DOI: 10.4025/actascitechnol.v30i2.5493
Otimização dos tempos de mistura e decantação no processo de coagulação/floculação da água bruta por meio da Moringa oleifera Lam Karina Cordeiro Cardoso*, Rosângela Bergamasco, Eneida Sala Cossich e Leila Cristina Konradt Moraes Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo 5790, 87020-900, Maringá, Paraná, Brasil. *Autor para correspondência. E-mail:
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RESUMO. Diversos coagulantes/floculantes estão sendo estudados ao que se refere à remoção de cor e turbidez da água bruta, entretanto, os coagulantes naturais têm demonstrado vantagens em relação aos químicos. A Moringa oleifera Lam é um polímero natural que vem ganhando destaque no tratamento de água, pois atua como agente clarificante pela presença de uma proteína catiônica que desestabiliza as partículas contidas na água em meio líquido. Este trabalho propõe a otimização dos tempos de coagulação, floculação e decantação, utilizando como coagulante diferentes concentrações da solução extraída da polpa da semente de Moringa oleifera Lam, para verificar a eficiência de remoção da cor e turbidez da água. Os ensaios foram realizados em “Jar Test”, utilizando diferentes tempos de mistura e decantação, com várias concentrações do biopolímero. Verificou-se que o tempo para propiciar a mistura rápida e lenta, assim como a concentração do coagulante influenciaram a remoção dos parâmetros durante a coagulação/floculação/sedimentação. Palavras-chave: água, coagulação/floculação, Moringa oleifera Lam, tempo de mistura.
ABSTRACT. Otimizing mixture and decantation times in the process of coagulation/flocculation of raw water using Moringa oleifera Lam. Several natural coagulants/flocculants are being studied to remove color and turbidity from raw water; however, natural coagulants have demonstrated advantages over chemical ones. Moringa oleifera Lam is a natural polymer that has become an important alternative in water treatment, acting as a clarifying agent due to the presence of a cationic protein that destabilizes the particles contained in water in liquid form. This work proposes the optimization of the coagulation, flocculation and decantation times, using different concentrations of the solution extracted from the pulp of Moringa oleifera Lam seeds as coagulant, in order to verify its efficiency in removing color and turbidity from water. Jar tests were carried out, using different mixture and decantation times, with varying concentrations of the biopolymer. It was verified that the time required to achieve a fast and slow mixture, as well as the concentration of the coagulant, influenced the removal of parameters during the process of coagulation/flocculation/sedimentation. Key words: water, coagulation/flocculation, Moringa oleifera Lam, mixture time.
Introdução Sabe-se que, atualmente, a qualidade e a quantidade de água doce disponível para o abastecimento da população mundial estão comprometidas, sendo necessária, então, a realização de tratamentos alternativos a fim de que a qualidade da água tratada seja assegurada. De acordo com a Portaria nº 518 de 25 de março de 2004 do Ministério da Saúde (Brasil, 2004), toda água destinada ao consumo humano deve obedecer ao padrão de potabilidade, ou seja, os parâmetros físicos, químicos, microbiológicos e radioativos devem ser atendidos. Acta Sci. Tech.
Dessa forma, diversos coagulantes/floculantes estão sendo utilizados, para remoção de cor e turbidez da água bruta de forma a torná-la potável. Os termos coagulação e floculação são utilizados como sinônimos, uma vez que ambos significam o processo integral de aglomeração das partículas. Mas pode-se dizer que a coagulação é o processo pelo qual o agente coagulante é adicionado à água, reduzindo as forças que tendem a manter separadas as partículas em suspensão, e a floculação é a aglomeração dessas partículas por meio de transporte de fluido, de modo a formar partículas maiores que possam sedimentar (Ritcher e Azevedo Netto, 2003). Maringá, v. 30, n. 2, p. 193-198, 2008
194
Na unidade de mistura rápida, ocorrem interações entre o coagulante e a água e formam-se espécies hidrolisadas, sendo geralmente necessária agitação intensa para que o processo de coagulação seja eficiente (Di Bernardo e Dantas, 2005). Na floculação ocorre a agregação das partículas em suspensão, em função das forças de Van Der Waals. A formação dos flocos pode ocorrer de maneira espontânea, apenas pelos sucessivos choques entre as várias partículas presentes, desde que o sistema possua energia disponível para tal, decorrente da agitação dele. No entanto, uma agitação muito intensa pode fazer com que os flocos formados se desagreguem espontaneamente (Paula, 2004). O sulfato de alumínio destaca-se como o coagulante químico mais utilizado no Brasil, pela boa eficiência e pelo baixo custo. Porém, como o alumínio não é biodegradável, elevadas concentrações desse composto podem ocasionar problemas à saúde humana, inclusive o aceleramento do processo degenerativo do Mal de Alzheimer (Clayton, 1989). Os coagulantes/floculantes naturais têm demonstrado vantagens em relação aos químicos, especificamente em relação à biodegradabilidade, baixa toxicidade e baixo índice de produção de lodos residuais (Moraes, 2004). Em vários países asiáticos, africanos e sulamericanos, inúmeras plantas estão sendo utilizadas como coagulantes/floculantes naturais. Em geral, os estudos são aplicados ao tratamento de águas para fins potáveis. A Moringa oleifera Lam (Figura 1) pertence à família Moringaceae, que é composta apenas de um gênero (Moringa) e 14 espécies. É uma árvore de pequeno porte, nativa do Norte da Índia, de crescimento rápido, que se adapta a uma ampla faixa de solo e é tolerante à seca.
Figura 1. Sementes de Moringa oleifera Lam com e sem casca.
Acta Sci. Tech.
Cardoso et al.
Segundo Jahn (1989), foi isolado o produto coagulante presente nas sementes de Moringa oleifera Lam; dessa forma, foram identificados seis polipeptídios, que são formados por várias unidades de aminoácidos. Enfim, a fração ativa deste coagulante se deve à presença de uma proteína catiônica de alto peso molecular, que desestabiliza as partículas contidas na água e coagula os colóides (Ndabigengesere et al., 1995). De acordo com Gallão et al. (2006), a proteína é o composto encontrado em maior quantidade nas sementes de Moringa oleifera Lam, em torno de 40%. O mecanismo de coagulação/floculação provocado pela proteína existente na polpa da Moringa oleifera Lam assemelha-se ao mecanismo provocado pelos polieletrólitos (Davino, 1976). Quando a coagulação/floculação é realizada por polieletrólitos, não há reações de neutralização entre o coagulante e a água para formar complexos gelatinosos, como ocorre com os coagulantes derivados de sais de alumínio e ferro. Isso ocorre porque esses polieletrólitos são constituídos de complexos de grandes cadeias moleculares, que apresentam sítios com cargas positivas ou negativas, com grande capacidade de adsorção de partículas ao seu redor. Assim, esse tipo de coagulação/floculação praticamente independe da alcalinidade da água, podendo ocorrer numa grande faixa de valores de pH, entre 4,0 e 12,0 (Borba, 2001). Borba (2001) acredita que o mau estado de conservação das sementes de Moringa oleifera Lam é responsável pela degradação de sua proteína coagulante, sendo ideal utilizar sementes colhidas recentemente para o tratamento de água. Até o momento, nenhuma evidência de que estas sementes possam causar algum efeito nos seres humanos foi encontrada, especialmente com as doses necessárias para o tratamento de água (Schwarz, 2000 apud Embrapa, 2006). Dessa forma, pode-se afirmar que o tratamento da água com a Moringa oleifera Lam não apresenta nenhum risco à saúde, já que além de atuar como agente clarificante de águas turvas e coloridas, essas sementes também possuem inúmeros usos na alimentação humana. Este estudo propõe avaliar a eficiência do coagulante natural Moringa oleifera Lam na remoção de cor e turbidez da água, em função da alteração dos tempos de coagulação/floculação e sedimentação, a fim de se obter as condições de operação ideais. Maringá, v. 30, n. 2, p. 193-198, 2008
Tempos de mistura na coagulação/floculação
Material e métodos Os ensaios de coagulação/floculação foram realizados em “Jar Test”, Milan – Modelo JT 101/6 de seis provas, com regulador de rotação das hastes misturadoras, utilizando a água bruta do Rio Pirapó – Maringá, Estado do Paraná, coletada no ponto de captação de água de abastecimento da Sanepar (Companhia de Saneamento do Paraná). Utilizaram-se béqueres contendo 200 mL de água bruta. Em cada um deles, foram adicionadas quantidades pré-determinadas da solução-padrão de Moringa oleifera Lam. A temperatura da água foi mantida na faixa de 25,0 ± 3,0oC em todos os ensaios, uma vez que a temperatura influi significativamente na viscosidade da água. Para a preparação da solução-padrão de Moringa oleifera Lam, foi considerada uma concentração de 1% m/v, ou seja, para cada 1 g de polpa de semente da Moringa oleifera Lam, adicionaram-se 100 mL de água destilada. Esta foi triturada em liquidificador e, após, filtrada a vácuo. A solução de Moringa oleifera Lam foi preparada no momento do ensaio, pois estudos demonstram que o armazenamento da solução por alguns dias pode ocasionar ineficiência do processo. As dosagens da solução-padrão de Moringa oleifera Lam utilizadas nos ensaios realizados foram de 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 e 600 ppm. Para minimizar os erros experimentais, os ensaios foram realizados ao mesmo tempo em dois equipamentos “Jar Test”, de modo a garantir que as mesmas condições de operação fossem repetidas em todas dosagens da solução-padrão. A velocidade utilizada no “Jar Test” para propiciar a mistura rápida foi fixada em 95 rpm, enquanto a velocidade para propiciar a mistura lenta, em 10 rpm, durante toda a pesquisa. Esses valores foram baseados em dados da literatura (Borba, 2001). Ainda baseado em dados da literatura (Borba, 2001), variou-se o tempo de mistura rápida (TMR) e tempo de mistura lenta (TML), conforme demonstrado na Tabela 1. Tabela 1. Variação do tempo de mistura rápida e tempo de mistura lenta. Ensaio 1 2 3 4 5 6
Acta Sci. Tech.
TMR (min.) 2 3 4 2 3 4
TML (min.) 15 15 15 16 16 16
195
Após o ensaio de coagulação/floculação, o “Jar Test” foi desligado, e as amostras foram mantidas em repouso, para que ocorresse a decantação do material floculado. Em seguida, foram coletados, aproximadamente, 30 mL de amostra de cada béquer, em intervalos de tempos de 30 min., em um período total de 120 min. de decantação, para análise dos parâmetros de qualidade cor e turbidez, a fim de verificar a eficiência de remoção pela comparação dos resultados com a água bruta. Os parâmetros foram avaliados por meio de análise realizada em espectrofotômetro HACH DR/2010, segundo procedimento recomendado pelo Standard Methods (APHA, 1995). Resultados e discussão As características da água bruta utilizada nos ensaios de variação dos tempos de mistura e decantação, cujo coagulante foi a Moringa oleifera Lam, estão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2. Características da água bruta utilizada nos ensaios de “Jar Test”. Parâmetro Cor Aparente Turbidez Temperatura pH SDT(3) COT(4)
Unidade uH(1) uT(2) ºC mg L-1 mg C L-1
Valores 533 247 24,2 7,68 1576 5,2
(1) unidade Hanzen = (mgPt-Co L-1); (2) unidade de turbidez; (3) sólidos dissolvidos totais; (4) carbono orgânico total.
Foram realizados seis ensaios com as concentrações de Moringa oleifera Lam, variando de 50 a 600 ppm, conforme já descrito anteriormente na metodologia, com o objetivo de otimizar os tempos de mistura rápida e lenta e decantação. Entretanto, as Tabelas 3 a 6 destacam, para os diferentes tempos de decantação, as dosagens da solução-padrão de Moringa oleifera Lam que resultaram nas melhores remoções de cor e turbidez da água bruta. Vale citar que a velocidade utilizada no “Jar Test” em todos os ensaios foi de 95 e 10 rpm, respectivamente, para propiciar a mistura rápida e a mistura lenta. Tabela 3. Tempo de decantação de 30 min. Ensaio 1 2 3 4 5 6
TMR (min.) 2 3 4 2 3 4
TML (min.) 15 15 15 16 16 16
Dosagem Moringa 400 250 450 500 550 550
% Remoção Cor Turbidez 80,7 87,0 83,2 87,9 85,4 91,7 78,9 84,0 89,8 93,2 56,1 61,8
Maringá, v. 30, n. 2, p. 193-198, 2008
196
Cardoso et al.
Tabela 4. Tempo de decantação de 60 min. Ensaio 1 2 3 4 5 6
TMR (min.) 2 3 4 2 3 4
TML (min.) 15 15 15 16 16 16
Dosagem Moringa 400 250 450 500 550 550
% Remoção Cor Turbidez 83,4 88,2 84,9 87,9 85,8 92,1 81,2 88,6 94,0 95,6 57,2 71,6
Tabela 5. Tempo de decantação de 90 min. Ensaio 1 2 3 4 5 6
TMR (min.) 2 3 4 2 3 4
TML (min.) 15 15 15 16 16 16
Dosagem Moringa 400 250 450 500 550 550
% Remoção Cor Turbidez 85,1 90,3 84,9 90,5 87,6 92,5 82,7 88,6 94,0 95,6 60,3 72,1
Tabela 6. Tempo de decantação de 120 min. Ensaio 1 2 3 4 5 6
TMR (min.) 2 3 4 2 3 4
TML (min.) 15 15 15 16 16 16
Dosagem Moringa 400 250 450 500 550 550
% Remoção Cor Turbidez 87,0 91,6 87,4 91,4 88,7 92,5 85,2 90,7 94,5 95,6 67,0 73,0
Nas Tabelas 4 a 6, estão demonstrados os resultados dos ensaios nos tempos de decantação de 60, 90 e 120 min., respectivamente. Observou-se, de uma forma geral, que quanto maior o tempo de decantação, maior o valor obtido para a remoção dos parâmetros de qualidade avaliados. Isso se deve ao fato de que quanto maior o tempo de repouso, maior a quantidade de partículas floculadas que decantarão. Os ensaios realizados para um tempo de decantação superior a 60 min. apresentaram bons valores de remoção dos parâmetros, porém, com uma menor dosagem da solução-padrão de Moringa oleifera Lam (250 ppm), referente ao ensaio 2, obtém-se remoção de cor e turbidez superior a 84,9%. Assim, o tempo para propiciar a mistura rápida de 3 min. e o tempo para propiciar a mistura lenta de 15 min. foram considerados os mais adequados nas condições estudadas. Dessa forma, as Figuras 2 a 5 referem-se aos resultados obtidos nesses ensaios. 100,0 95,0 90,0
Acta Sci. Tech.
86,2
87,9
87,9 84,5 81,9 82,3 82,8
% Remoção
85,0 78,4
80,0
83,2
75,0 70,0
77,5 62,9
79,9
80,6 81,5 78,4
81,4 77,7 75,0 75,7
73,2
74,8 75,8
73,0
65,0 % Remoção Cor
60,0
% Remoção T urbidez
55,0 53,2
50,0 50
100
150
200 250
300
350
400 450
500
550
600
Dosagens Dosage n s Solução Solu çãoMoringa Morin ga(ppm) (ppm)
Figura 2. Ensaio 2 (TMR = 3 min., TML = 15 min., Tempo de Decantação = 30 min.).
100,0 95,0 87,5 87,5 87,9
90,0
85,8
84,5 84,5
87,1
82,3
85,0 % Remoção
Os resultados apresentados, na Tabela 3, referem-se ao tempo de decantação de 30 min. Os ensaios 1, 3 e 4 demonstraram bons valores de remoção dos parâmetros de qualidade analisados, ou seja, acima de 80%. O ensaio 2 apresentou remoção acima de 83 e 87% para os parâmetros cor e turbidez, respectivamente, com uma dosagem da soluçãopadrão inferior às utilizadas nos demais ensaios, ou seja, de 250 ppm. Altas remoções de turbidez, em torno de 90%, podem ser observadas nos ensaios 3 e 5, porém com dosagens da solução-padrão de Moringa oleifera Lam relativamente altas, 450 e 550 ppm, respectivamente. Observou-se, no ensaio 6, que os valores de remoção encontrados foram muito inferiores em relação aos demais tempos de mistura estudados. Segundo Di Bernardo e Dantas (2005), os encontros entre as partículas causam agregação e formação de flocos, e o aumento do tempo de floculação causa o aumento da taxa de colisão. Entretanto, com agitação muito intensa, as forças de cisalhamento podem causar a ruptura dos flocos, e também, a partir de certo período de floculação, ocorre a erosão dos flocos.
83,5 84,3 84,9 84,0
80,0 75,0
80,3 80,9
77,5
85,3 83,2 82,3
81,9 79,9 79,7
78,4
70,0 65,0
68,5 % Remoção Cor
60,0 58,6
% Remoção T urbidez
55,0 50,0 50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Dosagens Dosage ns Solução Sol ução Moringa Morin ga(ppm) (ppm )
Figura 3. Ensaio 2 (TMR = 3 min., TML = 15 min., Tempo de Decantação = 60 min.).
Maringá, v. 30, n. 2, p. 193-198, 2008
Tempos de mistura na coagulação/floculação
197
100,0 95,0 89,2
87,5
90,0
90,5 88,4
88,8
87,1 86,2 87,1 86,2 86,2
% Remoção
85,0 80,0
84,9 84,7 84,9 84,6 68,5
80,1
83,6
82,5 81,5 83,1 81,8 82,8 81,0
75,0 70,0 65,0 % Remoção Cor
62,0
60,0
% Remoção T urbidez
55,0 50,0 50
100 150
200
250 300
350 400
450
500 550
600
Dosage n s Solu ção Moringa Morin ga(ppm) (ppm ) Dosagens Solução
Figura 4. Ensaio 2 (TMR = 3 min., TML = 15 min., Tempo de Decantação = 90 min.).
100,0 95,0
91,8 91,4 91,4 91,8 90,5 90,1 90,1 90,1 89,2
90,0
84,9
85,3
% Remoção
85,0
87,0 86,8 87,4 87,0
80,0 75,0
82,6
85,4 85,2 86,0 85,6 85,2 83,7
Verificou-se que os melhores resultados obtidos foram, no tempo de mistura rápida e lenta, de 3 e 15 min., respectivamente, pois foram encontrados bons valores de remoção dos parâmetros avaliados, com baixa dosagem da solução-padrão utilizada. O tempo de decantação ideal foi de 90 min., para as condições estudadas. A Moringa oleifera Lam apresentou-se eficiente na remoção de cor e turbidez, sendo avaliada, então, como um processo promissor na etapa de coagulação/floculação de águas potáveis. A utilização dessa semente pode ser considerada como um tratamento alternativo ao tratamento convencional. No entanto, vale ressaltar que, para fins potáveis, deve-se acrescentar a etapa de filtração e desinfecção da água, de forma que os parâmetros de qualidade atendam aos valores máximos permitidos pela legislação vigente, citados pela Portaria nº 518 de 25 de março de 2004 do Ministério da Saúde (Brasil, 2004).
77,2
70,0
Referências
65,0
65,0 % Remoção Cor
60,0
% Remoção T urbidez
55,0 50,0 50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Dosagens Dosage n sSolução S oluçãoMoringa Morin ga(ppm) (ppm)
Figura 5. Ensaio 2 (TMR = 3 min., TML = 15 min., Tempo de Decantação = 120 min.).
Para a concentração de Moringa oleifera Lam de 250 ppm, verificou-se que o tempo de decantação de 120 min. apresentou melhores porcentagens de remoção dos parâmetros analisados, ou seja, 87,4%, para cor, e 91,4%, para turbidez, no tempo de mistura considerado adequado. Porém, com um tempo de decantação de 90 min. percebeu-se remoção de cor de 84,9% e turbidez de 90,5%. Assim, o tempo de decantação de 90 min. foi escolhido como ideal, visto que apresentou boas remoções dos parâmetros de qualidade, apesar de os melhores resultados serem obtidos em um tempo de decantação de 120 min. Porém, a pequena diferença na eficiência de remoção de cor aparente e turbidez não justifica maior tempo de decantação e de tratamento. Conclusão Observou-se que o tempo para propiciar a mistura rápida e lenta, o tempo de decantação, assim como a concentração de Moringa oleifera Lam influenciaram a remoção de cor e turbidez, durante o processo de coagulação/floculação. Acta Sci. Tech.
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Received on August 08, 2007. Accepted on March 19, 2008.
Maringá, v. 30, n. 2, p. 193-198, 2008
