Redução no consumo de águas de lavagem em processos de decapagem R. Frigo 1
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Engenheiro Químico e Consultor Beta Control Systems, Inc.
Resumo: Os processos de tratamento de superfície exigem uma demanda muito grande por água, especialmente nas etapas de lavagem onde a meta é arrastar o nível mínimo de contaminantes para o banho consecutivo. Este trabalho têm o objetivo de discutir técnicas e tecnologias que podem auxiliar no desenvolvimento de processos e no aumento da eficiência quando se trata de consumo de águas de lavagem ácida, basicamente após os processos de decapagem, onde o ferro e o ácido são os maiores vilões e podem causar perdas ou danos em lotes de produção ou ainda ter um custo muito alto para serem tratados, incluindo produtos químicos, transporte e disposição de lodos.
Palavras chave: Redução no consumo de água, lavagem ácida, reúso de água, recuperação de resíduos.
1. INTRODUÇÃO
Há decadas especialistas têm estudado o impacto das etapas da lavagem dentro dos procesos de tratamento de superfície. Podemos considerar que embora muitas vezes não se consegue alcaçar empresas de menor porte devido ao baixo investimento em desenvolvimento de processos, a indústria em geral têm norteado para um patamar sem volta no que diz respeito à melhor utilização dos recursos naturais, onde a sobrevivência no mercado depende diretamente de melhorias contínuas de processo e diminuição de custos com água e ainda com tratamento de efluentes.
A eficiência do processo de lavagem têm um impacto muito significativo no consumo de água na indústria de tratamento de superfície, o que significa também que deve ser alvo principal em políticas de redução desta que é para a indústria uma utilidade fundamental e para a vida um bem excencial. Porém, é necessário cautela pois esta é uma etapa primordial para a qualidade dos produtos e muitas perdas podem ser ocasionadas por uma lavagem ruim das peças. Trataremos mais adiante de técnicas e tecnologias que podem auxiliar no desenvolvimento de projetos e processos com o objetivo de diminuição no consumo de água, que é o primeiro passo das empresas de tratamento superficial em busca do desenvolvimento sustentável de seus processos e com o objetivo final de fechar o ciclo de processamento com o descarte zero de efluentes.
Um fluxograma básico que representa as primeiras etapas de uma linha de tratamento superficial é demonstrado na figura abaixo.
Figura 1: Fluxograma básico
Desengraxe: Processo de remoção de óleos e gorduras das peças. Esta etapa é geralmente realizada pela imersão em solução de soda cáustica com alguns aditivos para aumentar a ação do desengraxante. Processo realizado à quente na maioria dos casos.
Lavagem básica: Remoção de filme superficial de base restante do processo de desengraxe. Decapagem: Remoção de óxidos da superfície do aço.
Lavagem ácida: Remoção do filme superficial ácido arrastado na peça no processo de decapagem.
Deposição: Pode compreender uma enorme gama de processos como fluxagem, fosfatização, ativação, etc...
1.1 Decapagem
Existem dois tipos de decapagem, a química e a mecânica. Neste trabalho será focada a via química já que é apenas uma introdução ao processo que utiliza água, alvo principal de discussão. Muito se fala na substituição dos processos químicos por mecânicos, mas especialmente em processos contínuos de tratamento superficial em que os os parâmetros de processo são muito exigentes, ainda não se consegue um resultado satisfatório sem a utilização de ácidos em soluções aquosas pois é preciso uma limpeza fina da camada superficial.
Atualmente no Brasil, a utilização do ácido clorídrico como agente decapante é muito maior do que a de outros ácidos como o sulfúrico. A decapagem química com ácido clorídrico é um método de limpeza que visa principalmente a remoção dos óxidos de ferro presentes na superfície do aço, através das reações:
Fe2O3 + Fe + 6HCl = > 3 FeCl2 + 3H2O Fe3O4 + Fe + 8HCl = > 4FeCl2 + 4H2O FeO + 2HCl = > FeCl2 + H2O
O ácido clorídrico rembém reage com o metal base, de acordo com: Fe + 2HCl = > FeCl2 + H2
Porém, inibidores são comunmente adicionados aos tanques de ácido com o objetivo de diminuir a taxa desta reação e favorecer o ataque do ácido aos óxidos superficiais. A velocidade da reação de decapagem é afetada por diversas variáveis como a composição do metal base, temperatura do banho, concentração de ácido livre e de cloreto ferroso em solução, agitação, tempo de imersão e presença de inibidores.
O principal objetivo na introdução ao processo de decapagem está no fato de que são os subprodutos desta reação que serão arrastados para o banho consecutivo dentro do processo de tratamento superficial, que é a etapa de lavagem onde está o maior consumo de água. Em medidas práticas, podemos considerar que teremos duas substâncias, neste caso consideradas contaminantes, sendo carregados para o banho de lavagem: O ácido clorídrico (HCL) e o Cloreto de Ferro II, cloreto Ferroso, FeCl2.
Com isso podemos definir que para a melhor utilização possível, ou seja o melhor rendimento dos processos de lavagem, devemos concentrar os esforços em arrastar a menor quantidade possível de contaminantes do processo de decagem para o tanque de lavagem subsequente, isto inclui desde a utilização correta de ganchos para acondicionamento de peças até técnicas de escorrimento com inclinações variadas. Esta será a primeira etapa e será mencionada aqui como diminuição do arraste.
2. LAVAGEM, CONCEITOS E TÉCNICAS DE DIMINUIÇÃO DE ARRASTE
Lavagem é a ação de remoção do filme de solução de processo que permanece na peça após ela ser removida do banho. Esta prática não fica restrita apenas ao processo de decapagem e está consolidado como uma necessidade para evitar o arraste e contaminações em muitos outros processos como desengraxamento, fosfatização, cromação, entre outros. Muitos são os fatores que afetam a qualidade e eficiência na remoção do filme e com isso cada parâmetro se torna importante para reduzir o consumo de água , baseado na diluição estabelecida como parâmetro de controle. A eficiência de projetos de processos de lavagem incluem: agitação vigorasa do solvente (geralmente água); introdução de solvente no fundo dos tanque e entrada de água no lado oposto ao da saída, entre inúmeros outros que serão descritos a seguir.
2.1 Técnicas de diminuição de arraste
2.1.1 Agitação
A agitação é muito importante no processo de lavagem pois ajuda mecanicamente na remoção do filme superficial e ela pode ser feita das seguintes maneiras:
2.1.2 Ar comprimido
Quando ar é utilizado como agente de agitação deve-se ter a cautela de garantir que ele está livre de substâncias nocivas ao processo. Este tipo de utilidade, que as vezes é fornecida por compressores antigos e com pouca manutenção, é facilmente contaminada principalmente por óleos que são extremamente prejudicial à lavagem e à todo o processo subsequente. O mecanismo é simples. Um tubo com pequenos furos é fixado no fundo do tanque de lavagem e tampado na outra extremidade. Ar comprimido é então liberado para o tubo fazendo com que uma grande quantidade de bolhas de ar percorram o tanque de baixo para cima. Esta movimentação favorece a transfência de massa e ajuda na retirada do filme de solução superficial que permaneceu na peça. Cuidado deve ser tomado para que não haja excesso de pressão, recomendada em 3 psig, o que pode causar transbordamento do líquido.
A circulação é realizada através da utilização de bombas e do tamanho adequado do tubo. A bomba capta o solvente de um lado do tanque e envia para o outro lado com a pressão adequada para causar um gradiente de velocidade ao longo do tanque, gradiente este que favorece a remoção do filme superficial de contaminantes. Filtros de linha são comunmente utilizados para remoção de sólidos e pequenas impurezas em processos que bombas são usadas para circulação.
2.1.4 Agitação por convecção
Esta prática requer a colocação de barreiras ou pratos na entrada de fluido no tanque. Estas barreiras causam turbulência e uma sutil mudança na solução. Quando existe aquecimento com trocador de calor, estes acessórios podem ser colocados logo após e trocador.
2.1.5 Técnica do duplo mergulho
Esta técnica requer simplesmente que o dispositivo com as peças seja imerso completamente na água, retirada e então imersa completamente uma segunda vez. O movimento vertical das peças no tanque favorece a remoção do filme de ácido e ferro.
2.1.6 Movimento das peças dentro do banho
Barris rotativos ou ainda a movimentação das próprias peças utilizando pontes rolantes ou movimentadores de carga são utilizados para favorecer a transferência de massa e a remoção dos contamintante impregnados nas peças.
2.2 Design de tanques
Quando bem projetados, os tanques podem favorecer a agitação e ainda o escoamento da água de um tanque para outro em processos de lavagem em cascata e contracorrente. Barreiras físicas, difusores, pratos e aberturas para tubulações de spray devem ser considerados.
2.3 Design de peças
Peças que são projetadas com muitos cantos, fendas que impedem o fluxo ou mesmo roscas (impossível não haver neste caso), favorecem o acúmulo de água e formam as chamadas poças, onde uma grande quantidade de contaminantes é arrastada.
2.4 Tempo de drenagem
Se o operador de uma linha de decagem fizer a remoção de uma gancheira do banho de ácido de decapagem e imediatamente imergir ela no banho de lavagem ele estará cometendo um erro muito grave. O tempo de drenagem para resultados muito bons é de pelo menos 60 segundos. Tempos acima de 20 segundos podem ser aplicados para algumas plantas que têm uma necessidade especial de processamento, porém isto não deve ser considerado como prática já que a decapagem definitivamente não é a etapa limitante do processo de tratamento superficial.
Em um estudo realizado em uma linha de tratamento de superfície nos EUA [3], uma tabela estima o efeito do correto acondicionamento e drenagem no arraste do tanque de decapagem para o tanque de lavagem bem como do tanque de lavagem para o tanque de fluxo.
Encontro e Exposição Brasileira de Tratamento de Superfície – INTERFINISH Latino Americano
Este estudo demonstra claramente o dramático impacto do acondicionamento e tempo de drenagem das peças na contaminação dos banhos subseqüentes.
2.5 Agitação na drenagem
O uso de motores instalados nas pontes rolantes que causam agitação na hora da drenagem é também uma forma eficiente de melhorar o escorrimento, porém em alguns casos como na galvanização a fogo é preciso ser cauteloso pode ocorrer um desprendimento de impurezas e sólidos como zinco, que caem na água contaminando o processo.
2.6 Uso de tensoativos
Os umectantes têm a função de diminuir a tensão superficial entre o fluido e o metal, neste caso o aço. Estas substâncias permitem que a água escorra mais fácil pela peça tendo assim uma melhora na drenagem.
2.7 Temperatura do banho
O aumento da temperatura do banho é um outro fator que diminiu a viscosidade do fluido e melhorando assim o escorrimento.
3. TÉCNICAS DE CONTROLE DE FLUXO
Com a utilização correta das técnicas que evitam o arraste e melhoram a lavagem, podemos começar a pensar em como adicionar o volume correto de água para desempenhar o melhor papel. Alguns componentes e válvulas podem ajudar nesta tarefa.
3.1 Restritores de fluxo
Restritores de fluxo são muito eficientes para evitar que uma quantidade excessiva de água entre no tanque. Eles estão disponíveis para várias vazões e devem ser dimensionados para proporcionar o mínimo possível de fluxo mas garantindo o padrão de diluição definido. Estes dispositivos funcionam melhor em linhas de produção contínua.
3.2 Válvulas de acionamento
Válvulas manuais ou automáticas podem ser utilizadas para interromper o fluxo de água de lavagem, ou mesmo para sistemas com spray , quando não há necessidade ou o processo está parado. Desde dispositivos simples
como um acionador de pé para um operador em linhas manuais ou até mesmo válvulas solenóides automáticas em linhas de tratamento contínuo podem ser utilizadas para este fim.
3.3 Medidores de condutividade
Os condutivímetros são sensores que indicam a quantidade de íons dissolvidos em uma solução aquosa, a indicada em microhoms ou microsiemens. Eles, juntamente com válvulas de controle e ainda uma boa programação provavelmente representam a melhor forma de controle dos banhos de lavagem pois inserem água no balanço apenas quando uma certa concentração de contaminantes é atingida. Além de proporcionar um uso racional da água, este tipo de esquema ainda garante uma a exelente qualidade lavagem das peças, pois pode garantir, com auxilio de dados empíricos, que os limites de sólidos dissolvidos não excederá aos definidos. Os custos de manutenção eram no passado os maiores motivos para a não utilização deste tipo de componente. Com a evolução de materias e tecnologias de medição e controle na aplicação de equipamentos, o custo de investimento neste tipo de sistemas compostos pode ser recuperado em pouco tempo.
3.4 Medidores de vazão
São dispositivos simples e baratos e podem dar uma boa noção sobre consumo nas linhas de tratamento superficial.
4. TIPOS DE LAVAGEM E SUAS CARACTERÍSTICAS 4.1 Lavagem stagnada
Neste tipo de lavagem as peças são imersas em um tanque com agua estatica e entao retiradas. Geralmente ha apenas um tanque em que ocorre apenas o preenchimento do tanque com agua nova quando ocorre uma tranferencia de um certo volume para diluição para o acido novo . Neste caso uma rapida contaminação do tanque ocorre com o aumento substancial do nivel de contaminantes em poucas horas. A unica vantagem aparente deste tipo de lavagem e o baixo custo com agua e com o tratamento de efluentes na agua de lavagem. Porem, muitos pontos negativos decorrem desta pratica como a contaminação dos tanques subsequentes, o desperdicio de materias primas e ainda em alguns casos a perda produção ou o reprocessamento constante de peças.
Abaixo temo um exemplo de fluxograma para o processo de lavagem stagnada de unico estagio.
4.1.1 Lavagem Dupla
Apesar de haver um aumentona taxa de diluição no processo utilizando lavagem dupla, o segundo tanque de lavagem tambem atinge rapidamente a concentração do primeiro tanque, levando então ao mesmo tipo de contaminação do processo estagnado com um unico tanque de lavagem.
4.2 Lavagem em cascata contracorrente
A figura abaixo representa o método. Este processo consiste no transbordamento de água por uma serie de tanques em sentido oposto ao fluxo de produção, onde as peças são imersas consecutivamente em todos os tanques. A quantidade de tanques e a vazão de agua a ser adicionada ao primeiro tanque ira variar com os parâmetros de diluição requeridos. Com o devido cuidado, a lavagem em contracorrente pode diminuir o consumo de água em até 90% simplesmente com a colocação de um tanque adicional. Processos típicos de lavagem em contra-corrente têm dois ou três tanques como configuração porém em alguns casos de processamento contínuo, principalmente de arames e chapas de aço, a configuração pode chegar a ter cinco ou seis tanques. Esta prática por si só já reduz o consumo de água já que a diluição é gradativa em cada uma das etapas.
Talvez uns dos principais problemas deste tipo de prática seja a área que os tanques ocupam dentro da linha de produção, já que em algumas plantas cada metro quadrado é muito valioso. Neste caso, algum tipo de separação dentro do próprio tanque (que seria único) pode ser realizada com êxito para se ter um efeito semelhante ao da colocação de mais tanques, obviamente se existir espaço no tanque para que as peças sejam imersas inteiramente em cada nova partição.
Figura 3: Lavagem em cascata contracorrente
Esta tem sido a técnica de maior eficiêcia dentre os métodos desenvolvidos na indústria de tratamento superficial, com o menor consumo de água e a melhor qualidade de lavagem.
4.3 Lavagem Reativa e Reúso
Este método consiste em divergir a água de lavagem ácida para uso como lavagem alcalina, principalmente após processso de desengraxamento de peças. Alguns estudos demontram que esta prática além de diminuir o tratamento de efluentes ácidos ainda aumentam a qualidade do tratamento superficial devido à neutralização das
bases pelos contaminantes de ácido presentes na solução que foi reutilizada. A figura abaixo demontra o fluxo da lavagem.
Figura 4: Lavagem reativa
4.4 Lavagem com spray
Embora haja alguns tipos de peças em que o método de aspersão não seja tão eficiente, como em partes internas de tubos com médio e baixo diâmetro por exemplo, muitos tipos de processos podem se beneficiar desta técnica que consiste em utilizar bicos para formar uma espécie de cortina d’água que lavam as peças assim que elas são elevadas dos tanques. Este processo pode ser combinado com a imersão em água ou utilização do tanque apenas como tanque de spray, embora por uma questão de espaço seja recomendada a combinação dos dois. Lavagens em contra-corrente de múltiplos estágios também podem conter processos com spray em uma ou mais etapas. A inserção de água limpa deve ser determinada a partir dos parâmetros de processo desejados, e em alguns casos é possível que a única água limpa seja a do spray, tendo em vista que o volume adicionado é muito mais bem aproveitado do que para fluxo contínuo.
O design dos bicos , bem como a forma de pressurização da água e o volume adicionado ao processo a cada aspersão dependerá obviamente de vários pontos, incluindo tipo de peças, área disponível ou ainda o fator de diluição desejado.
Após sererm implementadas boas práticas para evitar o arraste de contamintantes para o banho de lavagem, formas de controle de fluxo para evitar que muita água entre no processo e ainda a implementação do método de lavagem correto, podemos pensar que todos os esforços já foram realizados para diminuir o consumo, mas ainda há mais um ponto a ser debatido. Mesmo com tudo isso, algumas plantas ainda continuam a necessitar de um grande volume de água para que seus produtos tenham a qualidade exigida pelo mercado. Neste sentido iremos agora discutir algumas técnicas de recuperação e reciclagem das águas de lavagem que não puderam ser reduzidas e que chegam em muitos casos a vários mil litros a cada hora. Além de haver o custo da própria água, um dos principais pontos é que está água é considerada impropria para ser lançada diretamente nas redes de coleta e deve ser tratada como um efluente. Isso gera muitos custos adicionais com produtos químicos, transporte e disposição de lodos.
5. TECNOLOGIAS PARA RECUPERAÇÃO E RECICLAGEM DAS ÁGUAS DE LAVAGEM
Existe várias tecnologias que podem ser utilizadas para recuperação de água em linhas de tratamento de superfície. Además, naturalmente quando se há uma recuperação de água, ocorre uma concentração da solução de trabalho que em muitos casos pode ser redirecionada diretamente para os tanques novamente. Com a utilização de alguma destas tecnologias ou ainda de combinações delas, as empresas podem chegar a um nível de descarte praticamente nulo, ou ainda muito pequeno em forma de líquidos concentrados.
Métodos mais comunmente utilizados para recuperação
5.1 Os evaporadores
A evaporação é a mais antiga, mais prática e provelmente a mais utilizada forma de recuperação e reconcentração de correntes empregada nas linhas de tratamento superficial. Os tipos mais comuns de evaporadores são os de evaporação natural (ou atmosféricos) , porém ainda podemos considerar os evaporadores convencionais, os a vácuo e os de filme fino.
5.1.1 Atmosféricos
Os evaporadores atmosféricos utilizam superfícies molhadas, operam em temperaturas abaixo das de ebulição e utilizam um ventilador para passar uma grande quantidade de ar por uma coluna, recheada ou não, onde o fluido quente é atomizado. Apesar do custo de investimento não ser muito elevado neste tipo de sistema ele exige uma grande quantidade de energia (térmica) para operação, aumentando muito os custos fixos com o sistema. 5.1.2 Convencionais
Este tipo de sistema em geral utiliza um trocador de calor que fornece energia para que a solução alcance seu ponto de ebulição. Esta energia é geralmente provida por vapor porém em alguns casos aquecimento elétrico pode ser encontrado. Uma bomba de recirculação permite que uma grande quantidade de líquido seja recirculada em loop pelo trocador de calor, enquanto água é evaporada e a solução segue sendo concentrada em seus contaminantes.
5.1.3 Vácuo
Evaporadores à vácuo têm o mesmo princípio dos convencionais porém utiliza uma bomba de vácuo para causar pressão negativa no sistema, diminuindo assim o ponto de ebulição da solução. Apesar de apresentar alto custo de investimento e operação, os evaporadores à vácuo encontram um nicho de mercado em subtâncias muito nocivas e que tenham valor alto valor agregado.
5.1.4 Filme fino
Promovem uma taxa muito alta de calor entrando em um filme fino de solução.
5.2 Troca iônica
As colunas de troca iônica se tornaram muito comuns na indústria de tratamento superficial. Elas compreendem em colunas recheadas com resinas de alta área superficial que realizam a troca de íons com o fluido. Devido ao grande desenvolvimento de diferentes tipos de resinas, uma enorme variedade de efluentes pode ser tratada por este método. Nas colunas catiônicas, íons de hidrogênio são trocados por substâncias com cargas positivas como níquel, sódio ou cobre. Já nas colunas aniônicas os íons hidroxila são substituídos por aqueles com cargas negativas como sulfatos ou cloretos.
Um dos grandes problemas neste tipo de processo é a quantidade de efluentes provindos da regeneração das resinas. Em alguns casos é possível haver um direcionamento direto para a produção, porém em outros u ma grande quantidade de passivo vai para plantas de tratamento de efluentes gerando altos custos. Outro fator é a saturação das resinas que dependendo do nível de contaminantes da solução ocorre rapidamente.
5.3 Osmose Reversa
Também chamada de osmose inversa, este tipo de técnica separa sólidos dissolvidos em solução pela aplicação de pressão na superfície do fluido que passa através de uma membrana semi-permeável muito densa, e com poros pequenos o suficiente para que não haja fluxo das particulas maiores. Esta solução atinge uma pressão superior a pressão osmótica natural, e por isso osmose inversa, fazendo com que o fluxo vá de um meio menos concentrado para um meio mais concentrado.
O processo de osmose reversa têm como resultado dois fluxos, o concentrado e o permeado. O permeado é basicamente composto pelo solvente (água) e representa a maior quantidade enquanto o concentrado contém quase todos os contaminantes em uma corrente de muito menor vazão. O permeado é geralmente redirecionado para os tanques de lavagem já que há uma pureza muito grande e favorece o processo. Já o concentrado pode ser tratado em separado, ou ainda em muitos casos retornar também para a solução de processo, que no caso da decapagem por exemplo receberá uma solução que contém apenas cloreto de ferro e ácido clorídrico, não alterando a qualidade do banho.
5.4 Outras tecnologias
Existem algumas outras tecnologias que são aplicadas em menor escala devido à vários fatores como custos, desenvolvimento e amadurecimento das tecnologias ou ainda aplicabilidade dentro do setor. Recuperação eletrolítica, eletrodiálise, ultrafiltração e pervaporação com membrana são alguns exemplos destas tecnologias.
6. CONCLUSÕES
Para que haja uma economia de água nos processos de lavagem devemos nos atentar principalmente em três pontos: Projetos corretos que favoreçam a operação; Técnicas que auxiliam na diminuição do arraste de contaminantes e que controlem os processos e Reciclagem da solução resultante. Com a combinação destes três níveis de atuação podemos obter um processo com uma quantidade muito pequena de passivos, tornando a planta sustentavelmente rentável e ambientalmente correta.
Há uma enorme variação de parâmetros e cada empresa deve estar atenta aos projetos, práticas e processos que mais se adequam ao seu caso. Porém a utilização de lavagem em cascata contracorrente, aliados a boas práticas e uma recuperação pelo processo de osmose reversa têm se tornado o mais eficiênte método para redução global de consumo de água em processo de decapagem. A figura a seguir demonstra esta configuração.
Figura 5: Configuração para melhor utilização da água
7. REFERÊNCIAS
1. Water and Waste Control for the Plating Shop, Joseph B. and Arthur S. Kushner, Gardner Publications Inc., Cincinnati, Ohio, third edition, 1994.
2. "Guides to Pollution Prevention: The Metal Finishing Industry," U.S. EPA, EPA/625/R/92/011, Outubro , 1992. 3. H.L. Pinkerton, Graham, A. Kenneth. Electroplating Engineering Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold Company, 754-755 (1971).
4. Stephen R. Schulte, P.E., Recovery/Recycling Methods for Platers, Cincinati, Ohio. www.pfonline.com 5. Water Efficiency – Industry Specific Processes, Metal Finishing Magazine, Maio de 2009, N.C. Division of Pollution Prevention and Environmental Assistance
6. “The Whys and Hows of Hydrochloric Acid Pickling”, F. Hasler, N. Stone; Esco Engineering; Outubro, 1997. 7. Water Rinsing, T. Mooney, Finishing Technology, Kinnelon, N. J.
8. “Sustainable Rinse Practice Produces Best Coating Economy”, B. Cullivan, Chinese Finishing Encounter, , 2009
9. DETALHES DO AUTOR
Rodrigo Frigo é engenheiro químico e consultor da Beta Control Systems, Inc no Mercado brasileiro. Atua também no desenvolvimento de mercado de tecnologias para recuperação e reúso de água e matérias primas.
