4 - MÉTODOS DE TRATAMENTO DE
ÁGUA
Com respeito às características da água,
deve-se procurar conhecer, através de análise, certo número de elementos
constituintes que definirão o método a ser adotado, no que diz respeito ao
pré-aquecimento.
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Constituinte
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Quantidade média em água
bruta
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Como tratar
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Gás carbônico
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02 a 10 ppm
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- Desgaseificação
- Desmineralização
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Oxigênio
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10 ppm
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- Desaeração, sulfito de sódio e
hidrazina
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Sólidos
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25 a 500 ppm
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Dureza
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Acima de 20 ppm
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- Abrandamento e dispersão
anti-incrustante
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Sólidos totais dissolvidos
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25 a 500 ppm
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- Estimar freqüência de purgas e
necessidade de desmineralização
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pH
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7,0 a 7,8
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- Soda, fosfato ou outros
alcalinizantes
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Alcalinidade
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Acima de 200 ppm
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Cloretos
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Acima de 50 ppm
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São empregados diversos métodos de
tratamento de água. Costuma-se classificá-los em métodos de tratamento externo
e métodos de tratamento interno.
Método de tratamento interno:
} Precipitação com fosfato
} Quelatos
} Aminas fílmicas.
} Aminas neutralizantes.
} Sulfito de sódio.
} Hidrazina.
Método de tratamento interno:
} Precipitação ou Desaeração.
} Quelatos.
} Aminas filmicas.
} Aminas neutralizantes.
} Sulfito de sôdio.
} Hidrazina.
4.1
Métodos de tratamento externo
São usados para tratar a água antes
que ela entre nas caldeiras. O tratamento pode ser feito através de vários
processos, dependendo das condições em que se encontra a água.
Se estiver muito carregada de impurezas e
partículas sólidas visíveis, pode-se utilizar um sistema de filtragem com areia
(isso normalmente ocorre quando a água é captada diretamente do rio), ou ainda,
por no tanque de decantação a cal, como se faz para o abastecimento urbano de
água. Um outro processo consiste em usar aparelhos especiais (abrandadores),
destinados a eliminar a dureza da água e corrigir o seu pH.
Bastante usado, também, é o método da
desaeração, que tem por finalidade fazer a remoção dos gases que se encontram
na água, como o oxigênio e o gás carbônico.
Os métodos de tratamento externo mais
utilizados são:
} Clarificação
} Filtração
} Troca Iônica
} Desgaseificação ou Desaeração
} Destilação
4.1.1 Clarificação
Este processo engloba três etapas, cada
uma constitui um processo diferente, que exige certos requisitos para assegurar
os resultados desejados:
a)
Coagulação
É o processo pelo qual se obtém o
equilíbrio de cargas elétricas através da adição e mistura rápida de um produto
químico (coagulante) com carga iônica contrária à água a ser tratada.
Após o equilíbrio das cargas, é possível
a sua aglomeração, sem que haja repulsão entre as mesmas, formando flocos.
b) Floculação
Consiste na reunião de vários
flocos pequenos mediante agitação suave, os quais formam partículas maiores com
maior velocidade de decantação. A agitação deve ser controlada para evitar a
desintegração dos flocos frágeis, chamada defloculação.
c) Decantação
É a etapa final do processo de
clarificação. À medida que os flocos agregados são decantados, a água
clarificada eleva-se e pode ser, então, separada do sedimento.
Os flocos decantados são removidos como
lodo e o alume tem sido o coagulante mais utilizado. Porém, à medida que os
critérios de despejo de lodo estão se tornando mais severos, estes estão sendo
substituídos por coagulantes sintéticos e auxiliares da coagulação.
4.1.2 Filtração
A maioria dos flocos formados são
removidos por sedimentação. No entanto, sempre sobram partículas mais leves que
devem ser separadas por filtração.
Os filtros são geralmente compostos de
várias camadas de pedras, pedregulhos e areia. Às vezes, usa-se ainda uma
camada, ou mais, de antracito, que dá um bom rendimento na filtração e diminui
a freqüência de lavagem, além de não ser necessário o uso da sílica na água.
4.1.3 Troca iônica
a) Abrandamento
O abrandamento ou amolecimento de uma
água consiste na remoção total dos íons de cálcio e magnésio presentes,
geralmente em forma de carbonatos, bicarbonatos, sulfatos e cloretos.
A eliminação dos cátions é necessária,
pois, do contrário, haveria o risco da formação de sais de cálcio e magnésio,
que se incrustam no interior do gerador de vapor, podendo causar problemas,
como maior consumo de combustível ou mesmo ruptura dos tubos da caldeira.
Fosfato
Usado quando se deseja diminuir a dureza
final para cerca de 2 a 4 ppm.
Troca Iônica
Consiste na utilização de trocadoras de
íons. Estes são substâncias sólidas e insolúveis das mais variáveis origens e
natureza química que têm a propriedade de, quando em contato com soluções de
eletrólitos, trocar íons de sua própria estrutura com íons do meio, sem que
haja mudanças de suas características estruturais.
O estado inicial das resinas pode ser
novamente alcançado através do processo regenerativo.
O processo de troca iônica compreende
quatro etapas:
1ª) Operação
O abrandador possui uma resina
constituída de moléculas que possuem íons de sódio (Na), os quais deverão ser
trocados pelos íons de cálcio (Ca) e magnésio (Mg). Assim, quando a água passa
através da resina, os íons de cálcio e magnésio ficam retidos, enquanto os íons
de sódio são liberados para o fluxo de água. Com o tempo, a resina vai se
saturando, perdendo sua capacidade de troca, sendo necessário restituir os seus
cátions (Na+) trocados. Para isso, faz-se a regeneração da resina.
Observação: Verifica-se a eficiência da resina através da análise de
dureza feita periodicamente na água abrandada.
2a) Processo de regeneração
Na regeneração ocorrem as três etapas que
compõem o processo de troca iônica, são elas:
Contra-lavagem
Para se obter uma boa regeneração, é necessário
possibilitar um bom contato entre as esferas de resina e a solução regenerante
(salmoura). Durante a operação de abrandamento, pela ação da passagem da água,
a resina vai sendo compactada, o que prejudica a ação regenerante. A
contra-lavagem, como o próprio nome indica, nada mais é do que a passagem do
fluxo de água em sentido contrário ao fluxo do abrandamento, promovendo, assim,
a descompactação da resina.
Regeneração
Realizada a expansão da resina, esta se
encontra em condições de ser regenerada, isto é, de receber de volta todos os
cátions trocados durante o abrandamento. Como os cátions trocados são os de
sódio (Na+), para restituí-los, é necessário usar um produto que
contenha sódio e que os libere facilmente. O regenerante mais utilizado é o
cloreto de sódio (NaCI). A solução do regenerante passa lentamente através da
resina, ocorrendo, então, as reações de regeneração.
Lavagem ou enxagüe
Restituídos os cátions de sódio trocados
com a resina, é necessário eliminar o sal residual, devido ao excesso utilizado
na regeneração. A lavagem é necessária para fazer a compactação da resina, pois
é este processo que proporciona o tempo necessário para que a água fique em
contato com a resina durante o abrandamento.
Nota: Toda a água descartada nas operações de contra-lavagem,
regeneração e lavagem denomina-se efluente.
b) Desmineralização
Este processo consta obrigatoriamente da
passagem da água por um ou mais leitos catiônicos e um ou mais leitos
aniônicos. A resina catiônica é operada no ciclo de hidrogênio e a resina
aniônica no ciclo hidróxido.
Dessa maneira, define-se a
desmineralização como o processo de remoção de cátions e ânions da água,
tornando-a praticamente pura.
O efluente do leito catiônico consiste em
íons de hidrogênio, enquanto que o efluente do leito aniônico consiste em íons
de hidróxido. Como o hidrogênio e o hidróxido formam a água, pode-se reforçar
seu conceito de pureza, obtido pelo processo de desmineralização
Existe uma série de dispositivos de
desmineralização com diferentes e variados equipamentos. As diferenciações são
devido à necessidade de se obter a qualidade da água efluente, no processo de
troca iônica a que se deseja chegar. Existem equipamentos onde as resinas
catiônicas e aniônicas estão intimamente misturadas em um único leito.
Outros equipamentos podem conter várias
combinações de leitos de resinas catiônicas e varias combinações de leitos de
resinas aniônicas.
Conforme foi visto no abrandarnento, as
resinas de troca iônica possuem uma capacidade limitada de troca. Portanto,
quando o limite de capacidade estiver prestes a ser atingido, a resina deverá
sofrer um processo regenerativo. Este método é uma reversão do método de troca
iônica.
No caso de resinas catiônicas operando no
ciclo de sódio, adiciona-se sal - cloreto de sódio (NaCI) - em forma
concentrada até 10%, para regenerar a capacidade de sódio dessas resinas.
Quando operam no ciclo de hidrogênio, utiliza-se ácido sulfúrico (H2SO4)
ou ácido clorídrico (HCI) como solução regenerante.
Resinas aniônicas são normalmente
regeneradas com soda cáustica (NaOH) ou hidróxido de amônio (NH4OH),
que atuam como soluções regenerantes fornecedoras de íons OH¯ para resina.
4.1.4 Desgaseificação ou Desaeração
É o método de tratamento que visa
eliminar os gases dissolvidos na água. Processa-se por aquecimento da água a
temperatura de aproximadamente 100ºC. Para sua execução, empregam-se equipamentos
chamados desgaseificadores ou desaeradores, que têm duas finalidades:
} Aquecimento da água de alimentação das caldeiras, objetivando a
economia do combustível;
} Desprendimento de elementos gasosos indesejáveis que se
encontram dissolvidos na água (oxigênio, gás carbônico, sulfídrico, etc).
Os desgaseificadores devem ter
revestimentos internos adequados, para não se corroerem.
4.1.5 Destilação
Este processo é utilizado quando se
deseja obter grande quantidade de água com elevado índice de pureza. Raramente
usado em caldeiras, por motivos econômicos, é comum em laboratórios para
pequenas vazões.
4.2 Métodos de tratamento
interno
Por mais sofisticado que seja o
tratamento externo da água de alimentação, é necessário o tratamento químico da
água, no interior das caldeiras.
O tratamento interno deverá completar o externo
para eliminar todas as impurezas contidas na água, como dureza, gases
dissolvidos, sílica, ferro, etc, pois nenhum tratamento externo é completamente
eficiente.
Existem alguns casos em que o tratamento
externo é dispensável, como em caldeiras de baixa pressão, quando a água
captada é de boa qualidade, ou quando há grandes percentagens de retomo de
condensado.
Um bom tratamento interno deve ter por
objetivos:
} Eliminar a dureza da água, evitando, assim, a formação de
incrustações;
} Dispersar o ferro e o cobre, evitando sua deposição na caldeira;
} Proteger o sistema de alimentação de água contra a corrosão e
incrustação;
} Eliminar o oxigênio da água de alimentação;
} Condicionar a matéria suspensa, tornando-a não-aderente aos
metais da caldeira;
} Proteger as linhas de vapor e do condensado contra o ataque de
oxigênio e gás carbônico.
Há vários processos de tratamento interno
da água. Alguns reduzem a dureza e são chamados redutores de dureza; outros
reduzem o oxigênio, sendo chamados de redutores de oxigênio.
a)
Redutores de dureza
A dureza da água é causada pela presença
de íons de cálcio e magnésio. Sabe-se que a dureza é temporária quando os sais
de cálcio e magnésio encontram-se na forma de bicarbonatos, os quais, pela ação
do calor, decompõem-se em carbonatos, precipitando, por serem insolúveis;
b) Redutores de oxigênio
O oxigênio pode ser encontrado na água à
temperatura ambiente em concentração de até 8 ppm. É um elemento de elevado
potencial de corrosão, despolariza áreas catódicas, destrói as películas
protetoras dos metais, acelera a corrosão nas linhas de vapor e condensado e
ataca o cobre e suas ligas nos condensadores e rotores de bombas.
A remoção química do oxigênio pode ser
feita utilizando substâncias redutoras ou seqüestrantes.
Os métodos de tratamento interno mais
utilizados são os seguintes:
4.2.1 Precipitação com fosfato
É através do método da precipitação com fosfato
que se efetua a transformação dos sais formando precipitados rígidos, no
interior da caldeira. Esta transformação se dá quando a água é aquecida,
transformando-os em precipitados não-aderentes ou lamas, facilmente removíveis
pelas descargas de fundo. Os sais de cálcio são facilmente precipitados no
interior da caldeira, o mesmo ocorre com os sais de magnésio e de hidróxido de
magnésio.
O programa de condicionamento por adição
de fosfatos tem, como princípio, a formação de sais não-aderentes em presença
de alcalinidade hidróxida. No caso do cálcio, é formado um fosfato básico,
vulgarmente conhecido como hidroxipatita de cálcio, enquanto o magnésio, em
presença de sílica e alcalinidade hidróxida, forma a serpentina, que é um
silicato básico de magnésio.
Em resumo, o controle do programa de
fosfato precipitante é feito pela manutenção de certa concentração de fosfato e
alcalinidade hidróxida na água da caldeira, associada às descargas de fundo
para remoção de lamas.
4.2.2 Tratamento com Quelatos
Este tratamento difere completamente do
convencional, pois não precipita o cálcio e o magnésio. Neste processo, são
formados complexos solúveis impossíveis de sofrer incrustações na caldeira e,
como não há formação de lamas, estes são removidos pela descarga.
Este método requer um controle bastante
rígido das análises físico-químicas, pois os quelatos são extremamente
seletivos ao ferro, podendo atacar a caldeira e formar complexos ferrosos ou
férricos.
4.2.4 Aminas Neutralizantes
Em sistema onde há retorno de
condensado, é comum ocorrer ataque ácido ao metal na linha de água, devido à
presença do gás carbônico formando carbonato de ferro. Em todo condensado há
contaminação de gás carbônico através do contato entre o vapor e o ar
atmosférico.
A forma de prevenir esse ataque corrosivo
- que, além de enfraquecer a tubulação, é responsável pelo transporte de ferro
e cobre para o interior da caldeira - é a utilização de produtos neutralizadores
do efeito ácido. Tais produtos são conhecidos como aminas neutralizantes, sendo
que as mais comuns e atualmente utilizadas são a morfolina e a cicloexilamina,
cada uma com determinada característica.
Em alguns casos, é possível efetuar a
neutralização de acidez do condensado, adicionando-lhe amônia ou hidróxido de
amônia. O controle da neutralização é efetuado pela medição de pH do
condensado.
4.2.5 Sulfito de Sódio
No tratamento de água, o sulfito de sódio
é usado como seqüestrante de origem, provocando uma reação com o pH a
temperaturas elevadas, contribuindo para a formação do sulfato de sódio.
É utilizado em caldeiras de baixa e média
pressão.
4.2.6 Hidrazina
Antigamente, a hidrazina era mais
utilizada em caldeiras de alta pressão, onde o sulfito causava problemas. Sua
reação com o oxigênio, relativamente lenta e não-uniforme, impedia seu uso em
geradores de baixa pressão.
Recentemente, foi desenvolvido um
catalisador orgânico que aumenta a taxa de reação da hidrazina com o oxigênio,
permitindo seu uso eficiente em geradores de baixa pressão.
É adicionada fora da caldeira,
normalmente na linha ou no tanque de alimentação, a fim de dar tempo para a
reação se processar.
A alimentação de produtos químicos é
feita através de tanques dotados de bombas dosadoras. Normalmente, os produtos
químicos – fosfatos, soda cáustica, dispersantes, sulfatos, etc – são
adicionados diretamente na água de alimentação das caldeiras, sendo colocados
num ponto após o desaerador, antes da caldeira propriamente dita.
Tais produtos devem permitir que as
reações químicas ocorram fora da caldeira. Assim, a hidrazina, utilizada como
seqüestrante de oxigênio, deve ser adicionada de forma contínua na água de
alimentação, porém, distante da caldeira, para dar o tempo necessário da reação
se processar. Também os dispersantes, anti-incrustantes e condicionadores de
lama deverão ser dosados continuamente.
Observação: Na dosagem dos produtos químicos, devem ser levados em
consideração os seguintes fatores: o teor de impureza no volume da água
adicionada na alimentação e o residual de produtos a ser mantido na água, no
interior das caldeiras.
