Ensaios de Filtração em Escala de Bancada de Laboratório

Para o ensaio de filtração em bancada, foram selecionados três leitos filtrantes para comparação; areia, carvão antracito e a zeólita WATERCEL ZF-0410®_{, sendo} esta fornecida pela empresa Indústrias Celta Brasil Ltda., instalada na cidade de Cotia-SP.

A areia utilizada na pesquisa tem como especificações as características apresentadas na Tabela 08.

TABELA 08: ESPECIFICAÇÕES FÍSICAS DA AREIA

Fonte: adaptado de Cé (2016)

O carvão selecionado para os ensaios de filtração adsortiva foi o tipo antracito, o mesmo utilizado nos filtros da ETA Iapó. Suas especificações e caracterização, conforme o fabricante, e utilizado no trabalho de Paz (2016), são apresentados na Tabela 09adiante.

TABELA 09: ESPECIFICAÇÕES FÍSICAS E OPERACIONAIS DO CARVÃO ANTRACITO

Fonte: adaptado de Paz (2016)

A zeólita WATERCEL ZF-0410® _{foi fornecida pela empresa Celta Brasil, para} remoção seletiva de ferro e manganês da água. A descrição por Celta Brasil [201-] apresenta a zeólita WATERCEL ZF-0410® _como:

1,02 1,09 1,00 1,41 Tamanho efetivo (mm) Coeficiente de Desuniformidade Tamanho do grão menor (mm)

Tamanho do grão maior (mm)

Tamanho médio dos grãos (mm) 1,19

Coloração Marrom Forma Granular Parâmetro Característica Entre 15 e 20 10 a 20 10 Parâmetro Granulometria (mm) Tamanho efetivo (mm) Coeficiente de Desuniformidade

Tamanho do grão menor (mm) Tamanho do grão maior (mm)

Coeficiente de Esfericidade Porosidade (%) Coloração Forma Densidade aparente (g.cm-3) Ponto de Fusão (°C) Dureza (Mohs) Custo (R$.kg-1)

Velocidade de Lavagem (m.min-1)

Tempo de Lavagem (min) Expansão do leito de lavagem (%)

Taxa de Filtração (m³.m-2.h-1) Vida útil máxima (anos)

45 a 50 Cinza Escuro Granular 0,85 3500 2,70 7,60 Não informado Não informado Característica 0,80 a 1,10 1,00 1,40 0,71 2,83 0,65

[...] derivado da zeólita natural do tipo Clinoptilolita, um mineral tipo aluminosilicato hidratado, formado por estruturas cristalinas tridimensionais de tetraedros de SiO2 e de Al2O3, ligados entre si pelos quatro vértices do

oxigênio. Sua estrutura apresenta canais e cavidades interconectadas de dimensões moleculares, conferindo uma superfície interna muito grande [...].Watercel ZF é usado em todas as regiões do Brasil, sendo recomendado tanto para águas de abastecimento público, como para águas industriais e também para efluentes contendo íons de ferro e manganês.

O fornecedor descreve, também, que a remoção dos compostos da água ocorre em decorrência de sua propriedade de troca iônica.

As especificações e características da zeólita foram fornecidas pelo fabricante, igualmente utilizadas no trabalho de Paz (2016), encontram-se na Tabela 10:

TABELA 10: ESPECIFICAÇÕES FÍSICAS E OPERACIONAIS DA ZEÓLITA WATERCEL ZF-0410®

Fonte: adaptado de Paz (2016)

Para a realização da filtração em bancada, foram encaixados os filtros de bancada no equipamento Jar-Test, realizando-se a etapa de filtração após já executadas as etapas de mistura rápida (coagulação), floculação e sedimentação, com os parâmetros já explicitados nos diagramas de coagulação, simulando-se, portanto, o tratamento por ciclo completo.

Tempo de Lavagem (min) Entre 6 e 10

Expansão do leito de lavagem (%) Entre 15 e 20

Taxa de Filtração (m³.m-2.h-1) 10 a 15

Vida útil máxima (anos) 6

Densidade aparente (g.cm-3) 0,98

Ponto de Fusão (°C) 1300

Dureza (Mohs) 3,50

Custo (R$.kg-1) 15,00

Velocidade de Lavagem (m.min-1) 0,50 a 0,70

Tamanho do grão maior (mm) 2,50

Coeficiente de Esfericidade 0,65

Porosidade (%) 40 a 60

Coloração Marrom Escuro

Forma Granular

Parâmetro Característica

Granulometria (mm) 0,40 a 1,10

Tamanho efetivo (mm) 0,65

Coeficiente de Desuniformidade 1,45

Para a filtração adsortiva em escala de bancada, considerou-se a metodologia proposta por Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011) para ensaios de tratabilidade em ciclo completo. Os autores descrevem os procedimentos de preenchimento, operação e coleta de amostras dos filtros de bancada considerando a utilização de areia ou carvão ativado granular como leitos filtrantes. Para a utilização das zeólitas, considerando a necessidade de comparação com os leitos comumente utilizados, foram aplicados os mesmos procedimentos. Os filtros de bancada de laboratório são descritos em Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011):

Cada filtro, construído em acrílico transparente, tem diâmetro nominal de 25 mm e diâmetro interno de 19 mm. Possui uma tela interna na parte inferior para evitar a saída dos grãos [...] pelo sistema de coleta. A espessura do meio filtrante [...] é de 15 cm. [...] O sistema de coleta é formado por uma mangueira de silicone de pequeno diâmetro, ligada na parte inferior dos filtros e a um tê de plástico na parte superior. Este tê tem uma das saídas fechadas, a outra conectada à mangueira de silicone, e a terceira para saída de água filtrada, a qual deverá estar acima do topo do meio filtrante [...].

O ensaio visando a remoção, principalmente, de ferro e manganês, foi executado sob duas condições de concentração destes metais; o primeiro aplicando- se 1,6 mg.L-1 _{de ferro e 1,0 mg.L}-1 _{de manganês; e o segundo aplicando-se o dobro} dessas concentrações, ou seja, 3,2 mg.L-1 _{de ferro e 2,0 mg.L}-1 _{de manganês. O} objetivo foi avaliar o comportamento dos leitos filtrantes, principalmente da zeólitas WATERCEL ZF-0410®_{, quanto à aplicação de concentrações mais elevadas desses} metais.

Segundo o fornecedor das zeólitas, para a ativação da capacidade adsortiva e seletiva do meio filtrante e para melhor eficiência, é necessário a oxidação do material com cloro ou outro oxidante, após a decantação e anteriormente ao filtro, de modo que se mantenha uma concentração de cloro Residual Livre de 1 a 2 mg.L-1_{. O} fornecedor destaca também que, para a remoção de ferro, a água a ser tratada deverá estar em pH acima de 6,8; enquanto que, para a remoção de manganês, o pH deverá estar acima de 8,5.

Tendo em vista estes parâmetros, e visando avaliar as condições de aplicação da zeólita conforme recomendadas do fabricante, foram realizados, para cada condição de concentração de metais, quatro ensaios, em triplicata, a saber:

 ensaio de filtração em areia;

 ensaio de filtração em carvão antracito;

 ensaio de filtração adsortiva em zeólitas com aplicação de cloro (pré-oxidação);  ensaio de filtração adsortiva em zeólitas sem aplicação de cloro.

A aplicação das concentrações de ferro e manganês na amostra de água bruta necessitou levar em consideração as concentrações já existentes dos metais na água, para então calcular a quantidade que deveria ser aplicada para totalizar as concentrações de ensaio previamente estipuladas. Para a adição dos compostos de ferro e manganês na água, da mesma forma como realizado na confecção dos diagramas de coagulação, foram utilizadas as soluções de FeSO4.7H2O e MnSO4.H2O. No entanto, de modo a manter a estabilidade das soluções e não gerar precipitados dos compostos, as concentrações das soluções foram fixadas em 200 mg.L-1 _{e 800 mg.L}-1 _{para FeSO}

4.7H2O e MnSO4.H2O, respectivamente.

Antes da colocação dos materiais filtrantes em cada filtro de bancada, foi necessário realizar a lavagem dos mesmos, em especial das zeólitas, que eram recebidas sem a prévia lavagem pelo fornecedor. No procedimento de lavagem das zeólitas, como da areia e do carvão, foi utilizada uma peneira granulométrica Tyler 270, de abertura 0,053 milímetros, em que deixou-se passar água destilada corrente sobre o material, de modo que a lavagem foi considerada efetiva quando a turbidez da água de lavagem atingiu valores de turbidez entre 1,0 e 2,0 NTU, para todos os leitos filtrantes.

Após realizada a lavagem dos materiais, os mesmos foram colocados nos filtros de bancada. A aplicação do leito foi realizada gradualmente, adicionando-se pequenas quantidades com pequenas batidas no filtro de bancada, com o auxílio de um bastão de vidro ou espátula, mantendo o leito sempre submerso em água destilada. O material filtrante foi sendo aplicado até atingir a marca de 15 cm, conforme estipulado na metodologia de Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011).

Para o ensaio em ciclo completo, foi fixado o par ótimo pH de coagulação x dosagem de coagulante obtido no diagrama anteriormente fixado, tal como o tempo de sedimentação adotado.

As leituras de concentração de ferro e manganês remanescentes foram realizadas ao final da sedimentação, na água decantada e ao final da filtração, para todos os leitos filtrantes empregados.

Na Figura 09 é apresentado desenho esquemático do filtro de bancada com detalhe do leito filtrante.

FIGURA 09: FILTRO DE BANCADA EM REPOUSO COM MATERIAL FILTRANTE APLICADO

Fonte: Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011)

Conforme recomendam Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011), para filtros de areia ou de carvão ativado granular, é necessário que a vazão de filtração esteja entre 12 e 20 L/min, correspondentes às taxas de filtração de 60 a 100 m³.m-2_.dia-1_{. Fixou-} se uma vazão de filtração que variou, em média, entre 14 e 16 L/min (71 e 91 m³.m- 2_.dia-1_{, respectivamente). O controle da taxa de filtração foi realizado manualmente no} equipamento, abaixando ou levantando a haste de controle dos extravasores de saída dos jarros para ajuste da vazão e medindo-se a vazão por minuto na saída da água filtrada, conforme metodologia adotada.

O tempo de filtração adotado foi de vinte minutos, quando então realizou-se a coleta do filtrado, durante dois minutos, iniciando-se a coleta aos 19 minutos e finalizado aos 21 minutos (DI BERNARDO, DANTAS & VOLTAN, 2011).

Também houve coleta de amostras de água após sedimentação nos três tempos estabelecidos nos diagramas de coagulação (Tabela 07). Nessas amostras, foram monitorados os parâmetros: turbidez, cor aparente, ferro e manganês; sendo que para os dois últimos parâmetros, foram feitas leituras apenas para as amostras obtidas no tempo de sedimentação adotado através do diagrama de coagulação e para as amostras provenientes da filtração.

Na Figura 10 é possível observar a distribuição dos leitos filtrantes nos filtros de bancada, a vazão de água decantada do jarro para os filtros de bancada, o controle manual da vazão das tubulações de extravasamento e a saída do filtrado dos filtros de bancada.

FIGURA 10: ASPECTO DOS FILTROS DE BANCADA PREENCHIDOS COM MATERIAL FILTRANTE

Fonte: O autor

Para o ensaio de filtração em zeólitas empregando oxidação com cloro, foi preparada solução de Hipoclorito de Sódio 12% (NaClO) para aplicação em volume adequado durante o ensaio de filtração. Foi confeccionada a solução com uma concentração 150 mg.L-1 _{de cloro total. Fixou-se em 2,5 mg.L}-1 _{que a concentração} aplicada no filtro. Para tal, tornou-se necessário o cálculo do volume a ser adicionado (Vad) no filtro durante os vinte minutos de filtração para se obter tal concentração.

Considerando os vinte minutos de filtração a uma vazão média de filtração de 15 ml.min-1_{, calculou-se o volume de água filtrada (Vfiltrado) ao final do processo,} conforme a equação 02:

𝑉_{𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜} = 15.20 = 300 𝑚𝑙

Com isso, e com vistas a equação 01, proposta por Di Bernardo, Dantas e Voltan (2011), obteve-se o cálculo do volume adicionado de cloro (Vad-Cl), conforme equação 03:

𝑉_{𝑎𝑑−𝐶𝑙} =2,5.0,30

150 = 5,0 𝑚𝑙

Para aplicação dos volumes de solução de cloro nos filtros de bancada, utilizou- se um conta gotas. Na equação 04 é apresentado o cálculo para determinação do volume de solução por minuto a ser adicionado (Vad-min):

𝑉_{𝑎𝑑−𝑚𝑖𝑛} = 5

20= 0,25 𝑚𝑙/𝑚𝑖𝑛

Na Tabela 11 é apresentado um resumo dos parâmetros utilizados nos ensaios de filtração em bancada, incluindo os valores de concentração de PAC e pH utilizados, advindos dos diagramas de coagulação.

(2)

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TABELA 11: CONDIÇÕES DE ENSAIO NO JAR-TEST PARA REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS DE FILTRAÇÃO

Fonte: O Autor