Segundo Di Bernardo e Dantas (2005) a coagulação é empregada para a remoção de material em suspensão ou coloidal. Os colóides são apresentados por partículas que tem uma faixa de tamanho de 1nm (10-9) a 0,1nm (10-10) e causam cor e turbidez. As partículas coloidais não sedimentam e não podem ser removidas por processos de tratamento físicos convencionais.
Os colóides possuem propriedades elétricas que criam uma força de repulsão que impede a aglomeração e a sedimentação. Na maior parte dos efluentes industriais o colóide possui carga negativa. Se porventura suas características não forem alteradas, permanecem no meio líquido. Para que então as impurezas possam ser removidas, é preciso alterar algumas características por meio da coagulação, floculação, sedimentação (ou flotação) e filtração. (Di Bernardo e Dantas, 2005).
A matéria particulada na água residuária é na maior parte orgânica. As condições de mistura e de floculação para a agregação de colóides orgânicos serão diferentes daquelas empregadas para colóides inorgânicos: as superfícies hidrofílicas destas partículas orgânicas reagem diferentemente à adição de coagulante. Em geral, coagulante é o produto químico que é adicionado para desestabilizar as partículas coloidais de modo que possa formar o floco. Normalmente são utilizados nas estações para essa etapa sais de alumínio e ferro.
A dosagem do produto químico considera o coagulante como um sal que se dissocia na solução com hidrólise do cátion de alumínio (e de ânions associados) que determinam a
A coagulação, portanto é a etapa inicial do processo de tratamento caracterizado pela desestabilização das partículas presentes na água bruta, provocado pela adição de coagulantes metálicos ou polímeros. Segundo Amirtharajah (1989) e Di Bernardo (1990), a coagulação depende de inúmeros parâmetros, tais como a alcalinidade, cor, pH, temperatura, turbidez, força iônica, presença de metais entre outros. Quando os coagulantes são ministrados na dosagem ideal, as cargas negativas presentes na superfície das partículas, que antes impediam a agregação das mesmas, são minimizadas pelas cargas positivas presentes nas espécies hidrolisadas formadas. Como resultado há a formação dos coágulos e, posteriormente, de flocos, que por intermédio da força gravitacional decantam. Na câmera de mistura rápida são criadas as condições necessárias para a distribuição rápida e uniforme do coagulante.
A coagulação, portanto, resulta de dois fenômenos: o primeiro, essencialmente químico, consiste nas reações do coagulante com a água e na formação de espécies hidrolisadas com carga positiva; este fenômeno depende da concentração do metal e pH final da mistura.
O segundo, fundamentalmente físico, consiste no transporte das espécies hidrolisadas para que haja contato entre elas e as impurezas presentes na água. O processo é muito rápido, variando desde décimos de segundo a cerca de 100 segundos, dependendo das demais características (pH, temperatura, condutividade elétrica, concentração de impurezas, etc.). Daí em diante há necessidade de agitação lenta, para que ocorram choques entre as impurezas, que se aglomeram formando partículas maiores, denominadas flocos, que podem ser removidos por sedimentação, flotação ou filtração rápida. Essa etapa é denominada floculação (Di Bernardo e Dantas, 2005).
Normalmente a turbulência responsável por essa homogeneização é acionada pelo movimento de pás ou agitadores mecânicos. O gradiente de velocidade, consiste na diferença de velocidade observada entre duas partículas, de modo que a energia cinética aplicada ao sistema, por meio um dispositivo mecânico adequado, influencie diretamente nessa diferença. Dessa forma, o gradiente de velocidade é expresso por:
G= gradiente de velocidade
μ = viscosidade absoluta do líquido N = velocidade do rotor em rpm t = torque
V = volume do reator
Interações entre partículas coloidais
Segundo Di Bernardo e Dantas (2005) contribuem para a predominância da carga negativa na superfície das partículas em suspensão:
a) Dissociação de grupos funcionais como carboxilas ou hidroxilas presentes na superfície das partículas;
b) Imperfeições na estrutura cristalina das argilas minerais ou por efeito das substituições isomórficas, que por sua vez é resultado da substituição do átomo de silício por um átomo de menor valência na mesma estrutura;
c) Adsorção de íons na superfície das partículas em suspensão por meio da ação das forças de Van der Waals e ligações de hidrogênio.
De acordo com Líbânio (2005), as condições sob as quais a água bruta é coletada remetem a um sistema bifásico, constituído por partículas coloidais em suspensão e pela própria água. A aglutinação de íons positivos na superfície das partículas hidrofóbicas é resultado da atuação das forças de repulsão eletrostática e da atração promovida pelas forças de Van der Waals, que nada mais é do que a força natural de atração existente entre duas partículas desencadeada pelo contato entre seus dipolos elétricos. Como resultado tem-se a formação da camada compacta eletricamente neutra.
Em decorrência dos três fenômenos citados para a predominância da carga negativa na superfície das partículas em suspensão ocorre o que chamamos de um balanço de cargas com íons de carga contrária presentes na água e, por isso, um sistema coloidal não apresenta carga elétrica “líquida”.
Williams (1994), citado por Di Bernardo e Dantas (2005), cita que a carga superficial, juntamente com a movimentação Browniana, conduz à formação da chamada Dupla Camada Elétrica (DCE), formada pelas cargas superficiais e pelo excesso de íons com carga oposta (contra-íons) adsorvidos na partícula, deixando o meio circundante eletricamente neutro e mais adiante da superfície.
O modelo da DCE considera a interface como um dispositivo armazenador de carga, análogo a um capacitor de placas paralelas. Um modelo mais realista envolve a divisão da dupla camada em duas regiões, Camada Compacta (CC), Stern, e Camada Difusa (CD), conforme mostrado na figura 3.5 (Líbânio, 2005). Sendo negativa a superfície da partícula, há acúmulo de íons positivos na região da interface sólido-líquido, formando, juntamente com a carga negativa da partícula, a CC. Íons negativos aproximam-se da CC e, atraindo íons positivos, formam a camada difusa, que engloba a primeira; a CD resulta, na realidade, da atração de íons positivos, repulsão eletrostática de íons negativos e difusão térmica. (Líbânio, 2005).
A elevada concentração de íons positivos próximos à superfície do colóide é denominada camada de Stern, a partir da qual se forma a camada difusa, onde a concentração de íons é menor. No entanto a atuação das forças difusivas contribuem para a formação de uma nova área denominada camada difusa, formada por íons predominantemente positivos cuja espessura varia segundo a concentração iônica. Por conta da atuação da camada difusa as partículas em suspensão conseguem se manter afastadas, alcançando a estabilidade estática. O potencial elétrico causado pela presença do colóide na água diminui com a distância, a partir da superfície do mesmo, onde é denominado Potencial de Nernst (PN). (Di Bernardo e Dantas, 2005; Líbano, 2005).
Líbânio (2005) e Di Bernardo e Dantas (2005) afirmam que há uma distância mínima entre a superfície do colóide e os íons de carga contrária, na qual o potencial elétrico decresce linearmente; em seguida, a diminuição resulta exponencial, passando pela fronteira das camadas compacta e difusa, região em que o potencial elétrico é chamado de Potencial Zeta (PZ). Logo podemos determinar o potencial zeta a partir da diferença entre potencias observada entre a camada compacta e o limite da camada difusa. Este é bastante utilizado como parâmetro na determinação da carga eletrostática aproximada presente na superfície das partículas em suspensão, que por sua vez é útil na determinação do nível de interações repulsivas entre as partículas.
Figura 3.5 Configuração esquemática da dupla camada elétrica. (Modificado). Fonte: Libânio (2005).
Mecanismos de coagulação
A etapa de coagulação é sensível a inúmeras variáveis. Dito isso, torna-se necessária uma análise que compreenda as características físico-químicas da água em tratamento. Segundo Di Bernardo e Dantas (2005) quando as condições propícias à coagulação são preenchidas a atuação de quatro mecanismos, de forma distinta ou em associação, desencadeia o mecanismo de coagulação propriamente dito, apresentados a seguir: