CARACTERIZAÇÃO FÍSICA e QUÍMICA CONSTITUINTES DA ÁGUA MINERAIS INORGÂNICOS

CARACTERIZAÇÃO FÍSICA e QUÍMICA CONSTITUINTES DA ÁGUA - Minerais inorgânicos - Partículas - Substâncias orgânicas MINERAIS INORGÂNICOS

Origens • tipo rocha e terrenos −REACÇÕES ABIÓTICAS − alterado por • metabolismo biológico

REACÇÕES ABIÓTICAS

• interacção água e gases com a superfície dos minerais

• lixiviação dos solos e sedimentos

Exemplos: - dissolução (calcite em cálcio e carbonato) (quartzo em sílica)

- oxidação −−−− redução

(ião férrico Fe3+ em ião ferroso Fe2+) - troca iónica(*)

- complexação

(*)

Reacção da argila (-) com partículas existentes na água (+). Com o atravessamento da água em camadas argilosas, à água são retirados constituintes conforme o grau de saturação da argila.

METABOLISMO BIOLÓGICO

• adição ou remoção de componentes da água

EXEMPLOS:

• libertação de anidrido carbónico, por metabolismo, em concentrações

elevadas tais que altera o pH (↓), logo o equilíbrio existente e distribuição de espécies;

• fotossíntese em plantas aquáticas remove anidrido carbónico da água,

eleva o pH, podendo então ser atingido o produto de solubilidade do carbonato de cálcio logo provocar precipitação;

PROCESSO DE DILUIÇÃO POR TRANSPORTE HIDROLÓGICO • evaporação • precipitação • infiltração no solo • escoamento superficial actua ao nível da diluição na concentração iónica.

* * *

CARACTERIZAÇÃO (MINERAIS INORGÂNICOS)

• CONSTITUINTES PRINCIPAIS (CONCENTRAÇÃO ENTRE 1 E 1 000 ppm)

cálcio, magnésio, sódio, potássio, bicarbonato/carbonato, sulfatos, cloretos

• CONSTITUINTES EM CONCENTRAÇÃO ENTRE 0.01 E 10 ppm

azoto, fósforo, ferro, manganésio, sílica, fluoretos

MINERAIS INORGÂNICOS

Cálcio (Ca2+)

• um dos principais constituintes da água superficial e subterrânea

• águas duras - 40 mg/L < Ca2+ < 100 mg/L

• origem na desagregação rochas e troca iónica

• mineral necessário ao homem mas insuficiente

• cálcio + magnésio constituem a dureza água → incidência em doenças

cardio-vasculares

• DUREZA ELEVADA → formação de produtos insolúveis com o sabão →

problemas lavagem industrial • precipitação cálcio → película recobrimento

Magnésio (Mg+)

• solubilidade sais Mg > sais Ca

• concentração na natureza Mg < Ca

água superficial − 10 a 20 mg/L

água subterrânea − 30 a 40 mg/L

• elemento indispensável ao homem mas não suficiente na água

• Mg > 400 mg/L → efeitos laxativos

Sódio (Na+)

• elemento predominante na crosta; o que existe na água resulta de desgaste e

dissolução das rochas fundamentalmente embora também provenha de aerossóis marinhos e de sais adicionados à água para seu tratamento

• presente na água com ião livre Na+ ~ 100 mg/L

• concentrações > em zonas áridas

• concentrações elevadas estão associadas a hipertensão e concentrações

Potássio (K+)

• concentração na água inferior ao Na+, embora mais frequente na natureza,

devido à dificuldade de lixiviação dos seus compostos

• valor médio em água superficial ~ 2,3 mg/L, sendo mais elevado em zonas

agrícolas dada a capacidade de assimilação das plantas e posterior libertação aquando do seu decaimento

• elemento necessário aos seres vivos em geral, mas em doses de 1 - 2 g para

humanos. Na água as concentrações são baixas → não há limite estabelecido

Bicarbonato (HCO-3)

• sistema carbonato/bicarbonato é o mais importante na química da água porque

controla:

: reacções ácido-base

: capacidade neutralização da água ≡ equilíbrio ácido-base

: complexação metais : formação de precipitados : metabolismo biológico

• as espécies que fazem parte deste sistema são

CO2, H2CO3, HCO -3, CO = 3, OH-, H+, Ca2+, CaCO3 • reacções envolvidas 1. CO2 + H2O H2CO3

2. geração ião bicarbonato

H2CO3 H

+

+ HCO-3

3. geração ião carbonato

HCO-3 H

+

+ CO=3

A combinação destas equações permite determinar a distribuição relativa das diferentes espécies com o pH

*

Os iões carbonato e bicarbonato são responsáveis pela capacidade da solução de neutralizar ácidos

- ALCALINIDADE

• valores típicos bicarbonatos

água chuva − 10 mg/L

água superficial −< 200 mg/L

água subterrânea − 1 000 mg/L(*)

(*)

Cloretos

• presentes na água como ião Cl

-• águas superficiais < 10 mg/L possibilidade de muito mais elevada em zonas

com intrusão salina ou com evaporação > precipitação

• actividade química muito reduzida assim como bioquímica

• transporte devido a processos físicos

• teores > 250 mg/L → sabor salgado (valor limite imposto em várias normas

• não tem efeitos negativos para a saúde, excepto quando associado ao Na+

(sódio)

• corrosão em aço e alumínio > 50 mg/L

Enxofre

• disponível na água sob a forma de sulfatos e sulfuretos

• origem sulfatos em rochas como o gesso, escoamento em zonas de pirites e

metabolismo bacteriano

• quando proveniente de precipitação pode atingir valor de 10 mg/L devido a

actividade vulcânica e cinzas

• concentrações habituais de sulfatos 5 a 30 mg/L em águas oxigenadas

• origem sulfuretos na actividade vulcânica aquática, decomposição orgânica e

actividade bacteriana

• níveis baixos em águas naturais

• ciclo enxofre reside fundamentalmente em actividade bacteriana, sem a qual é

tudo lento

• efeito laxativo para concentrações superiores a 100 mg/L

• o valor limite imposto pelas normas é devido ao sabor provocado

• sulfatos são corrosivos para estruturas betão e tubagens de fibrocimento,

embora seja muito lenta em concentrações < 350 mg/L. Torna-se rápida para

concentrações > 1 000 mg/L

Nitratos

• forma mais comum azoto nas águas naturais, normalmente ligado a actividade

biológica

• concentrações em águas superficiais ~ 1 mg/L; mais elevada em águas

subterrâneas

• valor limite de 45 mg/L → metamoglobina infantil

• concentrações > 15 a 30 mg/L causam problemas indústria cerveja → mau

gosto e redução a nitrito durante a fermentação

• elevadas concentrações reduzem a permeabilidade terreno mas importante

como fertilizante

• aceleração do fenómeno de eutrofização. A relação necessária é de 40 : 7 : 1

de C : N : P em peso; em águas naturais a relação natural é de 100 : 10 : 1 →

factor limitativo é o fósforo. Mas se existirem descargas efluentes domésticos em que P é elevado, então o azoto (N) passa a ser o factor crítico. Importante a existência de algas verdes - azuis que têm capacidade de reter N da atmosfera

Ferro (Fe)

• encontra-se em diferentes estados de oxidação. Os depósitos minerais incluem

óxidos e hidróxidos. As formas sedimentares incluem sulfuretos, carbonatos e também óxidos

• Fe nas águas subterrâneas aparece em óxidos e sulfuretos

• Fe nas águas superficiais é pouco vulgar porque provem de silicatos que

originam reacções muito lentas

• potencial oxidação-redução (REDOX) afecta a estabilidade de vários

constituintes (ferro, carbono, oxigénio, azoto, enxofre e manganésio) tal como pH afecta a solubilidade

• potencial redox reflecte a actividade electrónica − pH reflecte a actividade ião

H+

• é definido em função de uma reacção redox dominante, uma vez que esta

influencia as distribuições de espécies doutras reacções

• o ferro é descrito por um diagrama Eh - pH donde se tiram as seguintes

conclusões:

1ª em condições redutoras Eh < 0 numa larga gama pH a solubilidade do ferro

é baixa, tendendo os sulfuretos a precipitar

2ª em condições oxidantes Eh > 0 pH > 5, o hidróxido ferro tende a precipitar

3ª entre as duas situações anteriores, condições típicas duma água subterrânea (pH = 5 e 8 Eh 0,20 e -0,1 volts) o ião ferroso é solúvel

• concentrações típicas

água superficial oxigenada (pH 5 e 8) - 0,05 - 0,2 mg/L

água subterrânea − 1 a 10 mg/L

água baixo teor em oxigénio e bicarbonato −> 50 mg/L(*)

• nas águas superficiais a existência de ferro está associada a suspensões floculentas e partículas coloidais de hidróxido férrico que formam precipitação quando ligam com argila ou outros sólidos em suspensão

• também o ião ferroso e férrico forma complexos com moléculas orgânicas

• bactérias ferrosas utilizam o ião ferroso como fonte de energia e precipitam o

hidróxido férrico. Comuns em poços, estações de tratamento e tubagens sempre que O2 esteja presente e concentração local do ferro solúvel

> 0,2 mg/L

• competição pelo oxigénio dada a precipitação espontânea do hidróxido férrico

• entupimento devido à precipitação de ferro sobre colónias de bactérias

• limite para água potável por sabor e estético < 0,3 mg/L

Manganésio

• existe sob a forma de óxidos e hidróxidos mas na água a pH baixo e neutro sob

a forma de Mn2+ em concentrações 0,1 - 1 mg/L

• pH mais baixo, concentrações mais elevadas

• associado ao ferro em geral

• em concentrações de 0,2 - 0,4 mg/L → gosto desagradável e desenvolvimento

de organismos em sistemas de distribuição

• necessário ao crescimento de plantas (activador enzimático) e funcionamento

sistema nervoso

Sílica

• presente em quase todas as rochas, solos e águas naturais

• na água existe numa forma hidratada, sendo as análises determinadas em SiO2

• valores entre 1 - 30 mg/L

• solubilidade complexa dependente da temperatura

• sílica é activo biologicamente sendo assimilado pelas diatomáceas precipita

depois com as suas carcaças → concentrações baixas em águas naturais

• utilização industrial é restrita apenas em caldeiras onde precipita dada a

Fluoretos

• ião livre (F-) ouem complexo com Al, Be, Fe

• mais frequente na natureza do que qualquer outro do mesmo grupo mas dadas

as suas ligações muito fortes na água a sua concentração é menor < 1 mg/L em

rios mas superior em águas subterrâneas (~ 10 mg/L)

• prevenção contra a cárie numa dose correcta, pois 250 - 400 mg é tóxico e 4 -

5 gr fatal

• níveis estabelecidos em normas dependem da temperatura (climas quentes >

quantidade água)

MICROCONSTITUINTES

Embora em concentrações realmente baixas têm significado na qualidade da água em geral e influência na saúde humana

RADIONUCLÍDEOS

CONSTITUIÇÃO

Átomos que quando se decompõem, libertam energia

(radioactividade) na forma de:

a)

radiação alfa, constituída por massa nucleíca de hélio

fortemente carregada positivamente;

b)

radiação beta, constituída por electrões;

c)

radiação gama, constituída por energia electromagnética

equivalente aos raios X.

ORIGEM

A origem na Natureza está associada a constituintes

geológicos ou radiação cósmica da atmosfera.

Alternativamente, têm origem na actividade industrial:

farmacêutica (radiofarmacos), armamento e produção de

energia nuclear.

EFEITOS

Cada tipo de radiação tem acções diferentes no corpo

humano, sendo a radiação alfa a mais perigosa dadas a

sua enorme velocidade (10 000 km/s) e a carga mássica

que a acompanha.

A radiação beta tem efeito destrutivo mais baixo e a

radiação gama, quando em pequenas concentrações, não é

sequer perigosa.

A radioactividade, genericamente, tem efeitos genéticos

e somáticos, nestes incluída a carcinogénese.

INDICADORES QUALIDADE INORGÂNICA ÁGUA

• reflectem tendências específicas duma água ≡ indicador comportamento

DUREZA, SÓLIDOS DISSOLVIDOS, CONDUTIVIDADE ELÉCTRICA,

ACTIVIDADE IÃO H+ (pH), ADSORÇÃO SÓDIO, CORROSIVIDADE

DUREZA

• medida compósita do conteúdo em catiões polivalentes, em que Ca2+ e Mg2+

são os principais

• no homem é indicador de doenças cardio-vasculares

• na indústria indicador potencial precipitados de CaCO3 (torres arrefecimento e

caldeiras), sabões (indústria têxtil e lavagem industrial) e com compostos orgânicos (fotografia)

• classificação

água macia 0 - 60 mg/L

água moderada/dura 61 - 120 mg/L

água dura 121 - 180 mg/L

SÓLIDOS DISSOLVIDOS TOTAIS (SDT)

• medida total iões em soluções

• determinado por filtração da amostra, evaporação filtrado e pesagem resíduo

• valores variáveis com factores climatéricos, tipo terrenos da bacia, afluências,

CONDUTIVIDADE

• relacionado com SDT e indica a capacidade da solução para transmitir

corrente eléctrica através da sua actividade iónica (µ ohm/cm)

• soluções diluídas as duas são comparáveis

• soluções concentradas não: a proximidade iões diminui a sua actividade e

capacidade de transmitir corrente

• importância

- capacidade corrosão (capacidade da dissolução)

- influência na solubilidade de composto baixa solubilidade (CaCO₃)

Geralmente ↑ SDT e condutividade ↑ corrosividade água. Por outro lado actividade

de outros iões diminui favorecendo "emparceiramento" iões

(forças intermoleculares mais fracas ligações intermoleculares químicas desactivando outras reacções)

Resultado real ↑ solubilidade efectiva

CAPACIDADE ADSORÇÃO SÓDIO

(

)

• critério avaliação efeito negativo na água de irrigação

• quantidade elevada de Ca2+ e neg2+ no terreno tornam textura granular e

♦

Sólidos finamente divididos, > moléculas mas

indistinguíveis à vista desarmada;

♦

origem:

•

desgaste solos (argilas);

•

actividade biológica (algas, bactérias,…);

•

actividade industrial e agricultura tende a

aumentar estas origens naturais devido às

grandes áreas de cultura e resíduos

industriais

♦

importância: influenciam fortemente a qualidade da

água dependendo das propriedades físicas, químicas e

biológicas.

Como? A sua dimensão reduzida área específica

grande potencial adsorção elevado de substâncias

tóxicas, por ex. metais pesados e hidrocarbonetos

clorados sua ingestão pro-voca efeitos tóxicos

crónicos ou agudos.

♦

área específica grande forte dispersão luz

incidente logo, visibilidade fraca na coluna de água

♦

importância também dos ciclos geoquímicos dada a

AVALIAÇÃO CONTEÚDO PARTÍCULAS

(INDICADORES)



TURVAÇÃO



TURVAÇÃO

Propriedade óptica de amostras que provoca a dispersão e

adsorção da luz não permitindo a sua transmissão (15ª ed do

Standard Methods, 1980)



CONTAGEM DE PARTÍCULAS

Complementa a informação sobre a turvação.

Os contadores têm sensores com gamas de dimensão, por

exemplo, de 1-60

µ

, 2,5-150

µ

. A análise da contagem de

partículas revela a distribuição da dimensão das partículas

numa amostra

Qual a importância?

A concepção e dimensão dos órgãos de tratamento de água e

águas residuais depende das características das partículas:

♦

partículas finas (< 10

µ

) – sedimentação lenta e sua

remoção aumento de dimensão e peso

♦

desinfecção efectiva remoção de partículas que

envolvem e protegem germes patogénicos

♦

processos de membranas (por ex: osmose inversa)

exigem remoção partículas evitar colmatação rápida ou

mesmo degradação da membrana

Ainda não existe como valor estabelecido e regulado por

normas, mas o seu conhecimento é importante, ao longo duma

sucessão de operações de tratamento para compreensão do

processo.

Qual a importância:

♦

razões estéticas relacionadas com a matéria em suspensão

e coloidal;

♦

saúde –

efeito específico dada a associação de

microrganismos com material particulado com interferência na

demanda de cloro efeito na desinfecção;

–

> capacidade potencial de formação de

organoclorados percursores estão associados a material

particulado dependendo da sua origem, a turvação é uma das

propriedades mais importantes da água, com limites impostos na

generalidade das Normas, preponderante na escolha da origem de

água e no esquema de tratamento a adoptar.

Apresenta uma grande variabilidade para a mesma origem num

determinado intervalo de tempo e de origem para origem.

Origem:

•

decomposição natural de animais e plantas

•

poluição urbana, agrícola ou industrial

•

reacção de halogéneos (cloro na maioria das

vezes) com substâncias orgânicas durante o tratamento

Concentrações: variam entre 0 em águas subterrâneas

protegidas e 10-30 mg/L em águas superficiais contaminadas.

Determinação compósita até há pouco tempo, recentemente

individualizada.

SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS

COMPOSIÇÃO: compostos naturais

compostos sintéticos

Compostos naturais reflectem a humificação de terrenos

drenados, que tem origem nos processos de degradação de

animais/plantas e transformação complexa até chegar a

processos insolúveis (passando por ácidos húmicos e fúlvicos)

Compostos sintéticos incluem grande variedade que, embora

em concentrações pequenas, têm muita influência na saúde

(pesticidas, contaminantes industriais, trihalometanos) para os

quais existem valores limite impostos por NORMAS DE

ÁGUA POTÁVEL

DETERMINAÇÃO:

•

medidas específicas

•

medidas não específicas

As primeiras pouco utilizadas

As segundas determinam o valor global:

•

cor

Embora inicialmente apenas por razões estéticas, é

recentemente utilizada como aferição da quantidade da

matéria orgânica.

A sua determinação é feita por comparação com padrões de

concentração conhecida.

ATENÇÃO: possibilidade de interferência por substâncias

dissolvidas ou coloidais (FERRO)

Utiliza-se para determinação em matéria orgânica através da

medição do carbono.

Sempre que:

♦

COT representa matéria húmica

♦

Concentração percursores de trihalometanos elevada

♦

Concentração trihalometanos elevada

Nestes casos pode dizer-se que o COT reflecte adequadamente

o potencial de formação de trihalometanos.

CARBONO ORGÂNICO TOTAL

CARACTERIZAÇÃO BIOLÓGICA

GRUPOS

B

Organismos unicelulares, sem clorofila, com forma

morfológica diversa, desde a esférica a mais, ou menos,

alongada.

Algumas patogénicas para o ser humano.

V

Agentes infecciosos com dimensão entre 10 a 25 nm. São

caracterizados por total dependência de células vivas,

sem metabolismo próprio. Não são células, mas sim

partículas compostas por um anel de proteína que envolve

o ácido nucleíco.

Sempre patogénicos para o ser humano.

/ ...

P

Organismos unicelulares, sem cor, geralmente com

mobilidade.

Vários patogénicos para o ser humano.

A

Organismos unicelulares, geralmente plantas sem

mobilidade, com dimensão de 5 a 100

µ

m. Nutrição por

fotossíntese. Não são tipicamente patogénicos, mas

algumas espécies produzem endo ou exotoxinas com

efeitos prejudiciais ao ser humano a partir de

determinadas concentrações.

INDICADORES DE ORGANISMOS

Porquê a sua necessidade?

1ª - falta de capacidade da maioria dos laboratórios para

isolar e identificar as espécies patogénicas de microrganismos;

2ª - dificuldades técnicas, dada o número reduzido de

patogénicos na água, face a todos os outros microrganismos;

3ª - importância fundamental do controlo da eficiência do

tratamento na remoção total dos microrganismos patogénicos.

Objectivos

Provar a existência de contaminação de origem fecal proveniente

de animais de sangue quente.

Critérios de selecção

1ª -

tem de estar sempre presente quando há contaminação

e sempre ausente quando não existe contaminação;

2ª -

deve existir em concentrações elevadas na matéria

fecal;

3ª -

deve

ter

um

comportamento

equivalente

aos

patogénicos, quer no habitat natural, como nos processos de

tratamento;

4ª -

deve ser de fácil isolamento, identificação e contagem;

5ª -

a relação indicador/patogénicos deve ser elevada;

Os principais (mais utilizados)

Coliformes totais

Inclui todas as bactérias aeróbicas, facultativas, que não

formam esporos, com forma alongada que fermentam a lactose

com formação de gás em 48 h a 35 ºC.

Esta é mais uma definição operacional do que um grupo

taxonómico e envolve uma enorme variedade de organismos,

predominantemente, de origem intestinal (

E.coli

a mais numerosa

presente nas fezes, e as espécies do género

Enterobactérias

,

Coliformes fecais

Os coliformes fecais são um sub-grupo dos coliformes totais e

evidenciam mais fortemente a presença de contaminação fecal,

embora não distingam entre contaminação de origem animal ou

humana.

A temperatura do método analítico, em laboratório, é de 43 a

44,5 ºC, superior à dos coliformes totais.

Número de colónias

Mede um largo espectro de bactérias incluindo não patogénicas,

patogénicas e oportunistas. Devido à falta de especificidade, não

dá indicações precisas de possibilidade de contaminação de

origem hídrica mas apenas o grau de qualidade biológica (pobre

ou rica).