UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ

ÁREA DE CIÊNCIAS EXATAS E AMBIENTAIS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA

Sedimentação

Andressa Karina Roso

Henrique Hoelscher

Rafael Henrique Martello

Chapecó, Abril de 2015.

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15

Universidade Comunitária da Região de Chapecó

Área de Ciências Exatas e Ambientais

Curso de Engenharia Química

Ensaio de Sedimentação

Relatório de aula prática apresentado ao Curso de

ENGENHARIA QUÍMICA da UNOCHAPECÓ

pelos acadêmicos Andressa, Rafael e Henrique, como

parte dos requisitos de avaliação da Disciplina de

Laboratório para Engenharia Química I.

Professor:

MURILO CÉSAR COSTELLI

Chapecó, Abril de 2015.

RESUMO

Sedimentação consta na separação de sólidos que estão suspensos em um fluido por

meio da força gravitacional, dividindo o fluido em duas fases, uma sendo de um líquido límpido

na parte superior, e outra de lama com alto teor de sólidos na parte inferior. Foram feitos em

laboratório ensaios de sedimentação descontinua em provetas a fim de determinar a área de um

sedimentador contínuo para operar com 10 ton/h de uma suspensão aquosa de carbonato de

cálcio (CaCO3) 50 g/L. Agentes floculantes foram utilizados e pode-se observar que a cola é

um bom floculante, pois aumenta a velocidade de sedimentação das partículas em suspensão,

diminuindo assim a área (114,58m²) do sedimentador de acordo com o método de Kinch. Uma

vez que a cola é um agente floculante tensoativo, que possui a característica de arrastar consigo

as partículas finas de difícil decantação, fazendo com que o peso dos flocos formados aumente

e decante com maior rapidez.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ ii

LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. iii

SÍMBOLOGIA .......................................................................................................................... iv

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 7

2.1 – SEDIMENTAÇÃO INDUSTRIAL ............................................................................... 8

2.2 – DIMENSIONAMENTO DE SEDIMENTADORES .................................................. 11

2.2.1 – Método de Coe e Clevenger .................................................................................. 12

2.2.2 – Método de Roberts .......................................................................................... 13

2.3 – FLOCULAÇÃO/COAGULAÇÃO ............................................................................. 14

2.3.1 – GRUPOS DE FLOCULANTES ........................................................................... 14

2.3.2 – PREPARO E USO ................................................................................................ 15

2.3.3 – CLORETO FÉRRICO .......................................................................................... 16

2.3.4 – SULFATO DE ALUMÍNIO ................................................................................. 16

2.3.5 – SÍLICA ATIVADA ............................................................................................... 17

2.3.6 – POLÍMEROS SINTÉTICOS ................................................................................ 17

2.3.7 – POLIACRILAMINA ............................................................................................ 17

3. METODOLOGIA ............................................................................................................. 19

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................ 20

4.1 Método de Roberts. ......................................................................................................... 21

4.2 Método de Coe Clevenger. ............................................................................................. 24

4.3 Calculo da Constante da Suspensão (i) ........................................................................... 26

5. CONCLUSÕES ................................................................................................................. 28

6. REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 29

6. ANEXOS .............................................................................................................................. 31

6.1 Método de Roberts .......................................................................................................... 31

6.2 Método de Coe Clevenger. ............................................................................................. 32

6.3 Calculo da compressão da lama (i) ................................................................................. 32

ii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Etapas da sedimentação.......................................................................................... 8

Figura 2.2 – Zonas de sedimentação num sedimentador contínuo (FONTE: Foust et. al. 1982,

p. 555). ........................................................................................................................................ 9

Figura 2.3 – Construção gráfica do método de Roberts (FONTE: Gomide, 1980, p. 58) ........ 14

Figura 4.1 – Gráfico de Z x Tempo. ......................................................................................... 20

Figura 4.2 – Gráfico de Concentração x velocidade. ............................................................... 21

Figura 4.3 – Gráfico Monolog sem Floculante......................................................................... 22

Figura 4.4 – Gráfico Monolog para o Floculante A (Sulfato de Alumínio). ............................ 22

Figura 4.5 – Gráfico Monolog para o Floculante B (Cola). ..................................................... 23

Figura 4.6 – Concentração por Área (Sem Floculante). ........................................................... 24

Figura 4.7 – Concentração por Área (Floculante A). ............................................................... 25

Figura 4.8 – Concentração por Área (Floculante B). ............................................................... 25

Figura 4.9 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Sem Floculante)...................... 26

Figura 4.10 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Sulfato de Alumínio). ........... 26

Figura 4.11 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Cola). .................................... 27

Figura 6.1 – Aproximação da reta tangente para obtenção de Zj e Zc (Sem Floculante). ....... 31

iii

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1 – Valores obtidos a partir do método de Roberts. .................................................. 23

Tabela 4.2 – Valores da Amin e da área Real. ......................................................................... 23

Tabela 4.3 – Valores da Amin e da área Real por Coe Clevenger. .......................................... 25

iv

SÍMBOLOGIA

Símbolo Nomenclatura Unidade

u Velocidade m/s

Z Altura do sedimento ao longo do tempo cm

t ou θ Tempo s

tc Tempo no ponto crítico s

Amin Área de um sedimentador contínuo pelo método de Roberts m²

A Área de um sedimentador contínuo pelo método de Kynch m²

C0 Concentração inicial Kg/m³

C Concentração no ponto crítico pelo método de Kynch Kg/m³

Cc Concentração no ponto crítico pelo método de Roberts Kg/m³

Ce Concentração final do espessamento Kg/m³

Z0 Altura inicial do sedimento cm

Zf Altura final cm

Zj Altura no ponto crítico pelo método de Roberts cm

QACA Vazão mássica Kg/s

i Constante da Suspensão -

5

1. INTRODUÇÃO

A sedimentação é a separação ou concentração parcial de partículas solidas suspensas

em um líquido por decantação (sedimentação gravitacional). A sedimentação pode ser dividida

em duas operações funcionais de espessamento e clarificação. A proposta do espessador é

aumentar a concentração dos sólidos suspensos na corrente de alimentação enquanto que a

clarificação visa obter um efluente claro e límpido. As duas operações são similares e ocorrem

simultaneamente. (DAHLSTROM et al., 1999).

Os tipos de sedimentação encontrados na tecnologia de processos são amplamente

afetados não somente pelos fatores óbvios (tamanho de partículas, viscosidade do líquido,

densidades das soluções e do sólido), mas também pelas características das partículas dentro

da suspensão diluída.

As operações de sedimentação industrial podem ser efetuadas continuamente ou

descontinuamente em equipamentos denominados tanques de decantação ou decantadores

(espessadores ou clarificadores). O equipamento decantador é um espessador quando o

produto a que visa é a lama decantada, como, por exemplo, num tratamento de minério. O

decantador é um clarificador quando a operação visa a obter um liquido límpido, como no

tratamento de água. O equipamento nada mais é que um tanque cilíndrico com aberturas para

a alimentação da suspensão e retirada do produto. Depois do período preestabelecido de tempo,

o líquido puro é decantado até que a lama aparece no fluido efluente. A lama é removida do

tanque através da abertura do fundo (FOUST et al., 1982).

O objetivo de um decantador contínuo é o de partir de uma suspensão com uma

concentração inicial de sólidos e, através do processo de sedimentação, obter uma suspensão

com concentração mais elevada. Os cálculos necessários para o projeto de um decantador

contínuo são governados pelas características de sedimentação dos sólidos na suspensão. Exige

a especificação da área da seção reta e da profundidade. É possível, a partir das informações

da sedimentação descontinua, projetar uma unidade capaz de produzir, de maneira contínua,

um produto com características especificadas (FOUST, et al., 1982).

As medições de laboratório constituem os ensaios mais satisfatórios para determinar as

características de sedimentação de uma dada suspensão ou de uma lama. Embora sejam ensaios

descontínuos, a análise de seus resultados é útil para o projeto de sedimentadores que operam

continuamente.

A área necessária à operação do decantador é determinada pela camada que exige a

maior área para permitir a passagem a uma massa unitária de sólidos, por isso é necessário

6

determinar a concentração desta camada. A área mínima do decantador é obtida pelo método

desenvolvido por Talmadge e Fitch, onde o ensaio de proveta é a base para o procedimento.

A velocidade de sedimentação de uma partícula é função de vários parâmetros, como

a densidade da partícula, a densidade do fluido, o diâmetro da partícula e a viscosidade do

fluido. Sendo assim, se faz necessário um estudo minucioso de modo a verificar qual parâmetro

exerce maior influência na velocidade de sedimentação. Para partículas com características

definidas, as propriedades reológicas e densidade do fluido são as variáveis que mais afetam a

velocidade de sedimentação da partícula. Levando-se em conta que essas variáveis atuam

simultaneamente, a avaliação da capacidade de carreamento de um fluido se torna muito

complexa. (ALMEIDA, 2007, p. 02).

Objetivou-se com esta prática dimensionar um sedimentador contínuo para operar com

10ton/h de uma suspensão aquosa de carbonato de cálcio (CaCO3), sendo que a alimentação

deve ter uma concentração de 50g/L e pretende-se que a lama tenha uma concentração de

100g/L, utilizando o método de Coe Clevenger e Roberts, além de verificar a influência dos

floculantes, que posteriormente, com os resultados obtidos, constatações serão feitas para

verificar o melhor resultado.

7

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A separação de uma suspensão diluída pela sedimentação gravitacional, até se ter um fluido

límpido e uma lama com maior teor de sólidos, é denominada a sedimentação. O mecanismo

da sedimentação pode ser descrito, da melhor forma, através da observação dos efeitos que

ocorrem num ensaio de sedimentação dos sólidos numa suspensão colocada numa proveta

(FOUST, 1982, p. 554).

Em princípio, a decantação é equivalente a sedimentação, podendo ser relacionado com

alguns fatores que influenciam o processo, tais como: a dependência da concentração das

partículas sólidas (livre ou retardada); fatores que controlam a velocidade de decantação: s, ,

Dp, forma das partículas e viscosidade do meio (T).

Utiliza-se o processo de sedimentação (decantação) para diferentes finalidades, como

na clarificação de líquidos, no espessamento de suspensões e na lavagem de sólidos.

As partículas solidas podem ser separadas de líquidos por filtração, por centrifugação

ou por sedimentação (FOUST, 1982, p. 15).

Logo que o processo de sedimentação principia, todas as partículas começam a

sedimentar e, por hipótese, aproximam-se rapidamente das respectivas velocidades terminais,

em condições de sedimentação obstada. Estabelecem-se zonas de concentração diferentes

(Figura 01). A zona D é de sólidos sedimentados que inclui, predominantemente, as partículas

mais pesadas, com sedimentação mais rápida (FOUST, 1982, p. 555).

A zona C é uma região de distribuição variável de tamanhos e de concentração não-

uniforme. A zona B é uma zona de concentração uniforme, com aproximadamente a mesma

concentração e distribuição que a inicial (FOUST, 1982, p. 555).

À medida que a sedimentação continua, as alturas de cada zona variam. Finalmente,

chega-se a um ponto em que B e C desaparecem, e todos os sólidos estão em D; este é conhecido

como o ponto de sedimentação crítico (Figura 1) – isto é, o ponto em que uma única interface

nítida forma-se entre o liquido límpido e os sedimentos. O processo de sedimentação, daí por

diante, consiste na compressão lenta dos sólidos, com a expulsão do liquido retido entre os

sólidos para a zona límpida. As velocidades de sedimentação são muito pequenas nesta lama

grossa. (FOUST, 1982, p. 555).

8

2.1 – SEDIMENTAÇÃO INDUSTRIAL

As operações de sedimentação industrial podem ser efetuadas descontinuamente ou

continuamente em equipamentos denominados tanques de decantação (espessadores ou

clarificadores). No processo descontínuo o tanque é cheio pela solução diluída e a suspensão

fica em repouso, sedimentando. Depois de um tempo estabelecido, o líquido puro é decantado

até que a lama aparece no fluido efluente. (FOUST, 1982, p.555)

O processo de sedimentação pode ser descrito observando-se os efeitos que ocorrem

num ensaio de sedimentação dos sólidos numa suspensão colocada em uma proveta, como

mostra a figura a seguir. (FOUST, 1982, p.555)

Figura 2.1 – Etapas da sedimentação.

Inicialmente podemos observar que a concentração é uniforme, após alguns instantes há

a formação de 4 zonas.

A zona A é o líquido limpo, a zona B contém concentração uniforme, a zona C é uma

região de distribuição variável de tamanhos e de concentração não uniforme, a zona D é o ponto

de sedimentação crítico, onde todas as partículas se encontram compactadas, a velocidade de

sedimentação é muito pequena nesta região.

Os decantadores contínuos são tanques rasos, de grande diâmetro, onde operam grades

que giram lentamente e removem a lama. (FOUST, 1982, p.555).

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Valores típicos das variáveis no sedimentador:

¾ Conc. sólidos na alimentação: 1 a 10% em peso

¾ Conc. sólidos no lodo: 5 a 70% em peso

¾ Raio do sedimentador: até 100m

¾ Altura do sedimentador: até 10m

¾ Número de rotações do raspador: 2 a 30rot/h

¾ Dimensão partículas sólidas: > 50 µm

Figura 2.2 – Zonas de sedimentação num sedimentador contínuo (FONTE: Foust et. al. 1982,

p. 555).

Pode haver decantação livre ou retardada, mas de um modo geral, fatores que controlam

a velocidade de decantação do solido através do meio resistente são as densidades do solido e

do liquido, o diâmetro e a forma das partículas e a viscosidade do meio (GOMIDE, 1980, p. 40

e 41).

A decantação retardada pode ocorrer com a utilização de agentes floculantes, que,

segundo GOMIDE, consiste em aglomerar as partículas à custa das forças de Van Der Walls,

que originam os flocos de maior tamanho que os das partículas isoladas.

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O grau de floculação de uma suspensão depende de dois fatores antagônicos: 1º) a

probabilidade de haver o choque entre as várias partículas que vão formar o floco; 2º) a

probabilidade de que, depois da colisão, elas permaneçam aglomeradas. O primeiro fator

depende de energia disponível das partículas em suspensão e, por este motivo, um agitação

branda favorece os choques, aumentando o grau de floculação. Se a agitação for muito intensa,

haverá tendência à desagregação dos aglomerados formados (GOMIDE, 1980, p. 41).

A probabilidade dos aglomerados recém-formados não se desagregarem

espontaneamente pode ser aumentada com o emprego de floculantes, que são de quatro tipos:

1) eletrólitos, que eliminam as forças de repulsão que favorece a dispersão;

2) Coagulantes, que arrastam consigo, durante a decantação, as partículas finas existentes em

suspensão. O silicato de cálcio é utilizado com freqüência.

3) Agentes tensoativos e materiais como amigo, gelatina e cola, que decantam e arrastam

consigo os finos de difícil de decantação.

4) Polieletrólitos, que são polímeros de cadeias longas com um grande numero de pontos ativos

nos quais partículas solidas se fixam.

A suspensão é injetada pelo meio do tanque. Em torno da borda do tanque estão os

vertedores para o líquido límpido. As grades servem para raspar a lama, conduzindo-a para o

centro do fundo, por onde é descarregada. A agitação das grades deve ser lenta para não haver

dispersão da lama. (FOUST, 1982, p.555).

Quando durante a sedimentação as colisões são muito freqüentes porque partículas estão

muito próximas umas das outras ou porque a operação é conduzida com esse intuito, a

sedimentação é dita retardada ou com interferência (GOMIDE, 1980, p. 12).

Na sedimentação com interferência a velocidade real é menor do que na prevista pelas

expressões por diversas razões: 1ª) havendo maior restrição ao escoamento das partículas a

resistência é maior; 2ª)a densidade do meio e a viscosidade são maiores neste caso; 3ª) havendo

grande concentração de sólidos decantando na suspensão, haverá escoamento de fluido em

sentido contrario ao das partículas durante a decantação (GOMIDE, 1980, p. 13).

Numa operação descontinua de sedimentação, conforme a ilustrada, as alturas de várias

zonas variam com o tempo. Num equipamento que opera continuamente, as mesmas zonas

estarão presentes (FOUST, 1982, p. 555).

11

2.2 – DIMENSIONAMENTO DE SEDIMENTADORES

As taxas de sedimentação e as alturas relativas de varias regiões variam amplamente

durante a sedimentação das lamas diluídas. A taxa inicial é uma função da concentração da

alimentação, mas nos estágios posteriores a taxa de sedimentação depende também da altura

inicial, visto que os efeitos de compressão são mais importantes com as camadas da suspensão

concentrada mais espessa (McCABE; SMITH; HARRIOTT, 1993).

A velocidade de sedimentação de uma partícula é função de vários parâmetros, como a

densidade da partícula, a densidade do fluido, o diâmetro da partícula e a viscosidade do fluido.

Sendo assim, se faz necessário um estudo minucioso de modo a verificar qual parâmetro exerce

maior influência na velocidade de sedimentação. Para partículas com características definidas,

as propriedades reológicas e densidade do fluido são as variáveis que mais afetam a velocidade

de sedimentação da partícula. Levando-se em conta que essas variáveis atuam simultaneamente,

a avaliação da capacidade de carreamento de um fluido se torna muito complexa. (ALMEIDA,

2007, p. 02)

A área necessária à operação do decantador é determinada pela camada que exige a

maior área para permitir a passagem a uma massa unitária de sólidos, por isso é necessário

determinar a concentração desta camada. A área mínima do decantador é obtida pelo método

desenvolvido por Talmadge e Fitch, onde o ensaio de proveta é a base para o procedimento.

Os primeiros ensaios de decantação foram realizados por Rollason. Novos ensaios

foram realizados por Coe e Clevenger (GOMIDE, 1980, p. 48).

Quando a decantação tem inicio, a suspensão encontra-se a uma altura Zo e sua

concentração uniforme Co (GOMIDE, 1980, p. 48).

O dimensionamento de espessadores pode ser feito por diversos métodos:

a) Coe e Clevenger

b) Kynch

c) Talmadge e Fitch

d) Roberts

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2.2.1 – Método de Coe e Clevenger

A área de um espessador continuo deve ser suficiente para permitir a decantação de todas as

partículas alimentadas, através das diversas zonas do espessador em seu funcionamento normal

(GOMIDE, 1980, p. 51 e 52).

A condição limite poderá ser escrita:

𝑢 = 𝑄 − 𝑄𝑒

𝐴 (1)

Portanto:

𝐴 = 𝑄 − 𝑄𝑒

𝑢 (2)

Os balanços materiais do solido no decantador e no sistema indicado, mantendo as

hipóteses de regime permanente e de não haver arrasta, podem ser escritos:

𝑄𝑎 × 𝐶𝑎 = 𝑄𝑐 = 𝑄𝑒 × 𝐶𝑒 (3)

𝑄 =𝑄𝑎 × 𝐶𝑎

𝐶 (4)

e

𝑄𝑒 =𝑄𝑎 × 𝐶𝑎

𝐶𝑒 (5)

Sendo que S é a área do decantador (m²) = seção transversal do decantador, Qa= vazão

volumétrica da suspensão alimentada no decantador (m³/h), Ca= concentração de sólidos na

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suspensão alimentada (t/m³) Ce=concentração da lama espessada (t/m³), C= concentração da

suspensão na zona limite (t/m³), u= velocidade de decantação na zona limite (m/h).

Com os valores correspondentes de C e u determinados experimentalmente, diversos

cálculos de S são feitos com pares de valores dessas grandezas CE maior valor encontrado será

a área mínima requerida para realizar a decantação. (GOMIDE, 1980, p. 53 e 54).

2.2.2 – Método de Roberts

Este é um método gráfico que permite localizar com exatidão o ponto crítico (entrada

em compressão), que às vezes é difícil de determinar pelo método anterior. Com os dados do

ensaio de decantação traça-se um gráfico de Z – Zf vs θ em papel mono-log. A curva obtida

mostra a descontinuidade no ponto crítico, o que permite determinar θc com precisão.

Conhecido esse valor, calcula-se diretamente a área mínima (GOMIDE, 1980, p. 58)

𝐴𝑚𝑖𝑛 =Qa × Ca × (

1𝐶𝑐 −

1𝐶𝑒)

𝑢 (6)

Pois

𝐶𝑐 = 𝑍𝑜 × 𝐶𝑜

𝑍𝑗 (7)

e

𝑢𝑐 = 𝑍𝑖𝑐 − 𝑍𝑐

θc (8)

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Figura 2.3 – Construção gráfica do método de Roberts (FONTE: Gomide, 1980, p. 58)

2.3 – FLOCULAÇÃO/COAGULAÇÃO

A coagulação e a floculação consistem na clarificação das águas pelo arraste do material

finamente dividido em suspensão por agentes coagulantes. Apesar da possibilidade de

coagulação e floculação somente com os sais de alumínio ou ferro, existem casos em que é

necessário o uso de auxiliares de coagulação e floculação, os chamados polieletrólitos, que

podem ser sintéticos ou naturais.

A floculação química consiste na adição de um reagente químico em uma suspensão, de

forma a promover a precipitação das partículas. Sulfato de alumínio, cloreto férrico e cloreto

de alumínio são os agentes floculantes mais utilizados, além dos auxiliares de floculação como

Polieletrólitos orgânicos, principalmente os catiônicos (poliamidas, poliDADMAC); Polímeros

orgânicos não iônicos naturais ou sintéticos (tanino, polióxido de etileno, entre outros);

Polímeros anfóteros, naturais ou derivados de compostos naturais (bentonitas, montmorilonitas,

etc.); Compostos inorgânicos - Para coagulação, os mais comuns são os sulfatos de alumínio e

férrico e o cloreto férrico. Para floculação, o mais comum éo PAC, policloreto de alumínio.

2.3.1 – GRUPOS DE FLOCULANTES

Alguns fatores que influenciam a floculação: o tipo e quantidade de floculante, o pH da

suspensão, o tempo da mistura, a temperatura, a agitação e presença de núcleos.

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1) Minerais: a adsorção se dá por neutralização de carga. É o exemplo da sílica ativada, certas

argilas coloidais como a bentonita, e determinados hidróxidos metálicos com uma estrutura de

polímeros como o Sulfato de alumínio, Cloreto férrico, etc.

2) Naturais: são polímeros aniônicos, catiônicos ou não iônicos derivados do amido

pregelatinizados de milho ou batata. Podem ser naturais ou tratados quimicamente para formar

aminas aniônicas ou catiônicas. A utilização desta classe é importante na indústria de papel.

Polissacarídeos como as gomas guar e os alginatos aniônicos são utilizados no tratamento de

água potável.

3) Sintéticos: os polímeros de poliacrilamida são orgânicos, também chamados de

polieletrólitos, são essencialmente lineares e solúveis em água com pesos moleculares que

variam de algumas centenas de milhares a dez milhões ou mais.

São caracterizados pela carga elétrica que pode ser negativa (aniônica), positiva

(catiônica) ou não iônica. Um floculante aniônico irá se atrair a cargas positivas como é o caso

de sais e hidróxidos metálicos. Um floculante catiônico vai se ligar a cargas negativas como o

silicone ou substâncias orgânicas, contudo a regra tem exceções e floculantes aniônicos podem

flocular argilas eletronegativas. São os polímeros de uso mais comuns e os polieletrólitos são

utilizados em sistemas de água e tratamento de águas residuais. Os polímeros estão disponíveis

na forma de pós, líquidos e emulsões.

2.3.2 – PREPARO E USO

• Água limpa deve ser usada para a diluição dos polímeros com temperatura entre 15 e 32 °C.

• Evite águas de dureza elevada (> 300 ppm CaCO3), alcalinidade elevada (> 75 ppm), cloro

residual acima de 2 ppm.

• Depois de preparados, os polímeros diluídos não devem ser armazenadas por mais de 24 horas.

Diluições até à concentração adequada, normalmente mínimo de 10:1, deve sempre ser utilizado

porque garante a dispersão adequada do polímero, no ponto de aplicação.

Os polímeros são usados na disposição de lodo como espessantes e em processos de

separação das águas residuais provenientes de fabricação de alimentos, álcool e celulose, usinas

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de tratamento de esgoto da cidade, a fábrica de cerveja, fabricação de açúcar, águas residuais

com elevado teor de matéria orgânica, águas residuais da indústria têxtil e outras indústrias.

Pode ser usado como agente espessante, como acidificante em poços de petróleo e na

fabricação de papel. Os polímeros aniônicos são usados para tratamento de água, mineração,

industria de papel e outros. A poliacrilamida não-iônica é indicada quando o pH da água poluída

é inferior a 7 como agente floculante e fazer a ponte de floculação das partículas em suspensão.

É usado na purificação de águas municipais e é combinado com agentes floculantes inorgânicos

haverá um efeito melhor para a eliminação de água.

2.3.3 – CLORETO FÉRRICO

É um reagente químico de constituição, fabricação e emprego bastante simples. Sua

principal aplicação está na área ambiental: tratamento de águas, afluentes e efluentes.É

apresentado como uma solução aquosa de caráter ácido e coloração castanho-escura. Contém

cerca de 40% em peso do Cloreto Férrico (produto químico inorgânico de fórmula

FeCl3.6H2O). é utilizado no tratamento de águas e efluentes atuando como coagulante, o

Cloreto Férrico desestabiliza partículas de sólidos e impurezas denominadas colóides,

suspensas nas águas que não se separam naturalmente. Sob a ação do Cloreto Férrico, esses

colóides se aglutinam e aderem aos flocos do composto de ferro formado, purificando a água.

Algumas Propriedades são: Estado físico: Líquido. Cor: marrom avermelhado Odor: Pungente

e irritante (azedo) pH: max. 2,0 (a 20°C) Temperaturas específicas ou faixas de temperatura nas

quais ocorrem mudanças de estado físico: Faixa de destilação: não disponível Ponto de fulgor:

não disponível Limites de explosividade: não aplicável Pressão de vapor: 40 mmHg a 35°C em

30% de Cloreto Férrico Densidade: 1,380 a 1,420 g/cm³ (a 20/4 °C) Solubilidade: Miscível com

água Outras informações: Viscosidade em Pás (cP) a 20°C para solução a 40% é 12,1.

2.3.4 – SULFATO DE ALUMÍNIO

O sulfato de alumínio é um dos principais sais utilizados pelas empresas de saneamento

básico do Brasil e do mundo, Com formula molecular Al2(SO4)3 ao interagir com água este

tende a diminuir seu pH, tornando a água acida. A escolha do material que será aplicado na

água depende muito das condições físico-químicas do líquido a ser tratado. Para a utilização a

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alcalinidade total da água tem de estar entre 80 e 120 ppm. Utilizando uma proporção de 300

gramas de sulfato para cada 10.000 litros de água. Apresenta um pH próximo a 3,5 com

densidade de 1,61.

2.3.5 – SÍLICA ATIVADA

É o silicato de sódio tratado com ácido sulfúrico, sulfato de alumínio, dióxido de carbono

ou cloro. Como auxiliar de coagulação ela apresenta as seguintes vantagens: aumenta a taxa de

reação química, reduz a dosagem de coagulante, aumenta a faixa de pH ótimo e produz um

floco com melhores propriedades de decantação e resistência. Desvantagem em relação aos

polieletrólitos é a necessidade de um controle preciso de preparo e dosagem. Dosagem de 7 a

11% da dosagem do coagulante primário expresso em mg/L de SiO2. Quando utilizada junto

com o sulfato de alumínio ou sulfato ferroso, a sílica, por sua elevada carga negativa, promove

a formação de flocos maiores, mais densos e resistentes, o que aumenta a eficiência de

coagulação. A sílica, mesmo um pequenas quantidades causa prejuízos as caldeiras à vapor.

2.3.6 – POLÍMEROS SINTÉTICOS

São substâncias químicas orgânicas de cadeia longa e alto peso molecular, disponíveis

numa variedade de nomes comerciais. Polieletrólitos são classificados de acordo com a carga

elétrica na cadeira do polímero, os carregados positivamente são chamados de catiônicos e os

que não possuem carga elétrica são os não-iônicos. Os antônicos e os não-iônicos são

geralmente utilizados com coagulantes metálicos para promoverem a ligação entre os colóides,

a fim de desenvolver flocos maiores e mais resistentes. A dosagem requerida de um auxiliar de

coagulação é da ordem de 0,1 a 1,0 mg/L. Na coagulação de algumas águas, os polímeros

podem promover floculação satisfatória, com significativa redução das dosagens de sulfato de

alumínio. As vantagens potenciais são a reduções da quantidade de lodo e a maior amenidade

à desidratação.

2.3.7 – POLIACRILAMINA

18

Um floculante bastante utilizado em estações de tratamento de água é a poliacrilamida

aniônica, recomendada como auxiliar de coagulantes metálicos, pois promove a ligação entre

os coloides e desenvolve flocos de grande diâmetro e alta resistência. Pois além de ser um bom

floculante e acelerar a velocidade de sedimentação de sólidos em sistemas de tratamento de

água, a poliacrilamida também é mais eficiente que o sulfato de alumínio na remoção de

partículas finais suspensas na água.

19

3. METODOLOGIA

Para a realização do experimento de ensaio de sedimentação utilizou-se três provetas de

500 mL cada, dotadas de uma rolha e numeradas de 1 a 3. Pesou-se 25 gramas de CaCO3

diretamente em cada proveta. Completou-se a proveta número 1 com água destilada até 500 mL

e as provetas 2 e 3 foram preenchidas com água destilada até a marca de 480 mL

aproximadamente. As provetas foram homogeneizadas rapidamente e então deixadas em

repouso por 5 minutos. Após decorrido o tempo de repouso, verificou-se o pH das três

suspensões para garantir que estivessem entre 7 e 8. Como os valores encontrados estavam entre

a faixa estipulada, não houve necessidade de fazer-se uma correção no pH das suspensões.

Em dois beckers pequenos, foram preparadas duas soluções de floculantes. O

floculantes A composto de 1 g de Sulfato de Alumínio diluído em 20 mL de água destilada. O

floculante B constituído de 1 g de cola diluída em 20 mL de água destilada. O floculante A foi

adicionado a proveta de número 2 e o floculante B foi adicionado a proveta número 3,

mantendo-se a proveta número 1 sem adição de floculantes.

As três suspensões foram homogeneizadas com cuidado para que não houvesse a

formação de vórtices. Em seguida as provetas foram deixadas em repouso sobre a bancada a

frente de uma luz com o intuito de posteriormente ajudar na visualização da diferente de altura

apresentada pelas suspensões.

Anotou-se então a altura da interface entre a zona clarificada e a zona de sedimentação,

ou seja, a diferença de altura entre a parte líquida e a parte onde havia a solução a ser

sedimentada, para cada proveta.

As leituras foram repetidas inicialmente em intervalos de 1 em 1 minuto durante 15

minutos, posteriormente em intervalos de 2 em 2 minutos por um período de 30 minutos e por

fim em intervalos de 5 em 5 minutos durante 45 minutos. Uma última medição foi realizada

após 24 horas de repouso para a determinação da altura final de sedimentação.

20

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Através dos dados obtidos de variação de altura e por tempo plotou-se dois gráficos. Um gráfico de

ZxT e um gráfico de Cxv.

Figura 4.1 – Gráfico de Z x Tempo.

Nota-se conforme figura acima, que a concentração vai aumento durante o processo de

sedimentação, porém a velocidade tende a diminuir a ponto de se tornar constante, ou seja, a

velocidade da sedimentação diminui com o aumento da concentração.

Analisando-se os dados experimentais obtidos e o gráfico acima, a proveta que continha

cola como agente floculante foi a que apresentou a sedimentação mais rápida no início do

processo, porém o sulfato de alumínio apresenta-se maior sedimentação após cerca de 400

segundos, também vale comentar que o líquido da cola apresentou-se de maneira menos límpida

do que o que continha o sulfato de alumínio.

01,5

34,5

67,5

910,5

1213,5

1516,5

1819,5

2122,5

2425,5

2728,5

3031,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

Z (c

m)

Tempo (s)

Sem Floculante Floculante A Floculante B

21

Figura 4.2 – Gráfico de Concentração x velocidade.

Através da Figura 4.2 pode-se notar que a Concentração aumenta e a velocidade

diminui, pois ao amentar-se a concentração na sedimentação, as partículas tem mais dificuldade

de se difundirem na solução, assim demorando mais para se concentrarem.

Buscou-se Comparar o método de Roberts e Coe Clevenger para o dimensionamento de

sedimentadores seguindo os valores informados na apostila de vazão e concentração.

4.1 Método de Roberts.

Inicialmente, utilizando-se dos métodos gráficos de Roberts plotou-se gráficos Monolog

de Log[Z-Zf] x 𝜃.

22

Figura 4.3 – Gráfico Monolog sem Floculante.

Figura 4.4 – Gráfico Monolog para o Floculante A (Sulfato de Alumínio).

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Log[

z-zf

]

𝜃

Sem Floculante

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Log[

z-zf

]

𝜃

23

Figura 4.5 – Gráfico Monolog para o Floculante B (Cola).

Destes Gráficos obteve-se os valores de 𝜃c no ponto de inflexão. Voltando para a Figura

4.1 e analisando-se curva a curva pode-se obter os valores de Zj e Zc, que estão disponíveis na

Tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Valores obtidos a partir do método de Roberts.

Proveta 𝜃c [s] Zc [cm] Zj [cm]

Sem Floculante 900 24,1 28

Sulfato de Alumínio 600 22,6 26,5

Cola 2700 14,45 19,7

Partindo destes valores aplicou-se nas equações (6), (7) e (8), assim tornando-se possível

o cálculo da Área mínima de Sedimentação. Os valores calculados estão presentas na Tabela

4.2.

Tabela 4.2 – Valores da Amin e da área Real.

Proveta Amin [m²] Areal [m²]

Sem Floculante 596,82 1193,64

Sulfato de Alumínio 353,67 707,34

Cola 512,31 1024,62

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Log[

z-zf

]

𝜃

24

Vale Lembrar que o Experimento foi realizado com tampa, o que causa alterações nos

resultados, visto que a pressão atmosférica influencia no processo de sedimentação.

Desta forma, com os métodos utilizados, as áreas encontradas para um sedimentador

contínuo são apresentadas na Tabela 1. Sendo que, deve-se usar um coeficiente de segurança

de 100% ou mais para atender uma série de fatores imprevisíveis, como: escoamentos

preferenciais, diferenças locais de temperatura que causam turbulência e consequentemente

reciclagem dos sólidos, os distúrbios causados por variações bruscas das condições de operação

(alimentação ou retirada de lama ou o escorregamento de grandes massas de lama) e algumas

vezes até mesmo reações químicas e pequenas explosões decorrentes da decomposição de

compostos (SOARES, 2007, p. 10).

4.2 Método de Coe Clevenger.

Para o método de Coe Clevenger calculou-se uma Área para cada Concentração e velocidade

da Figura 4.2. Deste modo montando uma curva, onde o máximo da curva corresponde a área

mínima de sedimentação.

Figura 4.6 – Concentração por Área (Sem Floculante).

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 20 40 60 80 100 120 140

C [

kg/m

³]

Área [m²]

25

Figura 4.7 – Concentração por Área (Floculante A).

Figura 4.8 – Concentração por Área (Floculante B).

Tabela 4.3 – Valores da Amin e da área Real por Coe Clevenger.

Proveta Amin [m²] Areal [m²]

Sem Floculante 99,27 198,54

Sulfato de Alumínio 58,13 116,26

Cola 67,38 134,76

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

0 50 100 150 200

C [

kg/m

³]

Área [m²]

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

C[k

g/m

³]

Área[m³]

26

Houve uma grande diferença entre os resultados de Coe Clevenger e Roberts, isso se

deve pois Coe Clevenger considera a variação de Concentração e Velocidade, já Roberts

considera uma velocidade especifica obtida através dos valores críticos e do ponto de inflexão.

Vale lembrar que ocorreram vários erros experimentais e deste modo houve variação dos

resultados.

4.3 Calculo da Constante da Suspensão (i)

Para o cálculo da constante de suspensão utilizou-se a equação (9), plotando-se um

gráfico de Log[Z-Zf/Z0-Zf] x Tempo [s]. Deste modo pode-se obter o valor de i

Figura 4.9 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Sem Floculante).

Figura 4.10 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Sulfato de Alumínio).

y = -0,0001x + 0,009R² = 0,9974

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Log[

Z-Zf

/Z0

-Zf]

Tempo[s]

y = -0,0002x + 0,0113R² = 0,994

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Log[

Z-Zf

/Z0

-Zf]

Tempo[s]

27

Figura 4.11 – Gráfico para cálculo da constante de suspensão (Cola).

Para a solução sem floculante obteve-se o valor de 0,0001, para o Sulfato de alumínio

0,0002 e 0,0001 para a cola. É possível ver que existe um pequeno desvio pois o valor de B da

equação y=ax+b deveria ser zero para todos os gráficos. Mas ao mesmo tempo o R² indica que

o gráfico apresenta grande exatidão.

y = -0,0001x - 0,0386R² = 0,9849

-0,9

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Log[

Z-Zf

/Z0

-Zf]

Tempo[s]

28

5. CONCLUSÕES

Através do experimento do ensaio de sedimentação, comparando-se os resultados das três

suspensões analisadas, com e sem o uso de floculantes, foi possível observar que o uso de

floculantes aumenta a velocidade de sedimentação uma vez que o floculante aumenta o

diâmetro e a massa das partículas.

Pelos resultados apresentados pelos três ensaios realizados, utilizando sulfato de

alumínio e cola como floculantes e sem a presença de agente floculante, pode se perceber que

o ensaio utilizando cola como agente floculante apresentou maiores velocidades de

sedimentação. A velocidade de sedimentação diminui com o passar do tempo por que o

gradiente de concentração aumenta. Os principais fatores que controlam o processo de

sedimentação são essencialmente a densidade do sólido e do líquido, o diâmetro e a forma das

partículas e a viscosidade do meio.

Observa-se também a grande importância dos floculantes em relação a clarificação do

líquido. Sendo que para esse experimento a proveta contendo o floculante de sulfato de

alumínio apresentou um melhor desempenho quanto à limpidez, apesar do tempo de

sedimentação ser maior.

Os valores das áreas do sedimentador encontradas pelo método de Coe Clevenger foram

de 198,54m2, 116,26m2, 134,76m2, para o ensaio com sulfato de alumínio, cola e sem

floculante, respectivamente. Para o método de Roberts, as áreas encontradas para a suspensão

com sulfato de alumínio, cola e sem floculante foram de 707,34m2, 1024,62m2, 1193,64m2

respectivamente. É possível perceber que houve uma grande diferença entre os resultados de

Coe Clevenger e Roberts, isso se deve pois Coe Clevenger considera a variação de

Concentração e Velocidade, já Roberts considera uma velocidade especifica obtida através dos

valores críticos e do ponto de inflexão.

Mesmo a cola sendo um bom agente floculante, seu uso não é muito conhecido. Isso se

deve ao fato de ser de difícil homogeneização em escala industrial e de a lama resultante desse

processo não ser reaproveitada. A lama resultante da utilização do sulfato de alumínio é

reaproveitada como adubo, reduzindo assim o impacto ambiental. Portanto, para a escolha e

utilização de determinados tipos de floculantes em um processo de sedimentação é preciso

analisar a relação custo com as vantagens e desvantagens do mesmo, para assim verificar a

viabilidade econômica numa escala industrial e definir o melhor floculante a ser utilizado.

29

6. REFERÊNCIAS

ALMEIDA, Diego W. F. Estudo de Correlações de velocidades de Sedimentação de

partículas para fluidos não-newtonianos. Campinas: GTEP/PUC-RIO, 2007. 09p.

DAHLSTROM, D. A. et al. Liquid-solid operations and equipament. In: PERRY, R. H.;

GREEN, D.

W.; MALONEY, J. O. Perry’s chemical engineer’s handbook. 7 ed. New York: McGraw

Hill, 1999.

FOUST, A. S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 2 ed, Rio de Janeiro: LTC, 1982,

FICHA TÉCNICA, Informações sobre produtos químicos - SULFATO DE ALUMÍNIO,

Setembro 2007).

FICHA TÉCNICA, Informações de Segurança de Produtos Químicos – FISPQ, Nº 21

Abr./2010).

HOFFMANN, Anelise Todeschini. Influência da adição de sílica ativa, relação

água/aglomerante, UFGRS, 2001.

GOMIDE, Reinaldo. Operações Unitárias. São Paulo: R. Gomide, 1980.

McCABE, W. L.; SMITH, T. C.; HARRIOTT, P. Unit Operations of chemical

engegineering. 5 ed. New York: McGraw Hill, 1993.

MOREIRA, I.P. et al. APLICAÇÃO DA POLIACRILAMIDA NO TRATAMENTO DE

ÁGUAS RESIDUAIS. 51º CBQ. Outubro 2011.

REVISTA SNATURAL – Floculantes. Disponível em:

http://www.snatural.com.br/PDF_arquivos/Filtracao-Agua. Acesso: 12/03/2015).

RUBIM, C. Ação dos floculadores. Revista TAE, 05 Fevereiro 2013, Disponível em:<

http://www.revistatae.com.br/noticiaInt.asp?id=5464>.

30

SOARES, Hugo Moreira. Apostila: Tratamento de Efluentes, p. 10. Universidade Federal de

Santa Catarina – Departamento de Eng. Química e Eng. de Alimentos, Florianópolis, 2007.

31

6. ANEXOS

6.1 Método de Roberts

Partindo da Figura 4.2 obteve-se o valor de 𝜃c de 900s para o ponto de inflexão. Partindo deste

valor analisou-se a Figura 4.1, mais especificamente a curva sem floculante.

Figura 6.1 – Aproximação da reta tangente para obtenção de Zj e Zc (Sem Floculante).

Da Figura 6.1 obteve-se os valores de Zj= 28cm e Zc= 24,1cm. E considerando os

valores informados na apostila de Ca= 50g/L, Ce= 100g/L e Qa= 10ton/h. Partindo destes

valores pode-se calcular uc e Cc.

𝑢𝑐 =𝑧𝑗 − 𝑧𝑐

𝜃𝑐

𝑢𝑐 =28 − 24,1

900= 4,33𝑥10−3𝑐𝑚/𝑠 = 4,33𝑥10−5𝑚/𝑠

𝐶𝑐 =𝑧0 . 𝐶0

𝑧𝑗

32

𝐶𝑐 =29 . 50

28= 51,786 𝑔/𝐿 = 51,786𝑘𝑔/𝑚³

𝐴𝑚𝑖𝑛 =(𝑄𝐴. 𝐶𝐴)

𝑢𝑐 . (

1

𝐶𝑐−

1

𝐶𝑒)

𝐴𝑚𝑖𝑛 =(2,7778 . 50)

4,33𝑥10−5 . (

1

51,786−

1

100)

𝐴𝑚𝑖𝑛 = 29863,72𝑚²

6.2 Método de Coe Clevenger.

𝐴 =𝑄𝐴. 𝐶𝐴

𝑢 . ((

1

𝐶) − (

1

𝐶𝑒))

Através da Figura 4.2 obtém-se os valores de u e C, e os valores de Ce e Qa.Ca são

informados na apostila. Para o primeiro ponto:

𝐴 =2,7778

0,00475 . ((

1

50,88) − (

1

100))

𝐴 = 5,6463 𝑚²

Com o valor da área e das concentrações (C) plotou-se as Figuras 4.6, 4.7 e 4.8,

obtendo assim o valor de máximo da área mínima de sedimentação.

6.3 Calculo da compressão da lama (i)

−𝑑𝑧

𝑑𝜃= 𝑖(𝑍 − 𝑍𝑓) (9)

33

− ∫𝑑𝑧

(𝑍 − 𝑍𝑓)

𝑧

𝑧𝑜

= 𝑖 ∫ 𝑑𝑡 (10)

ln ((𝑍 − 𝑍𝑓)

𝑍𝑜 − 𝑍𝑓) = −𝑖(𝑡 − 𝑡𝑜) (11)

Para o primeiro ponto:

ln ((28,5 − 6,9)

29 − 6,9) = −𝑖(60 − 0)

−0,00994 = −60. 𝑖

𝑖 = 0,000166