Resumo
Neste artigo foi avaliado o efeito da quebra induzida sobre o tamanho do floco para duas águas de estudo utilizando o diâmetro estável (d) e a distribuição de tamanho de agregados (DTP), este último expresso por meio do parâmetro β. Secundariamente, o recrescimento dos flocos foi avaliado por meio da razão de recuperação. Para atingir tais objetivos, foi utilizada técnica não intrusiva de análise de imagem. As águas de estudo foram preparadas a partir de solução de ácido húmico Aldrich Chemical (tipo 1) e suspensão de caulinita Fluka (tipo 2), e coaguladas na região do mecanismo de varredura utilizando sulfato de alumínio (Al2(SO4)3.14H2O). A floculação ocorreu em gradientes de velocidades médios (G) entre 20 e 120 s-1, seguida da quebra induzida dos agregados com G quebra de 800 s-1 por 10 segundos. Posteriormente, o G inicial foi restaurado. Os agregados apresentaram menor tamanho após a quebra e recrescimento, ou seja, o diâmetro estável do floco da fase de floculação (d1) foi sempre maior comparado à fase de recrescimento (d2). Os valores de d1 variaram de 337 a 146 µm para água tipo 1 e de 407 a 154 µm para água tipo 2, enquanto os valores de d2 variaram de 157 a 132 µm para água tipo 1 e de 233 a 123 µm para água tipo 2, para G de 20 e 120 s-1, respectivamente. O parâmetro da DTP depois da quebra (β2), foi sempre maior que seu correspondente (β1) sendo que valores maiores de β representam agregados deslocados para as menores faixas da distribuição de tamanho. Os valores de β2 variaram (em módulo) de 1,2 a 4,6 para a água tipo 1 e de 0,6 a 7,7 para a água tipo 2. Foi observada uma maior recuperação do tamanho em gradientes de floculação elevados para as duas águas estudadas, sendo que para água tipo 1 a relação d2/d1 variou de cerca de 0,5 para G de 20 s-1 até cerca de 0,9 para G de 120 s-1.
Introdução
Muitos processos de separação sólido-líquido pressupõem o aumento de tamanho das partículas, conduzindo a agregados ou flocos, que podem ser removidos em processos de separação sólido-líquido. A coagulação é um processo bem estabelecido dentro do tema tratamento de água e consiste na desestabilização química de impurezas resultante da alteração de características da água (Di Bernardo e Dantas, 2005). Na floculação por sua vez, deseja-se promover o transporte e o choque das partículas desestabilizadas na etapa de coagulação, objetivando, a transformação de partículas discretas de pequenas dimensões em agregados maiores facilitando, por exemplo, a sedimentação ou flotação.
Em água, coagulantes como o Sulfato de Alumínio, utilizado neste estudo, hidrolisam-se rapidamente tornando-se espécies catiônicas, que se adsorvem sobre partículas carregadas negativamente, reduzindo ou invertendo a sua carga. A dosagem de coagulante e o pH de coagulação são essenciais para o bom desempenho da coagulação. Em baixas dosagens de coagulante, a neutralização de carga é um possível mecanismo de desestabilização de partículas, mas o excesso de coagulante pode levar à reversão de carga e reestabilização de partículas (Yukselen e Gregory, 2004). Em dosagens mais elevadas, a precipitação de hidróxido de metal amorfo pode desempenhar um papel muito importante (Snodgrass et al., 1984), conduzindo à chamada floculação de varredura, em que as partículas ficam enredadas no precipitado. O mecanismo de varredura é intensivamente utilizado nas estações de tratamento de água em que se têm a floculação e a sedimentação antecedendo a filtração rápida (Di Bernardo e Dantas, 2005).
Os flocos crescem inicialmente a uma taxa que é determinada pelas condições de mistura do sistema, pela concentração de partículas e pela eficiência de colisão. Normalmente, o gradiente de velocidade médio (G) é usado para avaliar a intensidade da mistura em um sistema. À medida que os flocos se tornam maiores, o crescimento subsequente é restringido essencialmente por duas razões. Os flocos existentes podem ser quebrados como resultado de forças destrutivas (Matsuo e Unno, 1981) e a eficiência de colisão de partículas num campo de cisalhamento torna-se mais baixa à medida que o tamanho de partícula aumenta e sua concentração diminui (Brakalov, 1987). O equilíbrio dinâmico entre agregação e ruptura pode levar a uma distribuição de tamanho de flocos em estado estacionário, onde o tamanho limite é dependente da taxa de cisalhamento aplicada (Mühle, 1993). Assim, o estado estacionário de floculação pode ser entendido como o equilíbrio entre as forças induzidas pelo cisalhamento e a força interna dos agregados. Esse equilíbrio leva os agregados a terem uma característica específica, como um tamanho representativo estável (diâmetro) e uma distribuição de tamanho determinada conforme relatado por Li et al. (2007), Yu et al. (2010) e Yu et al. (2015).
Quando se aumenta a taxa de cisalhamento sobre os flocos pré-formados, pode ocorrer sua quebra em fragmentos menores de tamanho aproximadamente igual ou ainda a erosão de pequenas partículas da superfície de flocos. No fluxo turbulento, em que as forças inerciais são significativamente maiores que as viscosas, o modo de ruptura depende do tamanho do floco em relação à microescala de turbulência (Mühle, 1993). A ruptura é dependente da intensidade do cisalhamento e da resistência do floco. A resistência do floco à quebra, por sua vez, depende da natureza da interação entre as partículas e do número médio de ligações por partícula. Sabe-se que a floculação em ponte, por polímeros de cadeia longa, pode gerar flocos muito resistentes, enquanto a formação de agregados por sais inorgânicos resulta em flocos mais frágeis.
A quebra dos agregados após a formação por aumento do cisalhamento pode ser danosa, alterando suas características e afetando todo o processo de separação. Em instalações de tratamento de água, a quebra de agregados pode ocorrer na própria câmara de floculação, devido à inadequação da mistura, ou nas passagens e entradas, isto é, canais, comportas, aberturas e orifícios. O aumento abrupto do cisalhamento causa uma ruptura de agregados para tamanhos menores em poucos segundos (Yukselen e Gregory, 2004) e sua consequência direta é a perda da condição adequada requerida para determinada eficiência de separação sólido/líquido.
A ruptura deve ser prevenida tanto quanto possível, mas é inevitável em alguns casos. A capacidade de recuperação do tamanho após quebra é chamada de refloculação, e depende do tipo de coagulante, intensidade de mistura e tempo de residência. A reversibilidade total da quebra pode não ocorrer, uma vez que nesta fase um novo estado estacionário é esperado. Li et al. (2007) relataram a natureza irreversível da quebra no caso de coagulantes hidrolisantes e Yu et al. (2010) descreveram o uso de doses adicionais após a ruptura como alternativa à reformação de agregados. No entanto, Yukselen e Gregory (2004) relataram que a formação de agregados, quebra e recrescimento pode ocorrer várias vezes, mas o tamanho estável do agregado é menor após cada quebra.
O desempenho da remoção de partículas é dependente, portanto, da formação de agregados com características adequadas, compatíveis com a tecnologia de separação utilizada (Chakraborti, 2003; Yukselen e Gregory, 2004; Di Bernado e Dantas, 2005). A distribuição de tamanho de partículas (DTP), arranjo em que os agregados são classificados em classes de tamanho, e o diâmetro estável (d), fornecem resultados diretos de desempenho da floculação, omitidos quando utilizados medidas indiretas, tal como a medida de turbidez. As medidas diretas de desempenho da floculação são extremamente valiosas, uma vez que as características dos flocos são determinantes no correto emprego da tecnologia de separação de fases e governam a eficiência global de remoção de partículas em sistemas de tratamento de água. O surgimento de regiões de alto cisalhamento nas unidades de tratamento e o alcance do patamar de estabilidade, para uma determinada
configuração pré-estabelecida, podem ser monitorados pelo acompanhamento destas características.
Neste estudo foi avaliado o efeito da quebra induzida sobre o tamanho do floco, utilizando o parâmetro diâmetro estável (d) e o parâmetro β coeficiente de potência que indica sensivelmente tendências e alterações da Distribuição do Tamanho de Partículas (DTP).
Autores: Pedro Augusto Grava da Silva; Rodrigo Braga Moruzzi; Juliana Carvalhinho Bull e André Luiz de Oliveira.
