UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO IZANA MANUELA ARAÚJO FERREIRA DE MEDEIROS ABRANDAMENTO DE ÁGUAS VIA TROCA IÔNICA Natal, Maio 2017 IZANA MANUELA ARAÚJO FERREIRA DE MEDEIROS ABRANDAMENTO DE ÁGUAS VIA DE TROCA IÔNICA Trabalho de conclusão de curso apresentado à Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito parcial para obtenção do título de bacharel em Engenheira Química sob a orientação da Professora Dr. Magna Angélica dos Santos Bezerra Sousa. Natal, Maio 2017 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus pelo Dom da minha vida, por guiar meus passos e me abençoar abundantemente durante minha jornada acadêmica. Agradeço à Nossa Senhora, mãe de Jesus, por intercede por mim e ser um exemplo de humildade e confiança em Deus. Agradeço aos meus amados pais Manuel e Goretti, à meus queridos irmãos Sócrates e Rousseau por acreditarem no meu potencial e me apoiarem na concretização desse sonho. À minha tia Antônia por me ajudar de todas as formas possíveis, pelo suporte e assistência de sempre e também a todos os meus familiares. À Rodrigo por sonhar comigo, me incentivar a voar cada vez mais alto na direção dos meus sonhos. À Professora doutora Magna Sousa, pela paciência, dedicação e disposição de me ensinar e guiar na execução desse trabalho. À todos os meus professores que com contribuíram para minha formação acadêmica. À todos os meus amigos que caminham comigo: Amanda, Andriely, Thayane, Giulia, Vanessa, Flávia e Thaiane. Aos meus amigos de infância, Stephanie, Antônio, Priscilla e Roberta. Aos queridos amigos que fiz durante a graduação Athina, Neilson e Tereza. À estes e a todos os demais não citados mas que guardo no coração, meu muito obrigada. RESUMO O objetivo principal desse trabalho consiste na redução de íons de Ca+ de 120 ppm para 60ppm da água de torneira de uma unidade industrial localizada em Malaga, Austrália. Para isso, utilizou-se o método de filtração em conjunto com o método de troca iônica. O sistema em questão é composto por um filtro de sedimento conectado por tubos de cobre a um filtro de Carvão ativado e a uma coluna de troca iônica que é conectada a um tanque de salmoura cuja função é favorecer a regeneração das resinas de troca iônica. Amostras de água foram retiradas no início do processo, na saída de cada equipamento e ao final do processo. Foi utilizado o equipamento calorímetro para quantificar a concentração de Carbonato de Cálcio, Cloro e Ferro contidos na água analisada. Após a passagem da água pelo processo foi possível determinar uma significativa redução da dureza, além disso foi possível determinar a saturação desse sistema, ou seja, o volume máximo de água que o sistema é capaz de tratar. Palavras-chaves: Abrandamento, Troca iônica, Filtro de carbona ativado, Filtro de sedimento, Carbonato de Cálcio. ABSTRACT The main objective of this thesis is to reduce the concentration of Ca + ions in tap water from an industrial unit located in Malaga, Australia. For this, the filtration method was used in conjunction with the ion exchange method. The system in question consists of a sediment filter connected by copper pipes to an activated carbon filter and an ion exchange column which is connected to a brine tank which regenerates the ion exchange resins. Water samples were taken at the beginning of the process, after each equipment and at the end of the process. The calorimeter equipment was used to quantify the concentration of Calcium, Chlorine and Iron Carbonate contained in the tap water. After the passage of the water through the process it was possible to determine a significant reduction of hardness, in addition it was possible to determine the saturation of this system, which mean the maximum volume of water that the system is able to treat. Keywords: Water Softening, Ionic exchange, Activated carbon filter, Sediment filter, Calcium carbonate. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Media de filtro de diferentes granulações...................................................6 Figura 2 - Comparação entre o carbono ativado e comum.........................................7 Figura 3 - Ilustração microscópica dos poros do Carvão ativado..................................8 Figure 4 - Recheio de filtro de diferentes granulações................................................10 Figura 5 - Cascalho usado como recheio no filtro de troca iônica...............................11 Figura 6 - Figura ilustrativa do Leito fluidizado............................................................12 Figura 7- Resina de troca iônica utilizada no tanque de troca iônica...........................13 Figura 8 - Ilustração da Reação de troca iônica o ocorre no interior no filtro de troca iônica..........................................................................................................................14 Figura 9 - Processo ilustrativo de troca iônica............................................................14 Figura 10 - Regeneração da resina de troca iônica com íons de sódio após saturação....................................................................................................................15 Figura 11 - Tanque de troca iônica conectado ao tanque de Salmoura que é responsável pela regeneração das resinas................................................................15 Figura 12 - Troca iônica entre sódio e Cálcio e a produção de água branda...............17 Figure 13 - Processo composto por filtro de sedimentação, carvão ativado, tanque de troca iônica e tanque de salmoura..............................................................................20 Figura 14 Princípio de funcionamento do filtro de sedimentação................................21 Figura 15 - Filtro de Carvão ativado............................................................................21 Figure 16 - Mecanismo de troca iônica.......................................................................22 Figura 17 - Eficiência do tanque de troca iônica nos primeiros estágios do processo ...................................................................................................................................22 LISTA DE TABELAS Tabela 1- Limites máximo de elemento químicos na água potável.............................2 Tabela 2 - Concentração da salinidade da água e os efeitos para para o consume humano e irrigação.......................................................................................................4 Tabela 3 - Classificação do método de filtração de acordo com gradiente, material retido e aplicação.........................................................................................................6 Tabela 4 - A tabela abaixo mostra as partes constituintes de cada equipamento e suas dimensões..................................................................................................................21 Tabela 5 - Amostras dos parâmetros analisados para o volume igual a zero...........28 Tabela 6 - Remoção de Cloro em percentual............................................................29 Tabela 7-Limites de potabilidade...............................................................................30 Tabela 8- Amostras dos parâmetros analisados para o volume igual a 1000 L........31 Tabela 9 - Remoção de Cloro em percentual............................................................32 Tabela 10 - Propriedades para o volume 2000 L.......................................................33 Tabela 11- Remoção de Cloro em percentual...........................................................34 Tabela 12 - Propriedades para volume de 3000 Litros..............................................36 Tabela 13 - Comparação da dureza da água conforme a legislação Australiana e Brasileira....................................................................................................................40 Tabela 14 - Volume de saturação para os limites de dureza.....................................41 Tabela 15 - Custo total do projeto..............................................................................42 SUMÁRIO 1.0 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1 2.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................ 2 2.1 POTABILIDADE DA ÁGUA ....................................................................................... 2 2.2 INDICADORES QUÍMICOS DA ÁGUA ......................................................................... 3 2.2 FILTROS DE ABRANDAMENTO DE ÁGUA .................................................................. 5 2.2.1 Filtro de Sedimento ................................................................................... 5 2.5 FILTRO DO CARVÃO ATIVADO ................................................................................ 6 2.6 TROCA IÔNICA ...................................................................................................... 8 2.6.1 Expansão e Contração de Leito Fluidizado .......................................... 12 2.6.2 Resina de Troca Iônica ........................................................................... 13 2.6.3 Regeneração da resina de troca iônica ................................................ 15 2.6.4 Tanques de Salmoura ............................................................................. 16 3.0 METODOLOGIA ................................................................................................ 17 3.1 DESCRIÇÃO DO PROCESSO ................................................................................. 20 3.1.1 Tanque de sedimentação ....................................................................... 20 3.1.2 Filtro de Carvão ativado ......................................................................... 21 3.1.3 Coluna Troca Iônica ................................................................................ 22 3.1.4 Abrandamento de água .......................................................................... 22 3.1.5 Fatores que afetam a capacidade do Abrandador ............................... 23 3.1.5 Efeito dos elementos no Abrandador ................................................... 24 4.0 RESULTADOS ................................................................................................... 26 4.1 CONCENTRAÇÃO DE CLORO, FERRO E CARBONATO DE CÁLCIO PARA VOLUMES DE 1000, 2000 E 3000 L ............................................................................................... 26 4.1.1 Volume zero – Início do processo ......................................................... 26 4.1.2 Volume 1000 L ..................................................................................... 29 4.1.3 Volume 2000L ...................................................................................... 32 4.1.4 Volume 3000 L ..................................................................................... 34 4.2 VARIAÇÃO DE CONCENTRAÇÕES PARA DIFERENTES VOLUMES .......................... 37 4.3 OTIMIZAÇÃO – DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE SATURAÇÃO DE CARBONATO DE CÁLCIO.. ..................................................................................................................38 5.0 ANÁLISE DE CUSTO ........................................................................................ 40 6.0 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................................................................... 41 7.0 CONCLUSÃO .................................................................................................... 42 8.0 PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS ....................................................... 43 9.0 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 44 1 1.0 INTRODUÇÃO A água tem grande importância para a manutenção da vida no planeta, pois os seres vivos dependem de água para manutenção das funções vitais (Bacci; Pataca, 2008). A água possui papel igualmente importante nos ecossistemas, servindo de fonte de equilíbrio para as relações entre espécies que o compõe (Silva, 2008). A água doce corresponde a apenas 2.5% de toda a água disponível do mundo, das quais 70% encontra-se na forma sólida e 29% encontra-se em reservas subterrâneas e somente 1% dessa água doce encontra-se disponível em rios, lagos e zonas pantanosas (BRAGA et al., 2003). A ingestão da água tratada é muito importante para a manutenção da saúde humana, pois a água é o solvente universal e auxilia na prevenção de doenças e ajuda na proteção do organismo contra o envelhecimento (Paschoal, 2012). Nenhum solvente em suas condições normais de temperatura e pressão, apresenta propriedades físico-químicas tão compatíveis com os processos biológicos quanto a água. A água desempenha a função de solvente dos componentes que entram no organismo, veículo dos elementos compostos que precisam ser eliminados pelo organismo, regulador osmótico, regulador da pressão corporal (Paschoal, 2012). Água dura é definida pelo alto teor de íons Cálcio (Ca+) e Magnésio (Mg+). O grau de dureza da água pode ser afetado por vários fatores, dentre eles fator geográfico como a rota percorrida pela água até chegar as residências pode contribuir para a alta dureza da água (Cunha; Silva, 2014). Alguns percursos incluem solos ou rochas de Calcário, principal fonte de carbonato de Cálcio. Dependendo do tempo de contato com as fontes de Calcário, a água pode chegar ao destino final com grande concentração de íons de Cálcio e Magnésio. Conforme Sengupta (2013), apesar de Cálcio e Magnésio serem minerais essenciais à saúde humana, quando ingeridos em doses elevada podem provocar problemas cardiovasculares, reprodutivos, diabetes, hipertensão, entre outros. A água dura também gera problemas nas residências e indústrias, pois os íons de Ca+ e Mg+ reagem com sabão gerando sais insolúveis em água e esses sais contido na água podem acumular-se gerando incrustações em tubulações, aquecedores, torneiras e tanques (Cunha; Silva, 2014). A água dura causa aos cabelos e à pele a sensação de sequidão e aspereza. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 2 Os métodos de tratamento de água dura são abrandamento por precipitação química, abrandamento por troca iônica (Aquino, 2012), micro/nanofiltração e osmose reversa. A precipitação química consiste na adição de cal virgem (CaO) e carbonato de sódio (Na2CO3), o processo de troca iônica utiliza resinas catiónicas que capturam os íons de Ca+ e Mg2+, substituindo-os por íons que formarão compostos solúveis na água e de baixo nocividade à saúde humana, tais como Na+. A micro/nanofiltração consiste na utilização de membranas poliméricas como meio filtrante e a osmose reversa utiliza membranas semipermeáveis e altas pressões para reverter o processo espontâneo da osmose (Dalmolin, 2011). O abrandamento de água via troca iônica consiste na troca de íons de Cálcio e Magnésio por íons de Sódio ou Potássio a depender da resina. Algumas das resinas são ricas em Sódio e outras em potássio, esse trabalho irá utilizar resinas a base de Sódio O processo de troca iônica usa um recheio especial de resina na forma de pequenas esferas. Quando a resina alcança a capacidade máxima de troca iônica ocorre a regeneração dessa resina através do tanque de salmoura (NaCl) que por sua vez renova a capacidade de remoção de dureza. Esse trabalho tem por objetivo geral fazer um estudo de caso em que a água de uma unidade industrial será abrandada via troca iônica em conjunto com filtros de sedimento e carvão ativado. O objetivo secundário consiste na remoção de cobre e cloro usando o mesmo sistema descrito anteriormente. 2.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 Potabilidade da água Água potável é amplamente usada para consumo humano, como ingestão, cozinhar, higiene pessoal e uso doméstico. A água potável oferece baixo risco à saúde humana tanto a curto quando a longo prazo (BRAGA et al., 2003). A tabela abaixo ilustra os valores máximo permitido de Cobre, Cloro, Dureza e Ferro. Tabela 1. Limites máximo de elemento químicos na água potável Parâmetro Unidade Valor máximo permitido Cobre mg/L 2 Cloro livre mg/L 5 Dureza total mg/L 500 Ferro mg/L 0,3 Fonte: www.anvisa.org.br ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 3 Em muitos países, a água da torneira é considerada potável e faz-se o consumo imediato dessa água que é distribuída para as residências por dutos de ferro e/ou cobre. Contudo, dutos a base de ferro são propícios à corrosão, o que contribui para para a acumulação de partículas de óxido de ferro na água (Naim, M. Nazli et al. 2016). Na fase inicial da corrosão, o óxido de ferro encontra-se na forma cristalina pouco densa, entretanto, com o tempo esses componentes transformam-se na forma cristalina mais densa, como a hematita (Fe2O3) (Naim, M. Nazli et al. 2016). 2.2 Indicadores Químicos da água As características químicas da água estão diretamente relacionadas a presença de substâncias dissolvidas na mesma. Dentre essas características químicas destacam-se: • Dureza A dureza da água é uma característica indesejada, pois confere ao solvente universal um sabor desagradável, extinção de espuma pelo sabão e ainda, incrustações em tubulações, hidrômetros, caldeiras e outros equipamentos industriais e residenciais (Paschoal 2012). A dureza é uma característica que a água adquire pela presença de sais de metais alcalino terroso, como Cálcio e Magnésio (Paschoal 2012). • Alcalinidade A alcalinidade é causada pela presença de Carbonatos, hidróxidos e bicarbonatos, na grande maioria oriundos de metais alcalinos ou alcalinos-terrosos, como Sódio, Potássio, Cálcio e Magnésio (Paschoal 2012). Uma água alcalina possui a capacidade de neutralizar ácidos. • Salinidade Salinidade da água pode ser determinada pelo total de sais dissolvidos no meio, o que confere à água características incrustantes e sabor salino, o que pode ser um indício de poluição por esgotos domésticos (Paschoal 2012). A salinidade pode está relacionada a condutividade elétrica. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 4 Diferentes concentrações de sais podem determinar a função dessa água para consumo e irrigação. A tabela 2 mostra os efeito de diferentes níveis de salinidade para consumo e irrigação. Tabela 2. Concentração da salinidade da água e os efeitos para para o consume humano e irrigação Salinidade (µm/cm) Consumo Irrigação 0-800 Pronta para ingestão Boa para irrigação Pode ser consumida, Não é aconselhável o uso 800-2500 todavia não deve ser dessa água para irrigação ingerida regulamente. Não recomendado para consumo humano, contudo se a Pode ser usada para concentração da água irrigação somente em 2500-10000 estiver abaixo de 3000 casos de solos tolerantes µm/cm ela pode ser a salinidade ingerida caso não haja mais nenhuma outra fonte de água disponível. Totalmente inviável para Totalmente inviável para Acima de 10000 o consumo a irrigação O total de sais dissolvidos em um meio pode ser quantificado a partir da evaporação de um volume de água, o sólido precipitado é mantido para a pesagem. • Cloretos ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 5 As águas com alta concentração de cloretos dissolveram minerais ou que sofreram mistura, com água do mar. Podem também ser oriundos de esgoto doméstico ou industrias. O cloreto também confere sabor salgado a água (Paschoal 2012). • Ferro e Manganês A presença de Ferro e Manganês pode conferir à agua sabor metálico, coloração levemente avermelhada ou marrom. A água com altos índices de metais não deve ser usada para consumo doméstico, pois mancham roupas, vasos e pode causar depósitos nas tubulações (Paschoal 2012). 2.2 Filtros de abrandamento de água 2.2.1 Filtro de Sedimento Neste projeto, o filtro de sedimento irá remover partículas sólidas superiores a 5 µm de diâmetro. A unidade de medida µm ou Micron equivale a 0,001 milímetro, ou seja, 5 µm equivale a 0.005 milímetros (Farias 2017). A seleção do tipo de filtro dependerá do tamanho e distribuição das partículas. Contudo, quanto menor os poros do cartucho menor o diâmetro de partículas que o filtro retém e maior sua capacidade de retenção. A filtração pode ser classificada conforme o tamanho de partícula em: microfiltração, ultrafiltração, nanofiltração e osmose reversa. GRADIENTE DE MATERIAL PROCESSO APLICAÇÃO PRESÃO RETIDO - Clarificação de vinho e cerveja - Esterilização Microfiltração 0.1 – 1 bar 0.1 – 10 µm bacteriana - Concentração de células - Fracionamento e concentração de Colóides, proteínas Macromoléculas Ultrafiltração 0.5 – 5 bar - Recuperação de Peso Molecular > pigmentos 5000 - Recuperação de óleos ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 6 - Purificação de proteínas - Separação de Nanofiltração 1.5 – 40 bar 500 < PM < 2000 compostos orgânicos e sais divalentes - Dessalinização de Todo material águas Osmose 20 – 100 bar solúvel ou em Desmineralização da suspensão água Tabela 3. Classificação do método de filtração de acordo com gradiente, material retido e aplicação O filtro de sedimento filtrou 3000 Litros de água da torneira. É possível perceber o acúmulo de metais no meio filtrante a partir da mudança de coloração do cartucho. A figura 1 abaixo mostra a diferença de cor do filtro causada pelo acúmulo de metais. A foto da esquerda representa o filtro novo e a foto da direita o filtro saturado. Figura 1. Saturação do Filtro 2.5 Filtro do Carvão ativado O filtro de Carvão ativado possui grande área superficial que pode ser entre 400 a 1600 m2/g. O carvão ativado é um material adsorvente, ou seja sua superfície porosa interna é acessível para combinação seletiva com solutos. Processos de ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 7 adsorção são amplamente utilizados em tratamento de água par remoção de cor, odores ou sabor (Ruthven, 1984). O carvão ativado é um material poroso, de origem natural e de alto poder de adsorção. O filtro de Carvão ativado foi usado nesse projeto para remoção especificamente do Cloro, além de odores, sabor e cor. A figura abaixo, ilustra a diferença entre o carvão normal e o ativado. Figura 2. Comparação entre o carbono ativado e comum A medida que a água escoa em direção ao filtro de Carvão ativado, é possível observar a redução de cloro conforme será mostrado nas próximas seções desse trabalho. Após algum tempo de uso, o filtro de carvão ativado, eventualmente, pode ter seus poros abstruídos acarentando a saturação do sistema. Depois de utilizado, o carvão ativado pode ser reativado. A vantagem de usar o filtro de CA consiste no baixo custo do processo e na segurança de operação. Uma desvantagem é que o filtro de carvão ativado (CA) oferece um ambiente ideal para o crescimento de bactérias. O tamanho e a distribuição dos poros têm grande influência na eficácia do filtro de Carvão Ativado. O tipo de contaminante absorvido dependerá do tamanho do poro do filtro, que pode variar com base na especificação de carvão e no método de ativação. O comprimento de exposição também afeta o processo do filtro CA, quanto maior o comprimento do contato, maior o número de contaminantes removidos. A Figura abaixo mostra os poros de carvão ativado disponíveis para a adsorção. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 8 Figura 3. Ilustração microscópica dos poros do Carvão ativado 2.6 Troca Iônica O primeiro processo de troca iônica aconteceu em 1845 mas somente em 1905 ocorreu o primeiro abrandamento de água por troca entre íons de Cálcio e Magnésio por íons de Sódio usando zeólitas. Em 1934 a primeira resina aniônica foi fabricada com o intuito de inovar o método de troca iônica. Em 1937, a primeira indústria de desmineralização foi instalada na Inglaterra. As primeiras resinas fabricadas eram onerosas, instáveis e de fácil quebra. Contudo, após 40 anos de estudos e desenvolvimento, as resinas tornaram-se mais economicamente acessíveis, estáveis e compactas (Bennet, Anthony, 2007). A resina de troca iônica é uma matriz insolúvel com aproximadamente 1-2 mm de diâmetro, fabricada a partir de polímeros orgânicos. O processo consiste em trocar íons de Sódio por íons de Ca+ e Mg+, o que reduz a dureza da água. (Bennet, Anthony 2007). As resinas de troca iônica mais populares são derivadas de Poliestireno. Existe quatro tipos de resina de troca iônica, são elas: • Resina Catiônica forte: Estão geralmente na forma de sal de Sódio quando são utilizadas para abrandamento de água ou na forma de Hidrogênio quando utilizadas para descarbonatação ou desmineralização da água. • Resina Catiônica Fracamente ácida: São usadas para remoção de Cálcio, Magnésio, e Sódio ligados somente ao ânion fraco, como o ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 9 bicarbonato. Essa resina é usada somente em água com dureza temporária predominantemente elevada. • Resina Aniônica Forte: Todas as resinas aniônicas fortemente básicas removem ânions fortes e fracos, tais como Cloretos, Sulfatos, Nitratos, Bicarbonatos e Silicatos. • Resina Aniônica Fracamente Básica: Estas resinas só removem ânions fortes, tais como Sulfato, Cloreto e Nitrato, não removendo ânions fracos, como os bicarbonatos e silicatos. As resinas "fortes" têm uma maior afinidade por todos os constituintes ionizados em água e são capazes de remover mesmo os constituintes fracamente ionizado como Acetatos e Sílica (Bennet, 2007). As resinas "fracas" são ineficazes na remoção de constituintes fracamente ionizados, no entanto, sua capacidade de troca iônica são duas ou três vezes maior que as de resinas fortes e podem ser regeneradas mais eficientemente. Resinas de troca iônica têm maior afinidade por íons polivalentes, desta forma os íons divalentes são removidos primeiro conforme a água passa pela resina. Íons monovalentes como o sódio, podem ser deslocados por íons divalentes (Bennet, 2007). Os sistemas de abrandamento de água utilizam resinas catiónicas que trocam íons principalmente de Cálcio e Magnésio por íons de Sódio, prevenindo dessa forma a formação de precipitados de carbonato de cálcio. Uma vazão de água a ser abrandada percorre a camada de resinas que se encontram na forma Catiônica forte. Os cátions polivantes são absorvidos pela resina e os íons de sódios são liberados como parte da troca iônica. Após uma variação de volume, ou tempo, o sistema é regenerado automaticamente pelo tanque de salmoura. Normalmente, a dureza residual após uma única passagem através de uma coluna de troca iônica é suficiente, mas alguns sistemas modernos exigem um menor nível de dureza, de modo que o uso de um equipamento adicionais anexado a um sistema de regeneração pode otimizar o abrandamento de água atingindo a concentração de até 1 ppm de carbonato de cálcio (Bennet, 2007). O filtro é o local onde o fluido escoa na direção de uma barreira chamada meio filtrante. A porosidade do filtro permite que a partícula passe através do espaço de abertura do poro. Se a porosidade do recheio for menor do que as partículas de água, estas ficarão retinas no recheio. A figura abaixo mostra quatro recheios granulares. A ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 10 granulosidade do recheio está disposta em ordem ascendente da esquerda para direita. Figura 4. Recheio de filtro de diferentes granulações. O filtro de troca iônica é composto por uma válvula automática que controla as etapas do processo. Essas etapas são chamadas ciclos e são classificadas em: Ciclo de Serviço, Retro-lavagem, Entrada de salmoura, enxague lento, enxague rápido, volta ao ciclo de serviço (Ecohouse, 2015). • Ciclo de serviço Nessa etapa, o abrandador recebe água dura e libera água branda. O ciclo dura em média 22 horas para uma unidade que regera diariamente, contudo o ciclo de serviço pode durar dias (Ecohouse, 2015). • Retro-lavagem A taxa de retro-lavagem deve ser suficientemente alta para expandir o leito em pelo menos 50% (Ecohouse, 2015). Durante o processo de retro-lavagem, ocorre a expansão do leito do filtro que liberará partículas que estão presas na camada do recheio. A retro-lavagem geralmente dura entre 10 e 15 minutos, contudo esse ciclo pode ser ajustado dependendo da dureza da água de alimentação. • Entrada de Salmoura A solução da salmoura é transportada do tanque de salmoura para o tanque de resina. Isto é realizado por um injetor tipo venturi localizado na válvula de controle. A duração do ciclo depende da quantidade e concentração de sal, que geralmente é de 20 minutos (Ecohouse, 2015). ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 11 • Enxágue lento A solução de salmoura é empurrada através do leito de resina para permitir a troca iônica entre a resina e a salmoura, a resina recupera os íons de sódio e libera os de cálcio e magnésio (Ecohouse, 2015). A duração do ciclo pode ser entre 30 e 70 minutos. • Enxágue rápido O ciclo de enxague rápido ocorre quando termina o ciclo de lavagem. O enxague rápido instala o leito e o prepara para o serviço. Nesta fase, a válvula permanece fechada, o que permite que a água entre no filtro. Este ciclo dura entre 4 e 15 minutos (Ecohouse, 2015). • Volta ao ciclo de serviço Após o enxágue rápido a unidade está pronta para entrar em operação normal e fornecer água abrandada (Ecohouse, 2015). O tempo médio gasto na regeneração é de 1h e 30 mim. O filtro de troca iônica é formado por dois recheios, a resina e o cascalho - gravel que encontra-se logo abaixo da resina. A água a ser filtrada entra através da válvula inlet e escoa para o interior do filtro pelas extremidades. As partículas suspensas na água bruta serão retidas pelo cascalho e a dureza da água será removida por troca iônica através das resinas representadas na figura 9 pela cor laranja. Depois que a água atinge um certo nível, ela retorna para o topo do filtro através do duto central de distribuição, saindo do filtro pela válvula outlet. Existem várias dimensões cascalho, como 0,85 mm, 3,2 mm, 6,4 mm. Este projeto vai usar recheios granulares de 6,4 mm. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 12 Figura 5. Cascalho usado como recheio no filtro de troca iônica 2.6.1 Expansão e Contração de Leito Fluidizado A retro-lavagem tem duas funções principais: lavar o recheio e fluidizar o leito. O acúmulo de impurezas melhorar a filtração, uma vez que a camada de impureza reduz a porosidade do meio filtrante. Contudo, a consequência do acúmulo de impurezas no leito é a queda de pressão. A queda de pressão é diretamente proporcional ao nível de impurezas, maior a camada de impurezas maior a queda de pressão do filtro. A expansão do leito pode atingir até 50% durante a retro-lavagem. Os fatores que controlam a expansão do leito são: densidade do meio, tamanho de partícula, temperatura, taxa de fluxo de retro-lavagem por pé quadrado. Freeboard é o espaço máximo permitido acima da cama de recheio para expansão. Pode ser expressa em polegadas ou em percentagem. O balanço de partículas e velocidade do gás determina a hidrodinâmica de um leito fluidizado. Ajustando o regime fluidizado, a velocidade do gás pode ser controlada. O ponto de partida do regime de fluidização é o regime de fluidização mínimo. Quando a velocidade do gás excede a velocidade de fluidização mínima, ocorre o regime de borbulhamento e o sistema é instável. Quando a velocidade do gás é maior do que a velocidade final ocorre transporte pneumático. Conforme mostrado na figura 11. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 13 Figura 6. Figura ilustrativa do Leito fluidizado. Um dos motivos de um ineficiente abrandamento por troca iônica pode estar relacionado à expansão inadequada do leito fluidizado. Para ter-se uma boa filtração é necessário que o filtro tenha uma expansão suficiente durante a retro-lavagem (Chescattie, 2003). No entanto, se o filtro não estiver suficientemente expandido, podem ocorrer muitos problemas, por exemplo, surtos hidráulicos durante mudanças de fluxo, redução da eficiência de troca iônica e formação de bolhas de ar. Existem algumas situações em que deve-se ignorar a expansão do leito. Por exemplo, a observação visual pode não mostrar o que está a ocorrer no leito de filtração. O leito de filtração pode não expandir adequadamente se a taxa de retro- lavagem for muito baixa. A água de retro-lavagem pode deixar sujeira presa devido as zonas mortas ou bypass. Consequentemente, o filtro aparentará estar funcionando corretamento quando na verdade está deixando zonas mortas, ou seja áreas em que não ocorre filtração. O que acontece devido à falta de expansão do leito fluidizado (Chescattie, 2003). 2.6.2 Resina de Troca Iônica As resinas são polímeros reticulados utilizados para o processo de troca iônica (Coulson & Richardson's 2001). O polímero de divinilbenzeno (DVB) e o estireno são a base de resina, o estireno não é utilizado sozinho, porque seria disperso em solventes orgânicos. O divinilbenzeno proporciona ligações cruzadas entre as cadeias. As dispersões ocorrem apenas no ponto em que a força osmótica da solvatação é equilibrada pela força da estrutura polimérica esticada. O estireno tornou- se um permutador catiónico ácido poliestireno sulfónico com íons de hidrogénio disponíveis quando é sulfonado. Nenhuma troca ocorre envolvendo os íons negativos fora da resina porque a estrutura da resina tem uma carga negativa fixa. Os contra- íons são chamados íons com polaridade oposta e tem um potencial de troca. O poliestireno também pode ser um material de partida para troca de íons de resina por ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 14 tratamento com monocloroacetona e trimetilamina. Ambas as resinas são fortemente iónicas. A resina de troca iônica é um tipo de resina feita de polímero orgânico que funciona como abrandadora de água. Sua estrutura possui entre 0,5 a 1 mm de diâmetro, sua cor pode ser branca ou amarelada. O grânulo de resina proporciona uma grande área de superfície e porosidade. A resina utilizada neste projeto é feita de sulfonato de poliestireno. Figure 7. Resina de troca iônica utilizada no tanque de troca iônica. A resina de troca iônica tem a função de substituir íons de magnésio e cálcio encontrados em água por íons de sódio ou potássio dependendo do tipo de resina. Existem dois tipos de resinas de troca iônica, as resinas de catiônicas e as resinas aniônicas. O primeiro tipo é usado para íons carregados positivamente e o outro para íons negativos. A resina utilizada neste projeto é uma resina aniônica feita a partir de sulfonato de poliestireno. Algumas resinas possuem partes catiónica e aniónicas na mesma estrutura, no entanto, no presente projeto o foco é reduzir os íons catiónicos da água bruta que são atraídos pelos íons aniónicos da resina. Por esta razão, a resina utilizada será resina aniônica. Quando a resina é nova, esta possui íons de sódio em seus locais ativos. A figura abaixo mostra a reação química de substituição de Mg + e Ca + por Na +. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 15 Figura 8. Ilustração da Reação de troca iônica o ocorre no interior no filtro de troca iônica Quando a resina está em contacto com água dura, os íons de Magnésio e Cálcio migram para os locais ativos da resina e Ca + e Mg + são substituídos por íons de sódio. O equilíbrio é alcançado quando a concentração de Ca+ e Mg+ diminui. A figura abaixo mostra a substituição de cálcio e magnésio por sódio. Figura 9. Processo ilustrativo de troca iônica. A resina pode ser reutilizada. Para que ocorra a regeneração, a resina deve ser lavada por uma solução rica em íons de sódio, por exemplo NaCl. Então, os íosnde Magnésio e Cálcio são substituídos por sódio até que o novo equilíbrio seja alcançado. 2.6.3 Regeneração da resina de troca iônica Quando a resina de troca iônica atinge o limite máximo de concentração de Ca+ e Mg+, significa que a mesma deve ser regenerada. O processo de regeneração ocorre quando as resinas são lavadas com uma solução salgada (salmoura) em um tanque. O Cloreto de Sódio (NaCl) atua liberando íons de cálcio que foi anexado a resina e atraindo íons de (Na +), em outras palavras o processo de regeneração da resina é o processo contrário de troca iônica. Figure 10. Regeneração da resina de troca iônica com íons de sódio após saturação. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 16 2.6.4 Tanques de Salmoura A etapa de retro-lavagem inverte o sentido do fluxo de água, fazendo que a água proveniente do tanque de Salmoura entre no filtro de troca iônica para realizar a regeneração da resina. A figura abaixa mostra o filtro de troca iônica conectado ao tanque de Salmoura. Figura 11. Tanque de troca iônica conectado ao tanque de Salmoura que é responsável pela regeneração das resinas A reação abaixo no tanque de troca iônica: Ca2+ + R- → R2Ca + H2O R significa resina Mg2+ + R- → R2Mg + H2O Al2+ + R- → R2Mg + H2O A água que sai do filtro de troca iônica possui baixa dureza, contudo pode conter elevada concentração de Sódio. Algumas pessoas podem ter uma restrição alimentar de sódio, neste caso a resina aniónica a base de sódio pode ser substituída por uma a base de potássio. Pessoas com uma dieta baixa em sódio precisam restringir a ingestão de sódio a menos de 2 g / dia. Enquanto o consumo de sódio em uma dieta normal é de 4 g / dia de sódio. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 17 3.0 METODOLOGIA O processo de abrandamento da água consistiu na instalação dos sequintes equipamentos: o Filtro de Sedimentação o Filtro de Carvão ativado o Tanque de troca iônica o Tanque de Salmoura – Brine tank Os amostradores de água foram instalados estrategicamente no início do processo, entre os equipamentos e no final do processo a fim de se obter amostras e determinar seus parâmetros: pH, TDS, salinidade, condutividade elétrica, concentração de Cobre, Carbonato de Cálcio e Cloro. A figura 12 representa o sistema utilizado nesse trabalho composto por filtro de sedimentação, carvão ativado, tanque de troca iônica e tanque de salmoura, respetivamente da esquerda para a direita. Figura 12. Processo composto por filtro de sedimentação, carvão ativado, tanque de troca iônica e tanque de salmoura. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 18 Tipo Equipamento Dimensões Filtro de Sedimento Porosidade= 5 microns Cartucho do Filtro Altura = 35 cm Diâmetro = 10.4 cm Altura = 25.5 cm Carcaça do Filtro Diâmetros = 10.5 cm Porosidade = 20 microns Cartucho do Filtro Altura = 35 cm Filtro de carvão ativado Diâmetro = 10.4 cm Altura = 25.5 cm Carcaça do Filtro Diâmetro = 6.2 cm Diâmetro interno = 1.2 cm Válvula automática Diâmetro externo = 2.2 cm Distribuidor de topo Diâmetro Venturi = 1.1 cm Diâmetro da retrolavagem = 1.6 cm Tanque de troca Iônica Distribuidor da base ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 19 Altura = 190 cm Diâmetro interno (base) = Tanque de Salmoura 30 cm V (cm3) = 𝟑𝟏,𝟎𝟓𝟎 𝒄𝒎𝟑∗𝑳 Tanque 𝟑𝟎 V – Volume Comprimento = 34.5 cm Volume = 31,050 cm 3 Diâmetro externo (top) = 34 cm Capacidade = 130 L Controlador de nível L - Nível Tabela 4. A tabela abaixo mostra as partes constituintes de cada equipamento e suas dimensões A. Coleta de cinco amostras de cada um dos parâmetros abaixo: o pH o Total sólidos dissolvidos o Salinidade o Condutividade Elétrica o Concentração de Cobre o Concentração de Cloro o Concentração de Carbonato de Cálcio B. Início da operação de abrandamento da água o Ligar a torneira cuja deseja-se realizar o processo de abrandamento o Configurar a válvula do trocador iônico na posição serviço C. Coleta das amostras em intervalos de volume: o 0 litros (amostra inicial) o 1000 Litros o 2000 Litros o 3000 Litros ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 20 D. Observar o ponto de saturação do processo, ou seja, em que volume o processo deixa reter carbonato de cálcio E. Realizar a otimização do processo a fim de se determinar o volume exato em que o processo reduz sua eficiência, isto é, deixa de reter carbonato de cálcio. Análise de amostras após os seguintes volumes: o 1100 L o 1300 L o 1400L F. Plotar os valores da concentração de carbonato de cálcio em função do volume G. Comparar os resultados obtidos ao final da optimização com a concentração inicial de CaCO3 no início do processo H. Discussão dos resultados obtidos 3.1 Descrição do Processo O processo de abrandamento da água é composto por filtro de sedimentação, filtro de carvão ativado, tanque de troca iônica e tanque de salmoura. 3.1.1 Tanque de sedimentação Os tanques de sedimentação retêm partículas superiores a 5 microns, o que é 5000 vezes menor que o milímetro. O material retido consiste de sólidos suspensos, cobre e metais pesados. Esses sólidos ficam retidos no cartucho do filtro de sedimentação. Após atingir a saturação o filtro reduz sua capacidade de retenção de partículas, e um novo cartucho deve ser usado a fim de retomar o processo. O percurso da água a ser tratada inicia-se ao lado esquerdo do filtro quando a água entra no tudo de Propileno. A filtração ocorre quando a água entra no cartucho, dentro do cartucho existe um tudo cilíndrico que direciona o filtrado para a saída do filtro no lado direito conforme a figura abaixo. O filtro de sedimentação tem uma eficiência nominal de 85% e 99% absoluta. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 21 Água bruta Água filtrada Água filtrada contém Sólidos partículas menores que suspensos a porosidade do no material filtrante filtranten Figura 13. Princípio de funcionamento do filtro de sedimentação 3.1.2 Filtro de Carvão ativado O filtro de Carvão Ativado tem a função de remover Cloro e halogênios. O cartucho utilizado é formado por cartuchos de carvão altamente poroso com área de 400 a 1600 m2 por grama. A enorme área do carvão ativado possibilita diversos sítios de ligação, onde as partículas de Cloro e Halogênio ficam retidos. O sistema de Carvão ativado também tem a função de capturar impurezas que possuam Carvão como base, por exemple substâncias orgânicas, substâncias odoríferas, caloríferas. Entretanto, o Carvão ativado é inerte a Sódio e Nitrato. Figura 14. Filtro de Carvão ativado ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 22 3.1.3 Coluna Troca Iônica O tanque de troca Iônica é utilizado para a abrandamento da água, isto é, remoção de Cálcio e Magnésio. O processo de troca iônica ocorre como o próprio nome sugere, através da troca entre íons de Cálcio por íons de Sódio. As resinas de troca iônica possuem em sua estrutura molecular radicais que podem ser ácidos ou básicos passíveis a troca de íons em solução. Os íons em solução são os íons que se desejam remover e os íons da resina são os que serão liberados na solução. A resina utilizada nesse tratamento atrai íons de Cálcio da água e libera íons de Sódio no meio, uma vez que a resina é rica em íons de Sódio. A figura abaixo ilustra o mecanismo de troca iônica realizado pelas resinas. Figura 15. Mecanismo de troca iônica 3.1.4 Abrandamento de água A água bruta a ser tratada passa por um leito de resina catiônica forte. Os íons Cálcio e Magnésio, solúveis na água são retidos pelas resinas no grupamento de ácido sulfônico, os íons Na+ da resina são liberados para a água. Quando todos os íons sódio presos ao grupamento de ácido sulfônico foram trocados por cálcio e magnésio, a resina se encontra no estado saturado e necessita então ser regenerada, conforme ilustra as figuras 16 e 17. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 23 A capacidade Abrandador Água dura Muitos litros de abrandar de água depois.... dura está acabando.... Com material Água branda O abrandador Agora é necessária de troca iônica contendo sódio continua a uma regeneração carregado de em troca fornecer água com salmoura para sódio da dureza completamente recarregar o branda material de troca com sódio Figura 16. Eficiência do tanque de troca iônica nos primeiros estágios do processo. Água contendo Ainda dureza em descarregando Remoção do troca do sódio água contendo exceso da Abrandador dureza salmoura de água Com o material de troca outra Salmoura, 15 a 20 minutos A regeneração vez pronto para a fonte mais mais tarde.... está quase trocar sódio por econômica completa dureza e de sódio continuar fornecendo água completamente branda Figura 17. Eficiência do tanque de troca iônica nos estágios finais do processo 3.1.5 Fatores que afetam a capacidade do Abrandador 1- Taxa de vazão Se menor que a especificada: • Aumento do tempo de contato entre a água e o leito de resina • Tendência de surgimento de caminhos preferenciais no leito, com redução de sua eficiência. Se maior que a especificada: • Redução do tempo de contato entre a água e o leito de resina ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 24 • Redução da eficiência de remoção de dureza • Possibilidade de fuga do leito 2- Volume do leito de resina Se menor que o especificado: • Redução do tempo de contato entre a água e o leito de resina • Necessidade de aumento da frequência das regenerações • Maior eficiência alcançada na regeneração Se maior que o especificado: • Aumento do tempo de contato entre água e o leito de resina • A freqüência das regenerações poderá ser diminuída • Menor eficiência alcançada na regeneração causada principalmente pela dificuldade de se conseguir a fluidização do leito 3- Dosagem de sal e regeneração • É fundamental para a eficiência do Abrandador • A dosagem de sal é o que provavelmente tem maior impacto sobre a capacidade do Abrandador. Baixas dosagens de sal podem diminuir a capacidade e aumentar o vazamento de dureza. • A concentração de sal normalmente fica entre 8 e 15% (a salmoura saturada tem 26,6%). Esta salmoura é reduzida numa corrente de diluição e passa através do leito de resina. 3.1.5 Efeito dos elementos no Abrandador • Ferro A presença de ferro na água de alimentação do Abrandador pode afetar severamente a capacidade de troca iônica da resina. O ferro no estado ferroso (dissolvido) pode ser removido da água por resina de troca iônica, porém este processo em geral é irreversível. O ferro penetra no núcleo da resina que não pode ser regenerada. Porém existem resinas novas no mercados especificas para Ferro que são capazes de adsorver e expulsar o ferro na regeneração com salmoura. Estas resinas possuem núcleo fechado. Se o ferro é oxidado previamente, antes que alcance o leito do Abrandador, ele toma uma forma gelatinosa que poderá ser filtrada, sobre ou dentro do leito de resina. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 25 Este precipitado é muito difícil de ser removido do leito e o seu recobrimento das partículas de resina reduzem consideravelmente a sua capacidade de troca. • Cloro: O cloro degrada a estrutura da partícula de resina, dissolvendo e inchando essa estrutura. Ocorre então o desgaste da resina quando ela é lavada. Se a cloração é usada para a oxidação do ferro, etc., deverá ser instalado um filtro de carvão para remover o cloro antes do Abrandador. Antes de leitos de resina devo instalar sempre um filtro com carvão ativado, caso a água seja clorada (devido à incompatibilidade entre as resinas e o cloro); Antes dos leitos de resina devo instalar um filtro de areia ou celulose para redução de particulado, prejudicial a resina. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 26 4.0 RESULTADOS Inicialmente a água bruta da torneira foi analisada em termos de: • pH • Total de sólidos dissolvidos • Salinidade • Condutividade Elétrica • Concentração de Cobre • Concentração de Cloro • Concentração de Carbonato de Cálcio O volume é a variável controlada, as amostras são retiradas diretamente da torneira, após do filtro de sedimentação, Carvão ativado e ao final do processo. 4.1 Concentração de Cloro, Ferro e Carbonato de Cálcio para volumes de 1000, 2000 e 3000 L 4.1.1 Volume zero – Início do processo Para o volume zero temos que os parâmetros analisados são: condutividade Amostra pH Salinidade Elétrica TDS Cloro Cobre(mg/L) Cálcio (ppt) (µS/cm) (mg/L) (mg/L) (mg/L) Água bruta 6.66 453 921 654 1.22 0.18 157 Sedimentação 7.2 452 921 653 1.00 0.265 166 Carvão 7.27 452 921 655 0.69 0.31 150 ativado Saída do 6.93 465 945 669 0.14 (<0.05) (<20) processo Tabela 5. Amostras dos parâmetros analisados para o volume igual a zero. As concentrações de Cloro podem ser representadas graficamente por: ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 27 Cloro - Volume Zero 1.4 1.2 1.22 1 1 0.8 0.6 0.69 0.4 0.2 0.14 0 água bruta filtro de sedimentação filtro de carbono ativado saída Gráfico 1. Concentração de Cloro durante o processo para o volume zero O gráfico acima mostra que a concentração de Cloro inicialmente é de 1.22 mg/L e ao após passar pelo filtro de sedimento reduz para 1 mg/L, 0.69 após do filtro de Carvão ativado e 0.14 após o tanque de troca iônica. A tabela abaixo mostra a remoção de cada equipamento em valor percentual. Equipamento Percentual Filtro de sedimentação 18% Filtro de Carvão ativado 31% Tanque de troca Iônica 79.7% Remoção total ao fim do processo 88.5% Tabela 6. Remoção de Cloro em percentual O filtro de Carvão ativado reduz Halogênios incluindo o Cloro, contudo a análise experimental mostrou que o tanque de troca iônica reduziu quase 80% do Cloro enquanto o filtro de Carvão ativado reduziu em 31%. As concentrações de Cobre podem ser representadas graficamente por: ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração 28 Cobre - Volume zero 0.35 0.3 0.31 0.25 0.27 0.2 0.15 0.18 0.1 0.05 0.03 0 água bruta filtro de sedimento filtro de carbono ativado saída Gráfico 2. Remoção de Cobre ao longo dos equipamentos para o volume zero A concentração de cobre aumentou da entrada até o filtro de Carvão ativado, indo de 0.18 mg/L a 0.31 mg/L o que significa um aumento de 41.9% o que é explicado pelo desprendimento de cobre da tubulação. A concentração de cobre, entretanto, reduz em 90% do filtro de Carvão ativado ao final do processo. Os valores numéricos obtidos na análise de Carbonato de Cálcio podem ser representados graficamente por: Dureza - Volume Zero 180 160 166 140 157 150 120 100 80 60 40 20 19 0 Água bruta Filtro de Sedimento F1iltro de carbono ativado Saída Gráfico 3. Concentração de Carbonato de Cálcio durante o processo para o volume zero ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração (mg/L) 29 A concentração de carbonato de Cálcio reduziu em 87.9% ao final do tanque de troca iônica, o que já é esperado uma vez que a resina iônica utilizada no tanque é rica em íon de Sódio que são trocados por íons de cálcio, promovendo assim a troca iônica e consequentemente o abrandamento da água. Limites de parâmetros utilizados para classificar a água como potável via regulamento Australiano são: Parâmetro Limite de potabilidade pH 6.5 – 8.5 Concentração de Cobre <1.3 mg/L Concentração de Carbonato de Cálcio 0 – 60 mg/L Concentração de Cloro <3 mg/L TDS <500 ppm Condutividade Elétrica <750 µS/cm Salinidade <600 mg/L Tabela 7. Limites de potabilidade O limite de dureza em termos de Carbonato de Cálcio é classificado como: • Água potável 0 – 60 mg/L • Água moderadamente dura 61 – 120 mg/L • Água dura >120 mg/L 4.1.2 Volume 1000 L A tabela abaixo mostra os dados experimentais realizados das amostras de água bruta, filtro de sedimentação, Carvão ativado e saída do processo após o tratamento de 1000 L de água da torneira. pH Salinidade Condutividade Total Sólidos Cloro Cobre Carbonato (ppt) Elétrica (µS/cm) Dissolvidos (TDS) (mg/L) 110(mg/L) 153 de Cálcio (201) Água bruta 6.66 453 921 654 1.22 0.18 157 Filtro de Sedimento 7.2 452 921 653 1.00 0.265 166 Filtro Carbono 7.27 452 921 655 0.69 0.31 150 ativado ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 30 Saída 6.93 465 945 669 0.14 (<0.05) (<20) Tabela 8. Amostras dos parâmetros analisados para o volume igual a 1000 L A concentração de Cloro ao longo do processo pode ser representada graficamente por: Cloro - Volume 1000 L 1.2 1.08 1 0.93 0.8 0.72 0.6 0.4 0.2 0.03 0 Agua bruta Filtro Sedimentação Filtro de Carbono ativado Saída Gráfico 4. Concentração de Cloro após 1000 Litros O gráfico acima mostra que a concentração de Cloro inicialmente é de 1.08 mg/L e após passar pelo filtro de sedimento reduz para 0.93 mg/L, 0.72 após do filtro de Carvão ativado e 0.03 após o tanque de troca iônica. A tabela abaixo mostra a remoção de cada equipamento em valor percentual. Equipamento Percentual de remoção Filtro de sedimentação 13.8% Filtro de Carvão ativado 22.5% Tanque de troca Iônica 95.8% Remoção total ao fim do processo 97.2% Tabela 9. Remoção de Cloro em percentual Conforme a literatura o filtro de Carvão ativado reduz Halogênios incluindo o Cloro, contudo a análise experimental mostrou que o tanque de troca iônica reduziu quase 95.8% do Cloro enquanto o filtro de Carvão ativado reduziu em 22.5%. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 31 A concentração de Cobre ao longo do processo pode ser representada graficamente por: Cobre 0.45 0.39 0.4 0.37 0.35 0.3 0.25 0.2 0.17 0.15 0.1 0.08 0.05 0 Agua bruta Filtro Sedimentação Filtro de Carbono Saída ativado Gráfico 5. Remoção de Cobre ao longo dos equipamentos para 1000 L A concentração de cobre aumentou desde da entrada de água bruta no processo até o filtro de Carvão ativado, indo de 0.17 mg/L a 0.37 mg/L, um aumento de 45.9% o que é explicado pelo desprendimento de cobre da tubulação ao decorrer do processo. A concentração de cobre, entretanto, reduz em 78.4% do filtro de Carvão ativado ao tanque de troca iônica. Os valores numéricos de concentração obtidos na análise de Carbonato de Cálcio ao longo do processo podem ser representados graficamente por: Carbonato de Cálcio 180 165 168 160 160 140 120 100 80 60 40 23 20 0 Agua bruta Filtro Sedimentação Filtro de Carbono Saída ativado Gráfico 6. Remoção de Carbonato de Cálcio ao longo dos equipamentos para 1000L ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 32 A concentração de carbonato de Cálcio reduziu em 86.1% ao final do tanque de troca iônica, o que já é esperado uma vez que a resina iônica utilizada no tanque é rica em íon de Sódio que são trocados por íons de cálcio, promovendo assim a troca iônica e consequentemente o abrandamento da água. 4.1.3 Volume 2000L A tabela abaixo mostra os dados experimentais realizados das amostras de água bruta, filtro de sedimentação, Carvão ativado e saída do processo após o tratamento de 2000 L de água da torneira. Condutivida TDS Cloro Carbonat pH Salinidad de Elétrica (mg/L 110(mg/ Cobre o de e (ppt) (µS/cm) ) L) 153 Cálcio (201) Água 6.6 bruta 6 453 921 654 1.22 0.18 157 Filtro de sediment 70.2 449 910 647 0.82 0.36 172 o Filtro de Carbono 7.27 452 921 655 0.64 0.35 161 Ativado Saída 7.06 446 919 669 0.03 0.2 169 Tabela 10. Propriedades para o volume 2000 L A concentração de Cloro ao longo do processo pode ser representada graficamente por: Concentração de Cloro 1.2 1.08 1 0.82 0.8 0.64 0.6 0.4 0.2 0.03 0 Agua bruta Sediment sample Activated carbon Outlet (clean) ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 33 Gráfico 7. Remoção de Cloro ao longo do processo para um volume de 2000 L O gráfico acima mostra que a concentração de Cloro inicialmente é de 1.08 mg/L e após passar pelo filtro de sedimento reduz para 0.82 mg/L, 0.64 após do filtro de Carvão ativado e 0.03 após o tanque de troca iônica. A tabela abaixo mostra a remoção de cada equipamento em valor percentual. Equipamento Percentual de remoção Filtro de sedimentação 24.1% Filtro de Carvão o ativado 21.9% Tanque de troca Iônica 95.3% Remoção total ao fim do processo 97.2% Tabela 11. Remoção de Cloro em percentual Conforme a literatura o filtro de Carvão ativado reduz Halogênios incluindo o Cloro, contudo a análise experimental mostrou que o tanque de troca iônica reduziu quase 95.3% do Cloro enquanto o filtro de Carvão ativado reduziu em 21.9%. A concentração de Cloro ao longo do processo pode ser representada graficamente por: Concentração de Cobre 0.4 0.36 0.35 0.35 0.3 0.25 0.2 0.2 0.17 0.15 0.1 0.05 0 Agua bruta Sediment sample Activated carbon Outlet (clean) Gráfico 8. Remoção de Cloro ao longo do processo para um volume de 2000 L A concentração de cobre aumentou em 52.7% da água bruta ao filtro de sedimentação, mantendo-se ligeiramente constante do filtro de sedimento ao do Carvão ativado. O desprendimento de cobre da tubulação no decorrer do processo ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração (mg/L) 34 causa a aumento da concentração de cobre do início do processo até a saída do Carvão ativado. A concentração de cobre, entretanto, reduziu em 42.9% do filtro de Carvão ativado ao tanque de troca iônica. Os valores numéricos de concentração obtidos na análise de Carbonato de Cálcio ao longo do processo podem ser representados graficamente por: Carbonato de Cálcio 174 173 172 170 169 168 166 165 164 162 161 160 158 156 154 Agua bruta Sediment sample Activated carbon Outlet (clean) Gráfico 9. Remoção de Carbonato de Cálcio ao longo do processo para um volume de 2000 L A concentração de carbonato de Cálcio aumentou de 2.4 % da água bruta ao tanque de tranque de troca iônica. O que é um indício de que as resinas de troca iônica atingiram a saturação e precisam ser regeneradas. 4.1.4 Volume 3000 L A tabela abaixo mostra os dados experimentais realizados das amostras de água bruta, filtro de sedimentação, Carvão ativado e saída do processo após o tratamento de 2000 L de água da torneira. pH Salinidad Condutivida TDS Cloro Cobre Cálcio e (ppt) de Elétrica (mg/L 110(mg/(µS/cm) ) L) 153 (201) Água 6.6 bruta 6 450 908 650 1.08 0.17 165 Filtro de Sediment 7.2 450 914 649 0.45 0.61 152 o ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração (mg/L) 35 Filtro de Carvão 7.27 448 940 645 0.4 0.55 161 ativado Saída 9.93 455 925 655 0.02 0.17 177 Tabela 12. Propriedades para volume de 3000 Litros A concentração de Cloro ao longo do processo pode ser representada graficamente por: Concetração Cloro 1.2 1.08 1 0.8 0.6 0.45 0.4 0.4 0.2 0.02 0 Água bruta Sedimento Carbono Ativado Tanque de troca Amostra Iônica Gráfico 10. Remoção de Cloro ao longo do processo para um volume de 3000 L O gráfico acima mostra que a concentração de Cloro inicialmente é de 1.08 mg/L e após passar pelo filtro de sedimento reduz para 0.42 mg/L, 0.4 após do filtro de Carvão ativado e 0.02 mg/L após o tanque de troca iônica. Conforme a literatura o filtro de Carvão ativado reduz Halogênios incluindo Cloro, contudo a análise experimental mostrou que o tanque de troca iônica reduziu quase 95% do Cloro enquanto o filtro de Carvão ativado reduziu em 11%. A concentração de Cobre ao longo do processo pode ser representada graficamente por: ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração de Cloro (mg/L) 36 Concentração de Cobre 0.7 0.61 0.6 0.55 0.5 0.4 0.3 0.2 0.17 0.17 0.1 0 Água bruta Sedimento Carbono Ativado Tanque de troca Iônica Gráfico 11. Remoção de Cobre ao longo do processo para um volume de 3000 L A concentração de cobre aumentou em 72% da água bruta ao filtro de sedimentação, do filtro de sedimentação ao de Carvão ativado houve uma redução de 9.8% da concentração de Cobre. O desprendimento de cobre da tubulação no decorrer do processo causa a aumento da concentração de cobre do início do processo até a saída do filtro de sedimento. A concentração de cobre, entretanto, reduziu em 69% do filtro de Carvão ativado ao tanque de troca iônica. Os valores numéricos de concentração obtidos na análise de Carbonato de Cálcio ao longo do processo podem ser representados graficamente por: Carbonato de Cálcio 180 177 175 170 165 165 160 155 152 151 150 145 140 135 Água bruta Sedimento Carbono Ativado Tanque de troca Iônica Gráfico 12. Remoção de Carbonato de Cálcio ao longo do processo para um volume de 3000 L ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração Carbonate de Cálcio Concentração de Cobre 37 A concentração de carbonato de Cálcio aumentou em 7% da água bruta ao tanque de tranque de troca iônica. O que é um indício de que as resinas de troca iônica atingiram a saturação e precisam ser regeneradas. 4.2 Variação de concentrações para diferentes volumes A concentração do Cloro, Cobre e Carbonato de Cálcio será analisada em termos de volume em um único gráfico. Os dados obtidos das concentrações foram obtidos na saída do tanque de troca iônica ou saída do processo. O gráfico abaixo mostra a variação da concentração de Cloro na saída do tanque para os volumes de 1000, 2000 e 3000 L. Variação de Cloro por volume 0.16 0.14 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.03 0.03 0.02 0.01 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Volume Gráfico 13. Variação da concentração de Cloro para os volumes de 1000, 2000,3000 L O gráfico abaixo mostra a variação da concentração de Cobre na saída do tanque para os volumes de 1000, 2000 e 3000 L. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Concentração de Cloro 38 Variação de Cobre com o volume 0.25 0.2 0.2 0.17 0.15 0.1 0.08 0.05 0.03 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 volume (L) Gráfico 14. Variação da concentração de Cobre para os volumes de 1000, 2000,3000 L O gráfico abaixo mostra a variação da concentração de Cobre na saída do tanque para os volumes de 1000, 2000 e 3000 L. Variação de dureza com o volume 200 177 180 169 160 140 120 100 80 60 40 23 15 20 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Volume (L) Gráfico 14. Variação da concentração de Dureza para os volumes de 1000, 2000,3000 L 4.3 Otimização – determinação do volume de saturação de carbonato de cálcio ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Contração de Carbonato de Cálcio (mg/L) Concentração de Cobre (mg/L) 39 A fim de regenerar as resinas de troca iônica, o sistema passou pela retro- lavagem. Seguindo este processo, recolheram-se amostras para testar a dureza. A concentração inicial da amostra recolhida após a regeneração estava abaixo do limite de água mole, isto é 20 mg/L. Como é evidente a partir da tabela abaixo, após um volume de 1000 L passar pelo sistema, a concentração de CaCO3 apresentou um valor de 53 mg / L, considerado aceitável para o consumo segundo as normas de potabilidade da Austrália. Amostras foram coletadas em intervalos de volume com base na comparação de amostras anteriores. A tabela abaixo compara os padrões de potabilidade do Brasil e da Austrália. Classificação Volume Concentração de CaCO3 Classificação da da Água (L) (mg/L) Água (Austrália) (Brasil) 0 <20 Muito mole Muito mole 1000 53 Muito mole Muito mole 1100 78 Mole (branda) Mole (branda) 1300 98 Mole (branda) Mole (branda) 1400 124 dura Mole (branda) Tabela13. Comparação da dureza da água conforme a legislação Australiana e Brasileira O limite mínimo de dureza da água pode ser encontrado a partir da seguinte interpolação: ++,,-. = /0-1, (Equação 2) .-+,,, 1,-23 Volume máximo necessário para atingir a concentração de 60 mg/L: X = 1028 L Da mesma forma, o limite de água de dureza branda é de 120 mg / L. Para determinar o volume necessário para atingir esta concentração foi aplicada uma interpolação de 110 L (78 mg / L) e 1400 L (124 mg / L): +4,,-. = +54-+5, (Equação 3) .-++,, +5,-/0 Volume máximo necessário para atingir a dureza moderada ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 40 X = 1374 L Se o processo correr mais de 1374 L sua concentração de dureza será acima de 120 mg / L, portanto, ele será considerado água dura. A tabela abaixo mostra os volumes necessários para atingir os limites de concentração de dureza - Água macia, Água moderadamente dura e água dura. Status Concentração Volume (mg/L) (L) Água mole 0-60 1028 Água branda 61-120 1374 Água dura >120 > 1374 Tabela 14. Volume de saturação para os limites de dureza O gráfico abaixo representa a relação entre volume e concentração. Ele mostra como o processo fica saturado com o incremento do volume. Otimização: Dureza 180 154 159 153 160 140 124120 120 98 100 78 80 60 Limite de água branda 53 60 40 20 Limite de água mole 0 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Volume (L) Tabela 15. Limites de dureza conforma a variação de volume 5.0 ANÁLISE DE CUSTO O custo do projeto inclui cartuchos, filtros, tubulação, mão de obra, custo com utilitários, reagentes e calorímetro. O custo total pode ser observado na tabela abaixo: ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN Dureza (mg/L) 41 Cartuchos & Mão de Custo da Filtros Tubulação obra Utilitários análise Total preço $1.459,64 $173,13 $509,36 $8,80 $2.251,90 $4.405,49 Tabela 15. Custo total do projeto 6.0 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS O resultado das análises mostra que cada componente analisado possui um comportamento singular que precisa ser analisado individualmente. Então, temos que para: 6.1 Cloro A concentração de Cloro coletada ao final do processo de abrandamento mostrou uma redução de: • 88.5% para o volume inicial (V=0) • 97.2% de redução após 1000 e 2000L • 98% de redução após 3000L O processo desenvolvido nesse trabalho foi muito eficiente para remoção de Cloro, uma vez que o sistema obteve um percentual de redução de 98% após um volume de 3000 Litros. O sistema não atingiu a saturação de Cloro, o que significa que o mesmo pode ser amplamente utilizado para volumes de água superiores a 3000 Litros. 6.2 Cobre A concentração de cobre reduziu inicialmente em: • 83% para o volume inicial (V=0) • 53% para o volume de 1000L Contudo, houve um aumento da concentração de Cobre em: • Aumentou de 15% para o volume 2000L • Após 2000 L, a concentração manteve-se constante ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 42 Pode-se inferir que o sistema saturou de Cobre após 2000 Litros e manteve-se a concentração de Cobre constante para volume de 3000 L. 6.3 Carbonato de Cálcio A concentração inicial de Carbonato de Cálcio foi reduzida em: • 88% inicialmente (V=0) • 86% para o volume de 1000L Após o volume de 2000 L, houve um aumento da dureza da água em: • 2.4% para o volume de 2000 L • 6.6% para o volume de 3000 L A concentração de dureza da água variou entre 23 a 169 ppm entre os volumes de 1000 e 2000 L. Para o volume de 3000L a concentração aumentou para 177 ppm. Os limites de abrandamento desenvolvido nesse trabalho podem ser classificados de acordo com o máximo de volume tratado pelo sistema em: • Muito mole: 1028 L • Mole (branda): 1374 L • Água dura: acima de 1375 L 7.0 CONCLUSÃO O projeto de abrandamento de água desenvolvido em parceria com a empresa Australiana “All chemical Manufacturing & Consultancy” levou às seguintes conclusões: • O projeto mostrou-se eficaz na redução de Cloro mg/L entre os volumes de 0 a 3000 L onde alcançou uma remoção final de Cloro de 98% • A concentração de Cobre em mg/L reduziu em 56% entre os volumes de 0 a 1000 L ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 43 • A concentração de Carbonato de Cálcio reduziu 85% entre os volumes de 0 a 1000 L Para volumes superiores a 1000L não foi possível verificar aumento significativo na redução de Cobre e Carbonato de Cálcio e para valores acima de 2000 L foi possível constatar um aumento da concentração de Carbonato de Cálcio e Cloro, causado pela saturação do sistema, o que significa que a regeneração deve ser realizada logos após atingir-se volumes superiores a 2000 L. 8.0 PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS A fim de melhorar o sistema em análise uma possível mudança para os próximos projetos está ligada a substituição de tubos de cobre por tubos de PVC, uma vez que este não irá acarretar o desprendimento de cobre durante o processo, influenciando assim no aumento da concentração de Cobre durante o processo. ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 44 9.0 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA BRAGA, A. R. et al. Educação ambiental para gestão de recursos hídricos. Livro de Orientação ao Educador. Americana: Consórcio PCJ, 2003. 251p., il. Sengupta, Pallav. Potential Health Impacts of Hard Water. Agosto.2013. Disponível em : . Acesso em: 3 maio 2017. Kevin, Anderson; Ed, Chescattie. Fev. 2003. Incorporation filter bed expansion measurements into your backwashing routine. Pennsylvania Department of Environmental Protection Harrisburg. Disponível em: < http://files.dep.state.pa. us/water/BSDW /AboutWaterSupply/FPPE/filter_bed_expansion.pdf> Acessado em: 5 Fev. 2017. McMillan Greg. Batch vs. Continuous Control and Optimization – Part 1. Nov. 2016. Modeling and Control Dynamic World of Process Control. Disponível em: < http://modelingandcontrol.com/2011/09/batch-vs-continuous-control-and- optimization -part-1/> Acesso em: 16 Fev. 2017. Home Plus water. 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F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN 46 Farias, Ricardo. Entenda a unidade Micra e aprenda a escolher um Filtro de água. Jan. 2013. Disponível em: < https://viafiltrosshop.com.br/blogviafiltros/art igos_sobre_filtros_para_agua/entenda-unidade-micra-e-aprenda-escolher-um-filtro- de-agua/>. Acesso em: 08 Fev. 2017. Ruthven, Douglas M. Principles of adsorption and adsorption processes. Jun. 1984. 1. Ed. New York: Jonh Willey & Sons, 1984. p 17-20. Harbauer Berlin. Tratamento de águas contaminadas com a utilização de Carbono Ativado. Out. 2012. Disponível em: < http://www.harbauer- berlin.de /processos/adsorcao-de-carvao-ativado-para-a-agua/?L=4 > Acesso em: 01 Jan. 2017. Ecohouse. Tratamento de água: Abrandamento. 2013. Disponível em: . Acesso em: 05. Jan.2017 ___________________________________________________________________________ Izana Manuela A. F. de Medeiros Trabalho de Conclusão de Curso – DEQ/UFRN