Aula 2 - Coagulacao

(1)

ESCOLA POLITÉCNICA DA USP ESCOLA POLITÉCNICA DA USP

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA PHD 2411 PHD 2411 -- SANEAMENTO ISANEAMENTO I Coagulação Coagulação

Prof. Dr. Roque Passos

Prof. Dr. Roque Passos PiveliPiveli

Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho

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Água Bruta Pré-tratamento Filtração lenta Desinfecção Fluoretação Correção de pH Filtração lenta Coagulação Filtração Desinfecção Fluoretação Correção de pH Filtração em Coagulação Pré-floculação Filtração Desinfecção Fluoretação Correção de pH Coagulação Floculação Sedimentação Filtração descendente Desinfecção Fluoretação

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Tratamento Convencional de Águas Tratamento Convencional de Águas

de Abastecimento de Abastecimento

Manancial _Coagulação _Floculação _{Sedimentação}

Filtração Desinfecção Fluoretação Correção de pH Ag en te oxi da nte CA P C oa gula nt e Alc al in izan te Ag ente o xida nt e P olím er o

Polímero Agente oxidante

o xi dant e F lú or Alcalinizante

(4)

COAGULAÇÃO

Definição: Operação unitária responsável pela Definição: Operação unitária responsável pela

desestabilização das partículas coloidais em um desestabilização das partículas coloidais em um

sistema aquoso, preparando

sistema aquoso, preparando--as para a sua as para a sua

remoção nas etapas subsequentes do processo remoção nas etapas subsequentes do processo

de tratamento. de tratamento.

(5)

SISTEMAS COLOIDAIS

•

Colóides Colóides liofóbicosliofóbicos: São aqueles que : São aqueles que

formam um sistema heterogêneo com o

solvente (Sistema Bifásico). Desta forma,

distingue

distingue--se uma fase contínua (solvente) se uma fase contínua (solvente) e uma fase dispersa (colóides). Uma vez

e uma fase dispersa (colóides). Uma vez

que predomina um sistema bifásico, pode

que predomina um sistema bifásico, pode- -se definir uma área de interface.

(6)

SISTEMAS COLOIDAIS

•

Colóides Colóides liofílicosliofílicos: São aqueles que : São aqueles que

formam um sistema homogêneo com o

solvente (Sistema

solvente (Sistema UnifásicoUnifásico). Desta forma, ). Desta forma, distingue

distingue--se uma única fase contínua se uma única fase contínua tendo o solvente e o sistema coloidal

tendo o solvente e o sistema coloidal

como soluto.

(7)

ESTABILIDADE DE SISTEMAS COLOIDAIS

Quando a fase contínua é a água,

os sistemas coloidais são

denominados hidrofóbicos e

hidrofílicos.

(8)

ESTABILIDADE DE SISTEMAS

COLOIDAIS

Sistemas coloidais hidrofóbicos:

São sistemas instáveis, pois as

interações com o solvente são

pequenas.

(9)

ESTABILIDADE DE SISTEMAS

COLOIDAIS

Sistemas coloidais hidrofílicos:

São sistemas estáveis, as

interações com o solvente são tais

que previnem o sistema contra

alterações em sua “estrutura

global”.

(10)

Distribuição de tamanho de

partículas em águas naturais

1 µm 10-3 µm Partículas dissolvidas Partículas _em suspensão Partículas coloidais Turbidez Cor real SDT

(11)

CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS

COLOIDAIS

•

Movimento Browniano: Bombardeamento Movimento Browniano: Bombardeamento pelas moléculas de água.

pelas moléculas de água.

•

Efeito Efeito TyndallTyndall: Propriedade de dispersar a : Propriedade de dispersar a luz. A quantificação desta propriedade de

luz. A quantificação desta propriedade de

um sistema coloidal é denominada

nefelometria

nefelometria..

•

Comportamento Elétrico: Existência de Comportamento Elétrico: Existência de

cargas negativas e positivas na superfície

(12)

ESTABILIDADE COLOIDAL

•Presença de grupos funcionais

ionizáveis

≡SiOH

₂+

⇔ ≡SiOH + H

+

(13)

ESTABILIDADE COLOIDAL

•Adsorção específica de íons

≡SiOH + Ca

+2

⇔ ≡SiOCa

+

_{+ H}

+

≡SiOH + HPO

₄-2

⇔ ≡SiOPO

(14)

-ESTABILIDADE COLOIDAL

ESTABILIDADE COLOIDAL

•Imperfeições na estrutura cristalina

(15)

-- - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + -- -- -+ + + + Partícula Cargas N-N+ Meio Aquoso Camada difusa Camada rígida

DOSAGENS DE COAGULANTE

USUALMENTE EMPREGADOS NO

TRATAMENTO DE ÁGUAS DE

ABASTECIMENTO

•

Sulfato de alumínio (10 mg/l a 60 mg/l)Sulfato de alumínio (10 mg/l a 60 mg/l)

•

Cloreto férrico (5 mg/l a 50 mg/l)Cloreto férrico (5 mg/l a 50 mg/l)

•

Sulfato férrico (8 mg/l a 70 mg/l)Sulfato férrico (8 mg/l a 70 mg/l)

•

Coagulantes orgânicos catiônicos Coagulantes orgânicos catiônicos (1 mg/l a 4 mg/l)

(22)

Coagulação: Reações Químicas

Alumínio

3 4 2(SO ) Al 2.Al+3 + SO3. ₄−2 O H Al+3 + ₂ AlOH+2 + H+ O H AlOH+2 + ₂ AlOH₂+ + H+ O H AlOH₂+ + ₂ Al(OH)3Sólido + H+ (OH) H O Al + _AlOH− _{+ H}+

(23)

Coagulação: Reações Químicas

Ferro

3 FeCl Fe+3 _{+ Cl}3. − O H Fe+3 + ₂ FeOH+2 + H+ O H FeOH+2 + ₂ FeOH₂+ + H+ O H FeOH₂+ + ₂ Fe(OH)3Sólido + H+ (OH) H O Fe + _FeOH− _{+ H}+ 3 4 2(SO ) Fe 2.Fe+3 +3.SO₄−2

(24)

Equações de equilíbrio de algumas espécies

hidrolisadas do alumínio e do ferro em meio

aquoso

Espécie Equação de Equilíbrio Constante de Equilíbrio

Fe+3 Fe(OH)3S ⇔ Fe+3 + 3OH- 10-38

Fe(OH)+2 Fe+3 + H2O ⇔ Fe(OH)+2 + H+ 10-2,16

Fe(OH)2+ Fe+3 + 2H2O ⇔ Fe(OH)2+ +2H+ 10-6,74

Fe(OH)4- Fe+3 + 4H2O ⇔ Fe(OH)4- +4H+ 10-23

Fe2(OH)2+4 2Fe+3 + 2H2O ⇔ Fe2(OH)2+4 + 2H+ 10-2,85

Al+3 Al(OH)3S ⇔ Al+3 + 3OH- 10-33

Al(OH)+2 _Al+3_+H

2O ⇔ Al(OH)+2 +H+ 10-5

(25)

Diagrama de solubilidade do

alumínio em meio aquoso

(26)

Diagrama de solubilidade do ferro

em meio aquoso

(27)

Diagrama de solubilidade do ferro

e alumínio em meio aquoso

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 pH L og (A l ou Fe ) Fe Total Al Total

(28)

Visão dinâmica do processo de

coagulação

Solvente Coagulante

(29)

Processo de Coagulação

•

• Dispositivos hidráulicos

Dispositivos hidráulicos

•

• Calhas

Calhas

Parshall

•

• Vertedores

Vertedores

retangulares

•

• Malhas difusoras

Malhas difusoras

•

(30)

Processo de Coagulação

Vertedores

(31)

Processo de Coagulação

Calhas

(32)

Processo de Coagulação

Calhas

(33)

Processo de Coagulação

Calhas

(34)

Processo de Coagulação

Calhas

(35)

Processo de Coagulação

Calhas

(36)

Processo de Coagulação

Calhas

(37)

Processo de Coagulação

•

• Dispositivos mecânicos

Dispositivos mecânicos

•

• Agitadores mecânicos

PROCESSO DE COAGULAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(52)

PROCESSO DE COAGULAÇÃO

ETA RIO GRANDE (SABESP)

(53)

CONCEITO: GRADIENTE DE VELOCIDADE

dy dz dy dy dv v .      + v v dF dP_ot = . v dA dy dy dv v dA dP_ot τ. . .  −τ. .      ₊ = dy dy dv dA dP_ot . . .      =τ dz dy dx dy dv dP_ot . . . .      =τ dz dy dx dv dv dP_ot = µ. . . . .

(54)

dy dz dy dy dv v .      + v dz dy dx dy dv dy dv dP_ot . . . . .            = µ dz dy dx dy dv dP_ot . . . . 2       = µ       = dy dv G dz dy dx G dP_ot = µ. 2. . . ot P G =

(55)

      = dy dv G ol ot V P G . µ = G=Gradiente de velocidade (s-1) h ol ol ot H V H Q V P G θ µ γ µ γ µ . . . . . . ∆ = ∆ = = L H V V H A V V H Q G ol ol . . . . . . . . . . µ γ µ γ µ γ ∆ ₌ ∆ ₌ ∆ =

(56)

CÁLCULO DO GRADIENTE DE VELOCIDADE

Agitadores de fluxo radial

v F P_ot = _a. 2 . . . A v2 C F_a = d ρ p 2 . . . A v3 C P_ot = d ρ p

Agitadores de fluxo axial

5 3_. . . n D K P_ot = _T ρ F_a=força de arraste (N) v=velocidade (m/s) C_d=coeficiente de arraste A_p=área projetada n=rotação (rps)

(57)

CÁLCULO DO GRADIENTE DE VELOCIDADE

Agitadores de fluxo axial

5 3_. . . n D K P_ot = _T ρ F_a=força de arraste (N) v=velocidade (m/s) C_d=coeficiente de arraste A_p=área projetada n=rotação (rps) D=diâmetro do rotor (m) P=Potência (W) ol ot V P G . µ = 1,0 a 1,2 Turbina com quatro palhetas

inclinadas a 320

1,27 Turbina com quatro palhetas

inclinadas a 450

4,80 Turbina (seis palhetas curvas)

5,75 Turbina (seis palhetas retas)

0,87 Hélice propulsora marítima (3 hélices)

Valor de K_T Tipo de rotor

(58)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

ESCOAMENTO RADIAL

5 , 5 5 a K ≅

(59)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

ESCOAMENTO RADIAL

(60)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

ESCOAMENTO AXIAL

(61)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

ESCOAMENTO AXIAL

(62)

SISTEMAS DE AGITAÇÃO

ESCOAMENTO AXIAL

(63)

Unidades de Mistura Rápida

Dimensionamento

•

Gradiente de velocidade Gradiente de velocidade ≥_≥ 1.000 s1.000 s--11

Mecanismo de coagulação por adsorção

Mecanismo de coagulação por adsorção- -neutralização

neutralização

•

Gradiente de velocidade Gradiente de velocidade ≥_≥ 300 s300 s--11

Mecanismo de coagulação por varredura

•

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