INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

TÉCNICO INTEGRADO EM QUÍMICA

ANÁLISE INORGÂNICA

TURBIDIMETRIA

MARIANA SUNDERHUR

RAQUEL AGUIAR

RAYANE SCARPATI

RONIELLY BOZZI

PROFESSOR CÉZAR MANZINI

ARACRUZ – ES

2011

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO......................................................................................................................... 3

1.1. TURBIDEZ DAS ÁGUAS..........................................................................................................31.2. FENÔMENOS DE COAGULAÇÃO/FLOCULAÇÃO........................................................................41.3. FATORES QUE INFLUENCIAM A COAGULAÇÃO........................................................................5

2. MATERIAIS E REAGENTES...................................................................................................9

2.1. MATERIAIS UTILIZADOS.........................................................................................................92.2. REAGENTES UTILIZADOS......................................................................................................9

3. PROCEDIMENTOS................................................................................................................10

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.............................................................................................11

5. CONCLUSÃO........................................................................................................................ 14

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................15

3

1. INTRODUÇÃO

1.1. Turbidez das águas

Turbidez de uma amostra de água é o grau de atenuação de intensidade

que um feixe de luz sofre ao atravessá-la (e esta redução se dá por absorção e

espalhamento, uma vez que as partículas que provocam turbidez nas águas

são maiores que o comprimento de onda da luz branca), devido à presença de

sólidos em suspensão.1

As principais causas da turbidez da água são: presença de matérias

sólidas em suspensão (silte, argila, sílica, coloides), matéria orgânica e

inorgânica finamente divididas, organismos microscópicos e algas. A origem

desses materiais pode ser o solo (quando não há mata ciliar); a mineração

(como a retirada de areia ou a exploração de argila); as indústrias; ou o esgoto

doméstico, lançado no manancial sem tratamento. O exame microscópico e

observações in loco do manancial podem ajudar a determinar as causas da

turbidez. Esses materiais se apresentam em tamanhos diferentes, variando

desde partículas maiores (> 1 um), até as que permanecem em suspensão por

muito tempo, como é o caso das partículas coloidais (diam.=10^-4 a 10^-6

cm).1

Há que se distinguir entre a matéria suspensa ou sedimento, que

precipita rapidamente, daquela que se precipita vagarosamente e que provoca

a turbidez. A turbidez é encontrada em quase todas as águas de superfície, em

valores elevados (até 2.000 mg/l de SiO2), mas está normalmente ausente nas

águas subterrâneas.1

As águas de lagos, lagoas, açudes e represas apresentam, em geral,

baixa turbidez, porém variável em função dos ventos e das ondas que, nas

rasas, podem revolver os sedimentos do fundo. Via de regra, após uma chuva

forte, as águas dos mananciais de superfície ficam turvas, graças ao

carreamento dos sedimentos das margens pela enxurrada. Assim, os solos

argilosos e as águas em movimentação, ocasionam turbidez.2

4

A Tabela abaixo apresenta a turbidez recomendada em alguns usos da

água.2

Tabela 1 - Limites de Turbidez Recomendados

USOS DA ÁGUA UNT

Água potável < 0,5 a 5,0

Água subterrânea típica < 1,0

Piscicultura 10 a 40

1.2. Fenômenos de Coagulação/Floculação

As águas residuais e potáveis, em quantidades diferentes, contêm

material suspenso, sólidos que podem sedimentar e/ou sólidos dispersos que

não sedimentam. Uma parte considerável desses sólidos que não sedimentam

podem ser colóides. Nos colóides, cada partícula encontra-se estabilizada por

uma série de cargas (elétricas) superficiais do mesmo sinal as quais geram

entre si repulsão eletrostática. Uma vez que este fenômeno impede o choque

entre as partículas, não existe tendência natural para que as partículas formem

agregados de maiores dimensões, designados por flocos. As operações de

coagulação e floculação desestabilizam os colóides conseguindo a sua

sedimentabilidade. Isto se consegue em geral pela adição de agentes químicos

aplicando energia de mistura (agitação). Vulgarmente os termos coagulação e

floculação utilizam-se indistintamente em relação à formação de agregados de

partículas. No entanto, convém salientar as diferenças conceptuais entre estas

duas operações. Geralmente, a confusão provém do fato de ambas as ações

(coagulação e floculação) decorrerem simultaneamente. Em rigor, a

coagulação corresponde ao fenómeno de desestabilização da suspensão

coloidal, enquanto que a floculação limita-se às ações de transporte das

partículas coaguladas para provocar colisões entre elas promovendo a sua

aglomeração. 3

5

Coagulação: desestabilização de um colóide produzida pela eliminação

da dupla camada elétrica que envolve as partículas coloidais com a formação

de núcleos microscópicos. 3

Floculação: aglomeração das partículas desestabilizadas primeiro em

micro flocos e posteriormente em aglomerados mais volumosos chamados

flocos. Durante o processo de floculação, os agregados de partículas,

inicialmente pequenos, tendem a juntarem-se em aglomerados de maiores

dimensões (capazes de sedimentar graviticamente), quando se promove o

contacto entre eles através de agitação da suspensão. O tratamento prévio aos

colóides, tendo em vista a sua separação por precipitação, implica, portanto

duas etapas seqüenciais: 3

1. Desestabilização (as teorias sobre o mecanismo deste fenómeno

baseiam-se na química coloidal e de superfícies).3

2. Transporte de núcleos microscópicos para formar agregados densos

(a teoria do transporte baseia-se na mecânica de fluidos).3

O potencial zeta é uma medida desta força de repulsão. Para colóides

em águas naturais com pH entre 5 e 8, o potencial zeta oscila geralmente entre

–15 e –30 mV. Quanto maior for o seu valor absoluto, maior será a carga

superficial da partícula. À medida que diminui o potencial zeta as partículas

podem aproximar-se mais aumentando a probabilidade de uma colisão. Os

coagulantes fornecem cargas de sinal contrário para atenuar ou eliminar esse

potencial. Note se, no entanto que a coagulação pode decorrer a um potencial

baixo sem necessidade de completa neutralização. Se for adicionado

demasiado coagulante as partículas ficam carregadas com sinal contrário (ao

inicial) e podem voltar a dispersar-se no líquido formando de novo uma

suspensão estável.3

1.3. Fatores que Influenciam a Coagulação

a) Efeito do pH

A gama de pH na qual ocorre o processo de coagulação pode ser o fator

(simples) mais importante na eficiência do processo. A grande maioria dos

6

problemas de baixa eficiência na coagulação está relacionada com níveis de

pH impróprios. Sempre que possível a coagulação deve decorrer na zona ótima

de pH do agente coagulante. Quando isto não acontece, produzem-se

eficiências de coagulação inferiores, geralmente resultando num desperdício de

reagentes e inferiores qualidades na água final. Cada sal coagulante inorgânico

possui a sua gama característica de pH ótimo, e em muitas estações de

tratamento é necessário efetuar previamente o ajuste do pH antes de adicionar

o agente coagulação. Nestes casos, isto envolve a adição de cal ou soda

cáustica para manter certo valor mínimo de pH. Noutras situações pode ser

necessário adicionar ácidos para baixar o pH até aos valores adequados. 3

b) Efeito salino

Uma vez que nenhuma água natural é completamente pura, cada uma

terá diferentes teores em cátions (cálcio, magnésio, ferro, manganês, etc.) e

anions (sulfato, cloreto, fosfato, nitrato, etc.). Alguns desses íons podem afetar

significativamente a eficiência do processo de coagulação. O efeito salino

pode provocar disfunções no processo de coagulação, sobretudo se ocorrerem

alterações abruptas na concentração destes íons.3

c) Natureza da turvação

A turvação em águas residuais e naturais é caracterizada por uma ampla

distribuição de tamanhos de partículas. As dimensões das particulas podem

variar constantemente dependendo de fatores diversos como precipitação dos

sólidos ou colisões de partículas. Geralmente, níveis de turvação mais

elevados requerem maiores dosagens de coagulante. No entanto, a relação

entre o grau de turvação e a dosagem ótima de coagulante, poucas vezes é

linearmente proporcional. 3

d) Temperatura da água

Águas mais frias introduzem dois fatores adicionais à dificuldade do

processo de coagulação. À medida que a temperatura da água se aproxima do

seu ponto de congelamento (0ºC para 1 atm), quase todas as reações

decorrem mais lentamente. Pode ser mais difícil distribuir uniformemente o

coagulante na água. Como resultado, o processo de coagulação torna-se

7

menos eficiente, e maiores dosagens de coagulante são geralmente usadas

para compensar este efeito. 3

e) Efeitos de mistura

Resultados fracos são obtidos numa inadequada (não homogênea)

dispersão do coagulante. Infelizmente, em várias estações mais antigas foram

instalados sistemas de mistura pouco eficientes. Como resultado, torna-se

necessário utilizar dosagens de coagulante superiores para se alcançar o nível

de turvação pretendido para a água. 3

Figura 1 - Padrão de escoamento numa unidade de mistura

Figura 2 - Sistema de mistura utilizando um ressalto hidráulico num canal de

escoamento gravítico

f) Efeito do coagulante

8

A seleção do coagulante adequado para umas dadas condições é de

importância crítica na manutenção de um esquema de coagulação eficiente ao

longo da gama normal de variação das características da suspensão. Os

reagentes químicos mais usados no processo de coagulação são como

referidos anteriormente, sulfato de alumínio (alumen), cloreto férrico e sulfato

férrico, mas também diversos tipos de polímeros, sobretudo os catiônicos.3

9

2. MATERIAIS E REAGENTES

2.1. Materiais utilizados

2.2. Reagentes utilizados

10

3. PROCEDIMENTOS

11

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Utilizou-se sulfato de alumínio como coagulante. Para tal foram

preparados 100 mL de solução com concentração de 4 g/L, com base nos

seguintes cálculos:

C=mv

ondeC é a concentração comum,mamassa dosolutoe V ovolume dasolu çã o

4= m0,1→m=4∗0,1→m=0,4 gde A l2¿

Em paralelo, mediu-se o pH de três amostras, de 200 mL cada, de uma

suspensão constituída por água e partículas de impurezas. As medidas obtidas

pelo pHgâmetro foram relacionados na tabela 1.

Tabela1 – Valores de pH das suspensões contidas nos béqueres 1, 2 e 3

Suspensã

opH

Béquer 1 4,33

Béquer 2 6,80

Béquer 3 9,38

Os valores de pH variaram de uma amostra para a outra mesmo sendo

constituídas do mesmo material, pois as partículas em suspensão são

constituídas de cargas que podem alterar o pH. O desvio padrão sofrido pelas

amostras pode ser obtido por:

S=√¿¿¿

Com base na média os béqueres 1 e 2 sofreram um desvio de:

S=√¿¿¿

Já o béquer 3 sofreu o seguinte desvio:

12

S=√¿¿¿

O desvio padrão geral dos valores de pH, obtido pela média aritmética

dos desvios de cada béquer , equivale a 3,71*10-3 . Assim o pH da suspensão é

6,8033 3,71*10-3.

A fim de determinar a faixa de pH em que a coagulação é mais efetiva

modificou-se o pH do béquer 1, para um pH ácido. O béquer dois não teve seu

valor de pH alterado, todavia adicionou-se base ao béquer 3, deixando-o em

uma faixa alcalina. Em todos os béqueres em que se adicionou alguma

substância para o ajuste do pH, após a adição, agitou-se por cinco minutos.

Isso foi feito para que toda a substância reagisse homogeneamente pela

suspensão.

Pretendeu-se ajustar o pH do béquer 1 para pH=3. Foi necessário

adicionar ácido sulfúrico 0,1 mol/L-1 no volume de 1 mL, previamente

calculados como a seguir.

Na ionização do ácido sulfúrico há liberação de dois prótons para cada

molécula de ácido ionizada, como na reação:

H 2SO 4→2H+¿+SO4

¿

−2¿ ¿

Logo, para determinar a concentração de H+, considerando todas as

ionizações do ácido como a de um ácido forte, deve-se dobrar a concentração

molar do ácido, como no cálculo a seguir:

M f V f=M 1V 1+2M ác .V ác .

10−3∗(0,2+V á c. )=10−6,8∗0,2+0,2V ác.

1,999683∗10−4=0,199V ác .

V ác .=1,00∗10−3 Lou1mL

Todavia para que o pH se ajustasse próximo de pH = 3, necessitou-se

adicionar 12 mL de ácido, pois a suspensão é constituída de partículas

carregadas eletricamente, e substâncias que conferem-na uma característica

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de tampão. Mesmo adicionando 11 mL a mais que a base teórica, o béquer 1

ficou com pH = 4,33. No béquer 2 não alterou-se o pH, pois estava na faixa

próxima ao neutro. Para o béquer 3 adicionou-se 10 mL de base, conferindo-o

um valor de pH = 9,38.

Para iniciar a floculação adicionou-se, a cada um dos béqueres, 30 mL

de sulfato de alumínio 0,4 g/L e agitou-se por dez minutos. Com a agitação há

um maior choque entre as partículas da suspensão, auxiliando a formação de

agregados sólidos de maiores dimensões. A formação desses agregados é de

extrema importância, pois o processo de sedimentação é acelerado, uma vez

que as partículas ficam com maior densidade. Após a agitação, deixaram-se as

misturas em repouso por 20 minutos.

Após a calibração do turbidímetro, retirou-se uma alíquota de cada

béquer. Mediu-se o índice de turbidez das misturas dos béqueres 1, 2 e 3

obtendo, respectivamente, 56,6 NTU, 88,8 NTU e 12,2 NTU. Esses valores

indicam o quanto de radiação foi refletida pelas partículas em suspensão. Um

alto valor de turbidez indica que há muitas partículas em suspensão no liquido.

A faixa alcalina, béquer 3, obteve a melhor coagulação e floculação, pois a

solução ficou mais límpida, diferentemente dos béqueres 1 e 2.

Os flocos são formados porque o produto adicionado anula as cargas

que repelem as partículas, permitindo a sua união. Em meio alcalino o sulfato

de alumínio reage com cálcio, presente na água, segundo a reação abaixo:

Al2 (SO4)3 18 H2O + 3Ca(HCO3)2 ® 3 CaSO4 + 2 AI(OH)3 + 6 CO2 + 18 H2O

Como o alumínio é altamente denso de cargas positivas, há uma

anulação das cargas presente nas partículas permitindo a aglutinação. Logo na

faixa de pH alcalino essa reação ocorre auxiliando o processo.

14

5. CONCLUSÃO

Foi possível medir a turbidez das três alíquotas de água, usando-se o

turbidímetro e com isso, concluiu-se que o pH ótimo de floculação da água é

básico. Seguem os dados na tabela abaixo:

Tabela 2 - Dados das alíquotas

Alíquota pH Turbidez

14,3

356,6

2 6,8 88,8

39,3

812,2

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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 Mundo Químico. TURBIDEZ. Disponível em:

<http://www.mundodoquimico.hpg.ig.com.br/turbidez.htm>. Acesso em: 01 abr.

2011.

2 UFRRJ. TURBIDÍMETRO. Disponível em:

<http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/turb.htm>. Acesso em: 1 abr. 2011.

3 Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. FLOCULAÇÃO.

Disponível em: <http://pwp.net.ipl.pt/deq.isel/teodoro/li6c2006b/pdf/li6c_

floculacao.pdf>. Acesso em: 1 abr. 2011.