COMPARAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE PARTÍCULAS NA FILTRAÇÃO
DIRETA ASCENDENTE E DESCENDENTE
Angela S. Di Bernardo(*)
Engenheira Civil e Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, onde atualmente realiza trabalho de doutoramento.
Appiah Amirtharajah
School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology Luiz Di Bernardo
Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo
Endereço (*) : Departamento de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos – USP Av. Trabalhador São-Carlense, no. 400, CEP : 13 566-570 ; São Carlos – SP,
Fone : 55 16 273 95 28 ; Fax : 55 16 273 95 50, email: angeladb@sc.usp.br RESUMO
Quando a água apresenta características que permitem que seja utilizada a filtração direta, há duas possibilidades, quais sejam: a) filtração direta ascendente; b) filtração direta descendente. Há vantagens e desvantagens no uso de uma delas quando comparada à outra quando se destinam a aplicações em escala real. No entanto, com relação à eficiência de remoção de partículas, existem dúvidas sobre o papel da força da gravidade, uma vez que a sedimentação tem sido considerada como um dos principais mecanismos de transporte das partículas no interior do meio granular. Por outro lado, a permanência das partículas nos vazios intergranulares depende das forças de aderência, havendo grande influência da natureza da superfície das partículas (características hidrofóbicas ou hidrofílicas).
Neste trabalho foi estudada a influência da gravidade na eficiência da filtração direta ascendente e descendente mediante a realização de ensaios em filtro de laboratório, utilizando-se partículas hidrofóbicas e hidrofílicas.
Palabras-Chave: Filtração Direta Ascendente, Filtração Direta Descendente, Remoção de partículas, Hidrofobicidade. INTRODUÇÃO
A retenção de impurezas na filtração é considerada como o resultado de dois mecanismos distintos, porém, complementarres: transporte e aderência. Em primeiro lugar as partículas devem se aproximar das superficies dos grãos e, posteriormente, devem permanecer aderidas a estes de modo a resisitir às forças de cisalhamento resultantes das características hidrodinâmicas do escomento ao longo do meio filtrante. Os mecanismos de transporte são influenciados, principalmente, pelas características físicas e químicas do afluente, do pré-tratamento, da taxa de filtração, do meio filtrante e do método de operação dos filtros. Dentre os mecanismos de transporte considerados para explicar a
A difusão é o transporte resultante do movimento Browniano das partículas pelo intenso bombardeio das moléculas de água. O movimento das partículas por este mecanismo tem natureza estocástica e é altamente relevante para partículas menores que 1µm.
O mecanismo de sedimentação é devido a força da gravidade e a respectiva velocidade de sedimentação da partícula, a qual faz com que a partícula cruze as linhas de corrente e alcance o coletor. Neste mecanismo, a densidade da partícula e temperatura são parâmetros importante. Este mecanismo pode ser entendido pela visualização dos vazios como pequenas células de sedimentação ou o caminho dos poros como pequenos sedimentadores.
A combinação destes dois mecanismo resulta em uma eficiência líquida de transporte mínima para partículas com tamanho por volta de 1µm. É interessante extrapolar estes resultados para dois protozoários: Giardia lamblia e Criptosporidium. Cistos de Giardia lamblia com dimensão de 10-15 µm são removidos provavelmente pelo mecanismo de sedimentação, enquanto que o Criptosporidium, com dimensão de 3-5µm deve ser removido provavelmente pelo mecanismo de difusão.
Quando próximas à superficie dos grãos do meio filtrante, as partículas são capturadas e aderidas a estes por meio dos mecanismos de aderência. A eficiencia da aderência entre as partículas e os coletores depende, principalmente, das propriedades das superficies de ambos.
O presente trabalho foi realizado com o objetivo de avaliar, em ensaios de filtração direta ascendente e descendente, a influência do mecanismo de sedimentação e da hidrofobicidade das partículas na eficiencia da filtração.
MATERIAIS E MÉTODOS
Foram realizados ensaios em instalação de laboratório para comparar a remoção de partículas na filtração direta ascendente e descendente. Na Tabela 1 são apresentadas as principais características dos ensaios realizados.
TABELA 1: Características dos ensaios realizados
Ensaio Tipo de
Partícula Coagulante Direção Fluxo do Concentração Total de Partículas
(#/mL) Espesura do Meio Filtrante (cm) Taxa de Filtração (m3/m2.d)
1 Hidrofóbica (PGS) Cálcio: 5 g/L Cloreto de Ascendente 4,5x10
5
(Turbidez: 12uT) 5 120
2 Hidrofóbica (PGS) Cálcio: 5 g/L Cloreto de Descendente 4,5x10
5 (Turbidez: 12uT) 5 120 3 Hidrofílica (PGC) Cloreto de Cálcio: 5 g/L Ascendente 4,5x105 (Turbidez: 12uT) 5 120
4 Hidrofílica (PGC) Cálcio: 5 g/L Cloreto de Descendente 4,5x10
5
(Turbidez: 12uT) 5 120
Nas Figuras 1 e 2 são apresentados esquemas da instalação utilizada nos ensaios de filtração direta ascendente e descendente, respectivamente.
300 rpm
17,5 L 300 rpm
SUSPENSÃO DE PARTICULAS (água deionizada + tampão)
BOMBA PER ISTÁLTICA
Z ON A DE
MIST U R A RÁPIDA BOMBA
PER IST ÁLTICA
SOLUÇ ÃO DE C OAGU LANTE R OTÂMETRO R EGULAR IZAD OR DE VAZ ÃO D ESCARGA MED ID OR D E PR ESSÃO D IFER EN CIAL EFLUENTE 5 cm ALTA PR ESSÃO AFLUENTE BAIXA PR ESSÃO MEIO FILTRANTE (ÁGUA FILTR AD A)
(ÁGUA C OAGU LADA)
FLU XO ASC EN DENTE
FIGURA 1:
Instalação de filtração direta ascendente utilizada nos ensaios
SOLUÇ ÃO DE C OAGU LANTE EFLUENTE MED ID OR D E PR ESSÃO D IFER EN CIAL (ÁGUA FILTR AD A) VAZ ÃO R EGULAR IZAD OR DE R OTÂMETRO MISTU R A RÁPIDA ZON A DE PER IST ÁLTICA BOMBA PER ISTÁLTICA BOMBA 17,5 L ALTA PR ESSÃO 5 cm (água deionizada + tampão)
SUSPENSÃO DE PARTICULAS 300 rpm
L 300 rpm
(ÁGUA C OAGU LADA) AFLUENTE
Meio Filtrante: “miçangas de vidro” (glass beads) com diâmetro entre 430 e 600µm foram utilizadas como meio filtrante
(d=2,5 g/cm3). A espessura do meio filtrante (5cm) foi adotada com base nos resultados obtidos no trabalho de
LEVEAU (2001), visando a possível ocorrência do transpasse.
Partículas: as partículas de látex com grupos sulfato e carboxilato têm sido muito utilizadas em pesquisas recentes de filtração. As partículas de látex com grupos sulfato (PGS) são microesferas de poliestireno carregadas com grupos funcionais de sulfato na superfície. Suspensões de partículas PGS são estáveis em uma ampla faixa de pH, embora sejam hidrofóbicas e, portanto, sujeitas à agregação na presença de baixas concentrações de cátions bivalentes e trivalentes. As partículas de látex com grupos carboxilatos (PGC) são produzidas pela junção de polímeros contendo grupos de ácido carboxílico e microesferas PGS. O resultado é um polímero de látex com superfície altamente carregada e relativamente hidrofílica. A suspensão de partículas foi preparada com água deionizada acrescentada ao volume
necessário da solução estoque de partículas, de modo a resultar 4,5x105 partículas por mL. Foi acrescentada também
solução de bicarbonato de sódio (tampão) na suspensão de modo que o pH resultante fosse 7,5.
Coagulante: Com base na literatura consultada, a dosagem de cloreto de cálcio necessária para realizar a coagulação por compressão da camada difusa era de 5g/L. Para confirmação deste valor, foram realizados ensaios em jarteste para verificar o potencial zeta da suspensão após a adição de diferentes dosagens de cloreto de cálcio. Para a dosagem de 5g/L, o potencial zeta variou de -6,5 a -3,1mV. O sulfato de alumínio também foi estudado, mas os resultados não se encontram neste trabalho.
Parâmetros de Controle: durante os ensaios, os seguinte parâmetros foram medidos: perda de carga no meio filtrante, contagem de partículas, turbidez, pH, condutividade e potencial zeta
RESULTADOS OBTIDOS
Nas Figuras 3 e 4 são apresentados os resultados dos ensaios de filtração direta ascendente e descendente realizados com as partículas PGS (hidrofóbicas) e PGC (hidrofílicas).
Percebe-se na Figura 3, que durante os primeiros 30 min os valores de turbidez e número de partículas oscilaram devido provavelmente ao período de amadurecimento do filtro. Após esse período, os valores de turbidez e número de partículas do filtrado obtidos foram maiores na filtração ascendente, confirmando o efeito da gravidade na eficiência de remoção de partículas. Entretanto, embora a remoção de partículas tenha sido menor, a perda de carga na filtração ascendente foi maior.
Os resultados obtidos com as partículas hidrofílicas (PGC) também confirmaram o efeito da gravidade na eficiência da filtração (valores de turbidez e número de partículas maiores na filtração ascendente).Novamente, a perda de carga no meio filtrante foi maior no caso da filtração ascendente.
Os resultados obtidos nos ensaios também mostraram que a hidrofobicidade das partículas tem papel importante na eficiência da filtração, sendo os valores de turbidez e número de partículas do filtrado significativamente maiores no caso das partículas hidrofílicas (PGC). Os valores de perda de carga apresentados nos ensaios com as partículas PGC foram menores que aqueles obtidos com as partículas PGS. Para melhor visualização do efeito da hidrofobicidade das partículas na eficiência da filtração, foram construídas as Figuras 5 e 6.
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Tempo (min) Tu rb id ez (uT ) Descendente Ascendente Turbidez do Efluente 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 0 50 100 150 200 250 Tempo (min) Turbidez (uT) Descendente Ascendente Turbidez do Efluente 0,0 50000,0 100000,0 150000,0 200000,0 250000,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Tempo (min) N ú m er o de Pa rt íc u las ( # / m L ) Descendente Ascendente Contagem de Partículas do Efluente 0,0 50000,0 100000,0 150000,0 200000,0 250000,0 300000,0 350000,0 0 50 100 150 200 250 Tempo (min) Núme ro de Part íc ulas (#/mL) Descendente Ascendente
Contagem de Partículas do Efluente
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Tempo (min) Pe rd a d e C ar ga ( cm ) Descendente Ascendente Evolução da Perda de Carga
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 50 100 150 200 250 Tempo (min) Pe rda d e Car ga (c m) Descendente Ascendente
Evolução da Perda de Carga
FIGURA 3 – Comparação entre Filtração Direta Ascendente e Descendente
(Partículas Hidrofóbicas: PGS)
FIGURA 4 – Comparação entre Filtração Direta Ascendente e Descendente
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s Turbidez do Efluente 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 0 50 100 150 200 250 300 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s Turbidez do Efluente 0,0 50000,0 100000,0 150000,0 200000,0 250000,0 300000,0 350000,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s Contagem de Partículas do Efluente
0,0 50000,0 100000,0 150000,0 200000,0 250000,0 300000,0 350000,0 0 50 100 150 200 250 300 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s
Contagem de Partículas do Efluente
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 50 100 150 200 250 300 350 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s Evolução da Perda de Carga
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 0 50 100 150 200 250 300 Te mpo (min) P GS - Hidrofóbic a s P GC - Hidrofí lic a s
Evolução da Perda de Carga
FIGURA 5 : Comparação entre Partículas Hidrofílicas (PGC) e Hidrofóbicas (PGS)
(Filtração Direta Ascendente)
FIGURA 6 : Comparação entre Partículas Hidrofílicas (PGC) e Hidrofóbicas (PGS)
CONCLUSÕES
Com base no trabalho realizado, concluiu-se, principalmente, que:
• a eficiência da filtração direta ascendente na remoção de partículas é menor que a eficiência da filtração direta descendente devido ao efeito da gravidade;
• a hidrofobicidade das partículas tem papel importante na eficiência da filtração, sendo que forças adicionais como atração hidrofóbica e repulsão hidrofílica deveriam ser consideradas nos modelos de aderência de partículas;
• trabalhos adicionais devem ser feitos com o intuito de modelar a filtração direta ascendente considerando os aspectos práticos de tal tecnologia, como número de subcamadas e granulometria do meio filtrante, descargas de fundo intermediárias, etc.
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