a decantação da água bruta •Partículas muito pequenas (diâmetro de 0,001 a 1,0 m) não se decantam facilmente •Para capturar estas partículas coloidais são utilizados Fe2(SO4)3 e Al2(SO4)3 que formam hidróxidos gelatinos •A retirada destes precipitados clareia a água •Após a remoção das partículas coloidais é efetuada uma filtração Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Remoção da dureza •As águas provenientes de leitos com rochas calcáricas possuem quantidades significantes de Ca2+ e Mg2+ •A remoção do Ca2+ ocorre através da adição de íon fosfato ou por formação de CaCO3 •A remoção do Mg2+ ocorre pela formação de Mg(OH)2 •Após a remoção do CaCO3 e do Mg(OH)2 o pH é reajustado por borbulhamento de CO2 Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Desinfecção Ozônio •Para livrar a água de bactérias e vírus nocivos utiliza-se o O3 •O O3 é gerado in situ, devido a sua instabilidade, através de descargas de 20.000volts em ar seco •10 minutos de aeração são suficientes •A reação do O3 em águas com bromo leva a formação de compostos tóxicos e cancerígenos Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Dióxido de cloro •As moléculas de ClO2• operam oxidando moléculas orgânicas •A utilização de ClO2• gera menos subprodutos orgânicos tóxicos do que na utilização de Cl2 •O ClO2• é gerado in situ, devido a sua periculosidade •Algum ClO2• é convertido em íons ClO2- e ClO3-, que causam problemas de saúde Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti A luz ultravioleta •Lâmpadas de mercúrio emitem luz UV-C são mergulhadas no fluxo da água por 10 segundos para eliminar microorganismos tóxicos •A luz UV decompõem o DNA dos microorganismo •O ferro e substâncias húmicas podem absorver a luz UV, prejudicando a desinfecção Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Desinfecção da água por cloração •O agente mais utilizado é o ácido hipocloroso, HOCl •Mata facilmente os microorganismos •Pode formar substâncias organocloradas, como o CHCl3 •O CHCl3 é suspeito de ser carcinogênico para o fígado humano •O limite aceitável é de 100 ppb Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti A contaminação de águas superficiais por fosfatos Nos anos 60 houve a contaminação do Lago Erie por íons fosfato - polifosfatos de detergentes - esgoto bruto - fertilizantes a base de fosfato •O fosfato é o nutriente limitante do crescimento de algas •A morte das algas propicia a depleção do O2 •A falta de O2 ocasionou a morte dos peixes Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •A presença de Ca2+ e Mg2+ prejudica o potencial de limpeza do detergente •Os íons polifosfato são adicionados ao detergente para melhorar a operação limpante Figura 3. Estrutura do íon polifosfato (a) não complexado; (b) complexado com íon cálcio. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •Outro papel do sequestrante é tornar a água um pouco alcalina, necessária para ajudar na remoção de sujeira •O íon tripolifosfato (TPF) é lentamente transformado em íon fosfato P3O105- + 2H2O 3PO42- + 4H+ •Os TPF foram substituídos pelo nitrilotriacetato de sódio (NTA) Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Figura 4. Estrutura do íon nitrilotriacetato (NTA): (a) não complexado; (b) complexado com íon cálcio. O íon fosfato pode ser removido das águas residuais por adição de Ca(OH)2, formando Ca3(PO4)2 e Ca(PO4)3OH, insolúveis Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti O tratamento de águas residuais e de esgoto O principal componente do esgoto é o material orgânico Figura 5. Etapas comuns do tratamento de águas residuais. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Tratamento Primário (ou mecânico) •Remoção de partículas maiores •O lodo é constituído de matéria orgânica e é autodigerido por via anaeróbica •O lodo pode ser incinerado, descartado ou utilizado como fertilizante Tratamento Secundário (ou biológico) •Grande parte do material orgânico é oxidado por microorganismos até CO2 •Poucos municípios aplicam o tratamento terciário Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Tratamento Terciário •Redução da DBO por adição de sais de alumínio •Remoção de compostos orgânicos dissolvidos por carvão ativado •Remoção de fosfatos por precipitação como sais de cálcio •Remoção de metais pesados por adição de íons hidróxido •Remoção de ferro por aeração A decomposição de substâncias orgânicas e biológicas durante o tratamento secundário produz sais inorgânicos Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Estes sais podem ser removidos através de várias técnicas: Osmose reversa: A água passa sob pressão através de uma membrana que os íons não atravessam Figura 6. Dessalinização da água por osmose reversa. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •Esta técnica é utilizada em Israel para produzir água potável a partir de água salgada do mar •É indicada para remover íons de metais alcalinos, metais alcalinos terrosos e sais de metais pesados Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Eletrodiálise: Uma série de membranas permeáveis a pequenos cátions ou a pequenos ânios inorgânicos são colocados de forma alternada no interior de uma célula elétrica Figura 7. Unidade de eletrodiálise (esquemática) para dessalinização de água. Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •A água concentrada em íons é descartada e a água purificada é liberada para o meio ambiente •Esta tecnologia também pode potabilização de água do mar ser utilizada para dessalinização e Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Troca iônica: Alguns sólidos poliméricos contêm sítios que podem reter íons de maneira relativamente fraca, o que torna possível esse íon ser trocado por um outro de mesma carga •Os sítios de troca de uma resina catiônica encontram-se ocupados inicialmente por H+ •Os sítios de troca de uma resina aniônica encontram-se ocupados por OH•Quando água poluída por íons M+ e X- passa por estas resinas temos a substituição de H+ por M+ e a substituição de OH- por X- Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Em algumas águas é necessário a remoção de compostos nitrogenados - elevação do pH transforma o íon amônio em amônia, que pode ser retirada por borbulhamento de ar - troca iônica - bactérias nitrificantes •Em alguns casos, a água produzida no tratamento terciário pode ser utilizada para consumo Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti O tratamento de cianetos e metais em águas residuais •O cianeto (CN-) é utilizado para a extração de metais em misturas (Au, Cd, Ni) •O CN- é muito venenoso para os animais, pois liga-se ao ferro das proteínas •Para eliminar o cianeto pode-se: - oxidar o carbono com a utilização de O2, altas temperaturas e pressões - oxidar o carbono e nitrogênio com a utilização de Cl2, H2O2 Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Processos fotocatalíticos Outra tecnologia inovadora no tratamento de águas residuais envolve a radiação de luz UV de fotocatalisadores semicondutores sólidos, como o TiO2, na forma de pequenas partículas suspensas na solução Motivos para a escolha do TiO2: - atóxico - resistente a fotocorrosão - barato - abundante Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •A irradiação com luz (<385nm) produz e- na banda de condução do óxido metálico e buracos positivos, h+, na banda de valência do mesmo •Os buracos reagem com OH- produzindo OH• h+ + OH- OH• h+ + H2O OH• + H+ •Estes radicais degradam os poluentes •Este processo é relativamente caro, pois demanda muita energia para gerar a luz UV •Em alguns lugares revestem-se as paredes com TiO2 que juntamente com a radiação UV emanada pelas lâmpadas fluorescentes eliminam poluentes gasosos Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Degradação redutiva de compostos clorados •Alguns compostos totalmente halogenados reagem lentamente com OH• •A reação para estas espécies é mais rápida com processos redutivos •Cria-se um ânion doador de e-, que transfere seu excesso de carga para o composto per-halogenado, formando um radical livre reativo que é oxidado em seguida CO2-• + CCl4 CO2 + [CCl4-•] CO2 + CCl3• + Cl- Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Remediação in situ de águas subterrâneas contendo organoclorados •Este processo foi desenvolvido por Robert Gillham, University of Waterloo, Ontário •Baseia-se na construção de um muro permeável subterrâneo perpendicular à direção do fluxo de água •A água purifica-se ao passar através do muro, não sendo necessária o seu bombeamento para fora do subsolo Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti Figura 8. Purificação in situ de águas subterrâneas por meio de um muro de ferro Prof. Dr. Marcus Tullius Scotti •Entre as camadas de areia são colocadas pequenos grânulos de ferro metálico •O ferro em contato com compostos organoclorados atua como agente oxidante Fe(s) Fe2+ (aq) + 2e•Os e- são doados para os compostos organoclorados que são adsorvidos sobre o metal •O cloro destes compostos são reduzidos para Cl- e liberados na solução •O ferro reduz os íons Cr6+, solúveis, para óxidos insolúveis de Cr3+ •A adição de Ni aumenta a velocidade por um fator de 10
