Considerações sobre partição de gases: mecanismos e cálculos de emissão

2.4.3.1 Mecanismos de emissão envolvidos nas partições água-ar

Durante o processo de tratamento de um efluente líquido, os gases até então em solução aquosa podem ser emitidos para a atmosfera por mecanismos de difusão, convecção, ou ainda ambos. O processo difusivo ocorre quando as concentrações do compostos na superfície do líquido são muito mais altas que concentrações do ar ambiente. Assim, eles difundem-se para o ar, na tentativa de alcançar o equilíbrio entre as fases líquida e vapor. O processo convectivo ocorre quando fluxos de ar acima da superfície do líquido varrem vapores dos compostos da superfície para o ar. Segundo Mihelcic et al (1993), a magnitude de emissões de voláteis dependem de fatores como as propriedades físicas dos contaminantes (pressão de vapor, as constantes da Lei de Henry, solubilidade em água, etc.), a temperatura do efluente (a taxa de transferência cresce com o aumento da temperatura), concentração do poluente nas fases líquida e gasosa, vazão do efluente e da configuração do sistema de tratamento. Um sistema de tratamento de efluentes em contato direto com a atmosfera (como é o caso de lagoas de tratamento, tanques de operação a céu aberto, etc.) permite o contato direto entre os contaminantes do efluente e o ar, caracterizando assim, um grande potencial para emissões de COV e odores em geral.

Para descrever o transporte de compostos orgânicos da água para o ar ou vice versa, deve-se primeiro imaginar os mecanismos de transporte que governam a velocidade do movimento das moléculas ao longo de sua trajetória. Pode-se imaginar, para isso, duas camadas acima da interface ar-água e duas camadas abaixo em série:

1. ar turbulento;

2. ar laminar de 1 mm de espessura;

3. água laminar na ordem de 0,1 mm de espessura;

A interface entre as camadas 2 e 3 permite o contato entre as moléculas com o ar e a água. As regiões turbulentas (1 e 4) possuem fluidos em movimento por todo o seu volume, ou seja, são homogêneas quanto à concentração e não contribuem significativamente para as mudanças ar-água de um composto volátil. No entanto, entre as camadas 2 e 3 predomina a difusão molecular. Para compensar a velocidade de transporte das moléculas entre o ar e a água no limite entre as duas fases, é estabelecido rapidamente o equilíbrio molecular na interface. A taxa de transferência entre estas duas camadas limites é controlada pela velocidade de passagem através dessas camadas. Como é necessário um tratamento quantitativo destes filmes interfaciais para calcular a taxa de trocas ar-água, torna-se necessário desenvolver modelos com parâmetros apropriadamente ajustados, que levem a razoáveis estimativas do fluxo de volatilização (SCHWARZENBACH, GSCHWEND e IMBODEN, 1993).

2.4.3.1.1 Modelo de dois filmes estagnados

A formulação deste modelo baseado na teoria de limite estagnado visualiza condições onde a camada de água e de ar adjacentes estão estagnadas em sua interface, sendo chamado de modelo de dois filmes. Neste caso a taxa de movimento das moléculas através destes dois filmes em série é controlada pela habilidade de difusão do composto. As moléculas na solução aquosa e como vapor no ar estão em constante movimento devido ao movimento Browniano. Como resultado, ocorrerá um transporte líquido de regiões de alta concentração para sítios de menor concentração (SCHWARZENBACH, GSCHWEND e IMBODEN, 1993).

2.4.3.1.2 Modelo de renovação da superfície

Esta teoria não assume filmes estagnados, mas sim elementos de fluido que são momentaneamente expostos à fase gasosa na interface do líquido. Durante este tempo de exposição o gás difunde no elemento fluido, “penetrando” no líquido. Diferentemente da teoria dos dois filmes, o processo de penetração é descrito por uma difusão não estacionária. O tempo de exposição é muito curto (<0,1 s) para prevalecerem as condições estacionárias de difusão. A teoria da penetração possui um maior embasamento teórico.

∑

2.4.3.2 Cálculo da emissão de gases a partir de fontes superficiais

Para uma estação de tratamento biológico de efluentes industriais com aeração mecânica, o cálculo da quantidade de composto volátil emitido para a atmosfera a partir da superfície do líquido é determinada por uma relação básica entre a transferência de massa entre um constituinte volátil de um liquido em contato com a atmosfera e a área superficial do sistema aberto de tratamento de efluentes. Esta relação é mostrada pela Equação (6).

(6) sendo:

E = taxa de emissão do componente, [g/s];

CL = concentração do componente na fase líquida, [g/m3];

A = área da superfície do líquido, [m2]

K = coeficiente global de transferência de massa, [m/s]

O parâmetro mais difícil de ser determinado é o coeficiente global de transferência de massa (K), pois é estimado em função do coeficiente individual de transferência de massa de cada composto na fase líquida, do coeficiente individual de transferência de massa de cada composto na fase gasosa e da constante da lei de Henry a partir da constante de equilíbrio.

Existe ainda uma outra equação (bem mais simplificada) proposta pela USEPA para o cálculo das emissões dos compostos emitidos a partir de fontes pontuais, superficiais e ainda móveis. Segundo Gómez et al (2000), esta equação (7) leva em consideração os fatores de emissão (Fe) individuais dos compostos emitidos a partir de tais fontes.

(7) Nos casos de medida direta de gases emitidos a partir de fontes superficiais líquidas ou mesmo sólidas, utiliza-se a Equação (8) que, segundo Kinbush (1986), é indicada pela USEPA nos casos onde a estimativa se der através de câmara isolada de fluxo (pelo fato de ter-se, neste caso, uma área de controle de emissão). A emissão pode ser então calculada por:

(8) onde:

Fei = fator de emissão do componente i, [µg/m2.s]

Yi= concentração do componente i presente no ar oriundo da câmara, [µg/m3]

Q = vazão volumétrica do ar da entrada da câmara, [m3/s] A = área superficial da câmara, [m2]

.A K.C

O cálculo das emissões pelo coeficiente global, pelos fatores de emissão ou ainda diretamente a partir da fonte, deve ser realizado para todos os voláteis presentes no efluente.

A determinação da concentração máxima do composto na fase gasosa dá-se pela Lei de Henry, descrita pela Equação (9) (STUETZ, 2001):

P = H.p (9) onde:

P = fração molar do composto na fase gasosa; H = constante da Lei de Henry [Pa.m3/mol];

p = fração molar do composto dissolvido na fase líquida.

Uma abordagem detalhada de como a Lei de Henry interfere na volatilização de compostos a partir de superfícies líquidas pode ser encontrada na literatura (JIANG, BLISS e SCHULZ, 1995). Geralmente, se a constante da Lei de Henry excede 250 Pa.m3/mol, o processo de volatilização é controlado pela fase líquida. Em tais casos, condições turbulentas na fase líquida ocasionarão elevadas taxas de emissão. Se o valor da constante é inferior a 2,5 Pa.m3/mol, o processo de volatilização é controlado pela fase gasosa. Nestes casos, condições turbulentas na fase gasosa ocasionarão elevadas taxas de emissão.