USO DO PERMANGANATO DE POTÁSSIO E CARVÃO
ATIVADO EM PÓ NA REMOÇÃO DE MANGANÊS
José Tarcísio Ribeiro
Mestre em Eng
aCivil, Área de Saneamento - FEC/UNICAMP
Prof. da Faculdade de Tecnologia de São Paulo
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Ruben Bresaola Júnior
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Palavras chave: Permanganato de potássio, Carvão Ativado em Pó,
Manganês residual
INTRODUÇÃO
O uso do Permanganato de potássio no tratamento de águas de abastecimento já foi
estudado por vários autores, como auxiliar de coagulação-floculação1
, oxidante de precursores
de Trihalometanos2
e na remoção de ferro e manganês3
. No controle da dosagem de KMnO4,
todavia, é difícil ser evitado problemas nos sistemas de distribuição de água, em virtude do excesso de íon permanganato solúvel liberado, e a posterior precipitação de dióxido de
manganês.4
Neste trabalho foi verificada a potencialidade do Carvão Ativado em Pó (CAP) na
remoção do manganês residual, decorrente do pré-tratamento de água bruta com o KMnO4.
IMPORTÂNCIA AMBIENTAL DO MANGANÊS
O transporte de pequenas quantidades de íons metálicos, através das águas naturais, bem como seus impactos biológicos estão relacionados às suas constituições físico-químicas. Os metais complexam-se com colóides de componentes inorgânicos ou orgânicos, não sedimentando sob a força da gravidade e podendo, por isso, serem transportados a longas distâncias.5
Tanto quanto se conhece, o ser humano não sofre qualquer efeito danoso quando ingere água contendo manganês. Entretanto, águas expostas à aeração passam a apresentar turbidez e torna-se inaceitáveis sob o ponto de vista estético, devido à oxidação desse
elemento à forma de MnIV, que forma um precipitado coloidal.
6
Quando presente em alta concentrações o manganês pode conferir sabor à água, de provocar manchas em produtos industriais tais como o papel, tecidos ou couro, assim como os
utensílios domésticos podem ficar com manchados.7
EMPREGO DO CARVÃO ATIVADO EM PÓ NO TRATAMENTO DE ÁGUA
A principal característica do Carvão Ativado em Pó (CAP) que o diferencia do Carvão Ativado Granular (CAG), é o tamanho das partículas. Para remoção de gosto e odor das águas
de abastecimento, o CAP é largamente usado nos EUA,8
e sua potencialidade para remover outros compostos orgânicos naturais e sintéticos, nos processos de tratamento de água, tem sido investigada por vários pesquisadores.9,10,11,12,13
O desempenho deste produto depende de seu tipo, da presença de desinfetantes, da competição das substâncias orgânicas naturais e do tempo de contato na estação de tratamento de água. A presença de substâncias húmicas com grande tamanho molecular pode bloquer os pequenos poros das partículas, diminuíndo assim a área da superfície destas, disponíveis para a adsorção de outras
moléculas.8
As vantagens do emprego do CAP no tratamento de água de abastecimento são seu baixo custo e a possibilidade de sua aplicação somente quando for necessário. É especialmente importante para os sistemas que requerem um adsorvente para a maior parte do ano. Figuram como desvantagem a difícil determinação do ponto de aplicação, tal que a
distância percorrida pela água permita a plena utilização de sua capacidade de adsorção.10
EMPREGO DO PERMANGANATO DE POTÁSSIO NO TRATAMENTO DE ÁGUA
O uso do permanganato de potássio (KMnO4) em substituição ao cloro livre, traz
vantagens1
, além de ser facilmente implementável para o controle de THMs, sob algumas
condições2
Tabela 1 - Caracterização da solução de ácido húmico
Parâmetro máximo mínimo médio Desvio padrão
Temperatura (oC) 27 20 24,2 1,30
pH 8,0 5,5 7,0 0,40
Turbidez (uT)+ 2,56 0,89 1,12 0,37
Alcalinidade total mg CaCO3/L 7,3 6,7 6,9 x
Absorbância UV 0,160 0,105 0,123 0,01
+ sem adição de cal, x - não determinado
Tabela 2 – Produtos químicos utilizados nos ensaios de coagulação-floculação
PRODUTO QUÍMICO ORIGEM GRAU DE
PUREZA CONCENTRAÇÃO DA SOLUÇÃO Cristais de ácido húmico Aldrich Chemical Company PA XX
Sulfato de alumínio Vetec Química
Fina Ltda PA 2 % Carvão ativado em pó Comercial XX Permanganato de potássio Carlo Erba do Brasil S/A PA 0,2 %
Hidróxido de cálcio Richardson
Merrel-Moura PA 2 % 0 2 4 8 10 12 14 20 22 Tempo (horas) 6 8 10 12 14 16 18
Turbidez residual após sedimentação (UT)
Permanganato de potássio Cloro livre
auxiliares de coagulação. A dosagem de cloro liivre utilizada foi de 17,0 mg/L enquanto que a
de KMnO4 foi de 1,5 mg/L.
PROCESSOS INDICADOS PARA REMOÇÃO DE MANGANÊS DAS ÁGUAS DE ABASTECIMENTO
Os métodos usualmente empregados para controle ou remoção de manganês incluem (a) formação de precipitado e filtração, (b) troca iônica, (c) estabilização com polifosfatos e (d) o
emprego do zeólito de manganês. No caso de formação de precipitado e filtração pode ser empregada a aeração, sedimentação e filtração (com ou sem adição de cloro e alcalinizante para ajuste do pH) ou a oxidação com permanganato de potássio, cloro, dióxido de cloro, seguida de filtração (com ou sem adição de alcalinizante). 7,14,15
O emprego do KMnO4 para
remoção de manganês é vantajoso, porque as reações são completas, rápidas, e requerem
uma quantidade mínima do produto químico.14
Figura 1 – Comparação dos resultados da pré-cloração e pré-oxidação com permanganato de potássio como auxiliares de coagulação
METODOLOGIA
A investigação experimental foi desenvolvida nas dependências do Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Civil da UNICAMP. O ácido húmico comercial (Aldrich Chemical Company) foi utilizado como matéria orgânica a competir com manganês, e
para sua aplicação foram feitas soluções do mesmo. O permanganato de potássio foi empregado na oxidação do material húmico e como fonte de manganês. O total de água bruta utilizada foi de 30,0 L, preparada através da adição de 52,0 mg do produto em 13 litros de água destilada, obtendo-se assim uma concentração inicial de 4,0 mg/L, que sempre foram comparadas, mediante a verificação da adsorção de radiação UV. O grau de homogeneidade das amostras de água bruta pode ser avaliado, pelo desvio padrão dos valores de absorbância de radiação UV observados na TAB 1 Materiais Produtos químicos utilizados para realização dos ensaios. Os produtos químicos, empregados nos ensaios de
Tabela 3 - Características do carvão ativado em pó16
Parâmetro unidade valores
número de iodo mg de I2/g > 600
índice de fenol g/L < 2,5
umidade % em massa < 8,0
massa específica aparente
g/cm3 0,2 a 0,75
granulometria % em massa que
passa peneira ABNT no 100 > 99
peneira ABNT no 200 > 95 peneira ABNT no 325 > 90
Tabela 2- Valores obtidos nos ensaios de coagulação ensaio amostra coagulante
(mg/L) CAP (mg/L) KMnO4(mg/L) Manganês residual (mg/L) pH final 1 7,0 1,0 0,04 7,8 2 7,0 1,2 0,07 7,8 1 3 7,0 1,4 0,08 7,9 4 7,0 1,6 0,10 7,8 5 7,0 1,8 0,14 7,6 6 7,0 2,0 0,11 7,8 1 7,0 2,2 0,20 7,3 2 7,0 2,4 0,27 7,3 2 3 7,0 2,5 0,25 7,3 4 7,0 2,6 0,25 7,3 5 7,0 2,8 0,26 7,3 6 7,0 3,0 0,27 7,4 1 10,0 1,0 0,03 7,4 3 2 15,0 1,0 0,02 7,3 20,0
coagulação-floculação, bem como as concentrações das soluções e as suas procedências, estão indicados na TAB 2. Uma solução de sulfato de alumínio foi o coagulante empregado, e a solução de hidróxido de cálcio, para auxiliar no acerto do valor do pH, nos ensaios para determinação dos melhores parâmetros de coagulação no mecanismo de varredura. As características do Carvão ativado em pó, empregados nesta pesquisa são mostradas na TAB 3.
Equipamentos para caracterização das
amostras. Os aparelhos
utilizados para medidas dos parâmetros de controle e preparação das amostras foram um potenciômetro fabricado pela Artlab, modelo Analyser 300, leitura digital com precisão decimal e compensação de temperatura, para medição do valor do pH; termômetro de mercúrio com faixa de medição
compreendida entre –10 e 150 oC, com escala de 1 grau; suporte para filtro da Millipore e
bomba para filtragem a vácuo; espectrofotômetro, fabricado pela Micronal, modelo B382.
Equipamentos para os ensaios de coagulação-floculação. Foram utilizados seis
aparelhos de "jar-test", individuais (Ética Equipamentos Científicos S/A, modelo 218-E). Cada aparelho possui motorização individual, dotado de um sistema que permite a variação de sua rotação de forma contínua, e foi adaptado para proporcionar gradientes de velocidade superiores
a 1000 s-1. Os seis reatores em acrílico, que integram o conjunto, têm individualmente volume
útil de 2 litros. Possuem seção quadrada, em planta, medindo 11,5 cm de lado, altura total de 21 cm e parede com espessura de 5 mm, onde foram instaladas 8 paletas estatoras medindo 4,0 cm x 2,0 cm.
Métodos
Ensaios de coagulação-floculação. Inicialmente foram adicionadas às amostras de água
bruta, dosagens de KMnO4 variando na faixa de 1,0 mg/L a 3,0 mg/L e mantido um gradiente
de velocidade da ordem de 300 s-1
durante um intervalo de tempo de 60 segundos. Em seguida, num aprimeira ação, foram adicionadas dosagens de CAP iguais a 7,0 mg/L, reduzindo-se o
gradiente de velocidade para 100 s-1
, permanecendo assim por 30 minutos. Foi dada sequência ao ensaio, adicionando-se 20,0 mg/L de sulfato de alumínio e mantendo-se os parâmetros
físicos da coagulação-floculação G= 100 s-1
para a mistura rápida, durante 1 minuto, G= 80 s-1
, 50 s-1
e 20 s-1
durante 10 minutos, totalizando 30 minutos de fluculação. Numa Segunda ação, foi fixada a dosagem de permanganato de potássio em 1,0 mg/L, incrementada a dosagem de CAP para 10,0 mg/L, 15,0 mg/L e 20,0 mg/L. Nesta Segunda fase a dosagem de coagulante bem como os demais parâmetros físicos permaneceram inalterados. A determinação do manganês residual foi verificada conforme preconiza o Stadards Methods 3500-Mn D.
A TAB 2 apresenta os residuais de Manganês, conseguidos após 30 minutos de contato com o CAP em suspensão. Para dosagens de CAP iguais a 7,0 mg/L os residuais de manganês se apresentaram de forma crescente, em função da concentração de permanganato de potássio, que foi variada entre 1,0 mg/L e 3,0 mg/L. Quando foram aplicadas dosagens
superiores de CAP, e mantida fixa a dosagem de KMnO4 em 1,0 mg/L, os residuais de
manganês decresceram.
Os diagramas da FIG 1, elaborados com base nos dados da TAB 2, mostra como inconveniente o residual de Mn, oriundo das dosagem de permanganato de potássio em excesso. O carvão ativado pode, quimicamente, reduzir o permanganato de potássio, conforme estudo, bem como outros compostos. A demanda por oxidantes e desinfetantes é, portanto, aumentada. Por outro lado, esses oxidantes degeneram a superfície das partículas de carvão
ativado, diminuindo assim sua capacidade adsorsiva.10 Portanyo, deve-se ter muito cuidado no
exame das interações do CAP com os produtos químicos empregados no tratatamento de água. 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,5 2,6 2,8 3,0 Permanganato de potássio (mg/L) 95 96 97 98 99 100
Remoção de ácido húmico (%)
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Residual de Mn (mg/L) CAP= 7,0 mg/L 10,0 15,0 20,0 CAP (mg/L) 90 92 94 96 98 100
Redução de ácido húmico (%) 0
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 Residual de Mn (mg/L) Manganês residual (mg/L)
Ácido húmico removido; Permanganato de potássio = 1,0 mg/L
(a)
(b)
Figura 1 - Remanescentes de ácido húmico e manganês após oxidação com permanganato de potássio, adsorção ao carvão ativado em pó e coagulação com sulfato de alumínio.
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos permitem concluir que: a) para o tempo de contato
empregado, as dosagens de CAP igual a 7,0 mg/L e de KMnO4 iguais a 1,0 mg/L e 1,2 mg/L
foram insuficientes para remover por completo o com posto orgânico utilizado no preparo da solução; b) a dosagem de CAP igual a 7,0 mg/L e de permanganato igual a 1,4 mg/L, além de remover integralmente o material orgânico não deixou residual de Manganês acima do límite aceito pela Organização Mundial de Saúde; c) as dosagens de permanganato superiores a 1,6 mg/L mostraram-se inapropiadas por deixarem um residual de Mn acima do aceitável pela
OMS; d) o incremento na dosagem do CAP para 10,0 mg/L e a redução na do oxidante para 1,0 mg/L não só removeram totalmente o ácido húmico bem como o residual de manganês ficou abaixo de limites mais restritivos do que os da OMS.
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