3.4 Eletrocoagulação
3.4.1 Fatores que afetam a eletrocoagulação
A fonte de corrente para o sistema da eletrocoagulação determina a quantidade de íons de Al3+ ou de Fe2+ liberados dos respectivos eletrodos. Uma sobre-tensão pode significar uma pequena eficiência na eletrocoagulação. Entretanto, quanto mais alta a corrente usada, maior a chance de desperdiçar energia elétrica aquecendo a água, dissipando em forma de calor. A densidade de corrente selecionada deve ser feita com outros parâmetros operacionais tais como, pH, temperatura, taxa de fluxo e eficiência de corrente. A eficiência de corrente depende tanto da densidade de corrente, quanto, da quantidade e dos tipos de ânions (Chen, 2004).
3.4.1.2 A presença de NaCl
O sal de NaCl é geralmente utilizado como solução iônica (solução que contém íons, condutora de corrente) para aumentar a condutividade da água ou do efluente a ser tratado, melhorando o fluxo de elétrons no meio e reduzindo o consumo de energia, o que consequentemente faz aumentar o desempenho da carga elétrica. Segundo Wong (2002) foi verificado que os íons cloreto poderiam reduzir o efeito de outros íons, tais como carbonatos e sulfatos. A existência de íons carbonatos e sulfatos no meio conduzem a precipitação de Ca²+ e Mg2+ formando uma película isolante (incrustação) na superfície dos eletrodos. A incrustação depositada sobre os eletrodos afeta de forma negativa o processo porque dependendo da camada formada sobre a superfície do eletrodo, leva ao decréscimo do potencial entre os eletrodos, resultando na redução significativa da eficiência de corrente. O íon Cl- eletroquimicamente gerado na eletrólise do NaCl, tem função de desinfecção no caso do tratamento da água, já no tratamento de efluentes ele atua como oxidante (Chen, 2004). 3.4.1.3 O efeito do pH
O pH do efluente na eletrocoagulação influencia na eficiência de corrente, bem como, na solubilidade dos hidróxidos metálicos. Quando há íons cloreto presente, a liberação de cloro também pode ser afetada. A eficiência do tratamento depende da natureza dos poluentes, sendo que a melhor eficiência de remoção encontrada desses poluentes, foi em pH próximo de 7. O consumo de energia, entretanto, aumenta em pH neutro, devido à variação da condutividade. Quando a condutividade é alta, o efeito do pH não é significativo. O pH do
efluente depois do tratamento por eletrocoagulação aumentaria para efluentes ácidos, mas diminui para efluentes alcalinos. O aumento do pH em condições ácidas foi atribuído a liberação de hidrogênio no catodo, quando o gás hidrogênio produzido é totalmente liberado da célula eletroquímica, em meio ácido, resta em solução a presença de íons hidróxidos resultante da hidrolise da água, o que ocasiona o aumento de pH. (Chen, 2004).
3.4.1.4 Temperatura
O efeito da temperatura no processo ainda não foi muito pesquisado. Sabe-se que, o aumento da temperatura resulta no decréscimo da eficiência de corrente (EC). O aumento da EC com a temperatura foi atribuído ao aumento da ação de destruição do filme de hidróxido de alumínio (para eletrodos de alumínio) aderido a superfície do eletrodo. Quando a temperatura é muito alta, há uma contração, reduzindo os grandes poros do hidróxido de alumínio [Al(OH)3], no que resulta em flocos mais compactos e mais prováveis de aderirem à
superfície do eletrodo. A temperatura é diretamente proporcional a condutividade e inversamente ao consumo energético. Isso para tratamento de águas residuais contendo óleo. Temperatura mais elevada, portanto, dá uma maior condutividade e um menor consumo energético (Chen, 2004).
3.4.1.5 Fonte de alimentação (Corrente Contínua – DC)
Quando aplicada uma corrente contínua no reator eletroquímico, essa deve superar a diferença do potencial de equilíbrio, do sobrepotencial (diferença entre o potencial aplicado I≠0 e o potencial de equilíbrio I=0 da célula) anódico, do sobrepotencial catódico e da queda do potencial ôhmico da solução (Scott, 1995). O sobrepotencial anódico incluí o sobrepotencial de ativação e de concentração, bem como, sobrepotencial de passivação, resultando numa película de passivação na superfície do anodo, enquanto o sobrepotencial catódico é composto principalmente pelo sobre potencial de ativação e do sobrepotencial de concentração (Scott, 1995).
O potencial da célula pode ser calculado por meio da seguinte equação:
ηa = sobrepotencial anódico (V);
ηc = sobrepotencial catódico (V);
I = corrente fornecida pela fonte (A); RΩcélula = queda Ôhmica da célula.
3.4.1.6 Material dos eletrodos
Os materiais empregados para os eletrodos na eletrocoagulação são geralmente de alumínio ou de ferro. Esses eletrodos podem possuir geometria plana (placas ou chapas), cilíndrica (barras) ou tridimensional (3D).
Os eletrodos de ferro e de alumínio são comumente usados nos tratamentos de águas, de efluentes e esgotos, sendo o ferro o material mais usado devido ao seu baixo preço. As chapas de alumínio são também utilizadas em aplicações no tratamento de águas residuais, seja de forma isolada ou combinada com chapas de ferro, devido à alta eficiência de coagulação de Al3+ (Shen, 2003 apud Chen, 2004).
Quando há uma significativa quantidade de íons Ca2+ e Mg2+ presente na água ou no efluente, é recomendado que o material do cátodo seja de aço inoxidável (material mais estável) (Strokach, 1978 apud Chen, 2004).
Em relação aos eletrodos, na eletrocoagulação em sistemas simples, eles são normalmente conectados no modo mono-polar (Figura 3.7a) ou bi-polar (Figura 3.7b).
Figura 3.7 - Arranjo dos eletrodos de acordo com a conexão
3.4.1.7 Projeto ou geometria do reator (Design)
Com relação ao tipo de reator, dependendo da orientação das chapas do eletrodo, esse pode ser horizontal ou vertical conforme a direção do fluxo de alimentação, podendo ser fluxo vertical (Figura 3.8a) ou de fluxo horizontal (Figura 3.8b).
Figura 3.8 - Esquema da direção de fluxo de acordo com a posição dos eletrodos dentro do reator de eletrocoagulação. (Fonte: Chen, 2004).
A escolha da geometria do reator está relacionada ao direcionamento do fluxo através do espaço entre as placas, o qual pode ser múltiplos canais (Figura 3.9b) ou de um único canal (Figura 3.9a). O de múltiplos canais possui um arranjo de fluxo simples, mas a distribuição do fluido em cada canal é pequena, o que reduz o tempo de residência (tempo de reação de oxidação do metal do eletrodo). Já o direcionamento do fluxo feito por um único canal permite controlar a vazão de fluxo conforme o tempo de tratamento desejado.
a)
b)
Na engenharia eletroquímica os modelos desenvolvidos e mais elaborados de reatores eletroquímicos, devem ser focados no tipo de geometria, característica, forma de operação e no dimensionamento (escala de laboratório ou industrial). Portanto, uma atenção especial deve ser dada a geometria dos mesmos para obter elevadas taxas de conversão dos reagentes em produtos desejados (Walsh e Trinidad et al., 1998 apud Vasconcelos, 2002).
As variedades e os modelos de reatores (Figura 3.10) podem ser de operações simples (contínuo ou batelada) e o combinado, de acordo com o modo de operação desejado. Os mais utilizados são os reatores contínuos e os compostos. O contínuo permite a renovação de efluente a ser tratado dentro do reator. O composto permite combinar dois tipos de processos eletroquímicos diferentes, por exemplo, eletrocoagulação (óleos-graxas e metais pesados) e eletrooxidação (compostos orgânicos). Já o de batelada, não permite e nem realiza a troca do fluxo de efluente dentro do reator, que fica confinado de acordo com o tempo de tratamento desejado e por isso, demora mais.
Figura 3.10 - Geometria dos reatores de operações simples: a) batelada, b) contínuo com agitação e c) contínuo. Fonte: Oliveira et al., (2003).
a)
c)