Por: Kate
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Data: 13 de novembro de 2024
As actividades industriais e domésticas consomem grandes quantidades de recursos hídricos e geram águas residuais significativas, levando a problemas de escassez de água e ao declínio da qualidade da água em muitos países. Portanto, conseguir um tratamento e reciclagem livres de poluição de águas residuais é um problema urgente que precisa ser resolvido. O método de coagulação e sedimentação é simples de operar e econômico, amplamente aplicado no tratamento de águas residuais industriais. Os coagulantes comumente usados podem ser classificados em três categorias principais: coagulantes inorgânicos, coagulantes poliméricos orgânicos e coagulantes microbianos. Entre estes, os coagulantes inorgânicos de baixo custo são atualmente os mais utilizados, enquanto os coagulantes orgânicos apresentam os melhores efeitos de tratamento. Os coagulantes microbianos ainda estão em fase de pesquisa laboratorial. O desenvolvimento de novos coagulantes compostos eficientes, seguros e econômicos é a principal tendência para o futuro do desenvolvimento de coagulantes.
Classificação de coagulantes
O mecanismo de coagulação mais amplamente aceito envolve dois processos: coagulação e floculação. O processo de coagulação refere-se à desestabilização de partículas coloidais e à formação de pequenos agregados; o processo de floculação envolve a ligação desses pequenos agregados sob a influência do coagulante para formar flocos maiores. Os mecanismos primários dos coagulantes incluem a compressão da dupla camada elétrica, o efeito de ponte de adsorção e a floculação abrangente, que desestabilizam as partículas coloidais na água, levando à sua agregação e sedimentação, alcançando assim o efeito de floculação. Os coagulantes comuns podem ser classificados em três categorias principais: coagulantes inorgânicos, coagulantes poliméricos orgânicos e coagulantes microbianos.
01 Coagulantes Inorgânicos
O princípio de ação dos coagulantes inorgânicos inclui compressão de dupla camada elétrica e neutralização de carga. Os coagulantes formam contra-íons nas águas residuais, que comprimem a dupla camada elétrica, resultando na diminuição do potencial zeta dos colóides, fazendo com que a camada de hidratação na superfície desapareça, desestabilizando os colóides. Posteriormente, partículas coloidais carregadas agregam-se através de interações intermoleculares e forças eletrostáticas para formar flocos grandes e densos.
Os coagulantes inorgânicos podem ser categorizados com base em diferentes critérios: pela composição aniônica, podem ser divididos em à base de sulfato e à base de cloreto; pelo peso molecular, podem ser classificados em de alto peso molecular e de baixo peso molecular; e pelo tipo de sais metálicos, eles podem ser categorizados em sais de ferro (como cloreto férrico, sulfato ferroso e sulfato férrico) e sais de alumínio (como sulfato de alumínio, sulfato de alumínio e potássio e aluminato de sódio).
Os flocos formados por sais de ferro são grandes e densos, exigindo menos dosagem, e apresentam bom desempenho em baixas temperaturas com ampla faixa de pH adequada (entre 5.0 e 11). No entanto, os sais de ferro podem ser corrosivos para os equipamentos, necessitando de um monitoramento rigoroso das condições dos equipamentos e das tubulações durante o uso. Os sais de alumínio têm tempos de sedimentação mais curtos e menor cor após o tratamento, mas a sua eficácia é altamente dependente do pH. Além disso, elevados níveis residuais de Al³⁺ na água podem levar à poluição secundária, podendo causar doença de Alzheimer e anemia ao entrar no corpo humano, pelo que devem ser tomados cuidados especiais para evitar a poluição secundária.
Esses coagulantes de baixo peso molecular são baratos e amplamente obtidos, mas apresentam problemas como altas quantidades de uso, produção significativa de lodo e baixa eficácia. Portanto, há uma mudança gradual de coagulantes inorgânicos de baixo peso molecular para coagulantes inorgânicos de alto peso molecular. Atualmente, os coagulantes inorgânicos de alto peso molecular comumente usados incluem coagulantes poliméricos de alumínio, coagulantes poliméricos de ferro, coagulantes reativos de sílica e coagulantes compostos. Sua ação depende principalmente do efeito de ponte, apresentando vantagens como menor sensibilidade ao pH e à temperatura, efeitos de adsorção estáveis, menor dosagem e menos cor residual. Nos últimos anos, a escala de produção de coagulantes inorgânicos de alto peso molecular aumentou gradualmente, representando 80% da produção total de coagulantes, mostrando especialmente efeitos significativos no tratamento de águas residuais de alta turbidez.
02 Coagulantes Polímeros Orgânicos
Os princípios de ação dos coagulantes orgânicos incluem principalmente:
(1)adsorção de partículas coloidais através de ligações de hidrogênio, interações eletrostáticas e forças de van der Waals;
(2) os segmentos da cadeia polimérica facilitam o assentamento das partículas através de um mecanismo de adsorção em ponte. Comparados aos coagulantes inorgânicos, os coagulantes poliméricos orgânicos apresentam vantagens como melhor eficácia de tratamento, menor tempo de floculação, adequação a baixas temperaturas, ampla faixa de pH e menor produção de lodo.
Os coagulantes poliméricos orgânicos podem ser divididos em duas categorias: coagulantes poliméricos modificados naturais e coagulantes poliméricos sintéticos. Os coagulantes poliméricos sintéticos possuem pesos moleculares controláveis e relativamente altos, e podem introduzir um maior número de grupos funcionais nos segmentos da cadeia, proporcionando excelentes efeitos de floculação. Atualmente, o coagulante polimérico sintético mais representativo no mercado chinês é a poliacrilamida (PAM) e seus derivados, que respondem por 80% do mercado total.
Em contraste com os polímeros sintéticos, que apresentam altos custos de produção e toxicidade ambiental, os coagulantes poliméricos modificados naturais apresentam vantagens como ampla disponibilidade, custos mais baixos, segurança, não toxicidade e características moleculares personalizáveis. Os coagulantes poliméricos modificados naturais incluem principalmente derivados de amido, quitosana, celulose, goma guar e outras gomas, proteínas e algas à base de plantas, todos os quais podem ser provenientes de plantas e animais.
Por exemplo, moléculas de amido modificadas podem atingir excelentes efeitos de floculação; o amido eterificado catiônico e seus derivados podem efetivamente flocular partículas carregadas negativamente, enquanto as estruturas de amido ramificadas têm fortes efeitos de floculação em íons de metais pesados, como cobre, mercúrio e chumbo. Os copolímeros de enxerto de amido copolimerizados com outros monômeros também podem remover efetivamente íons de metais pesados. A modificação da quitosana pode ser alcançada através de métodos como enxerto, esterificação, reticulação e alquilação. Vários tipos de coagulantes poliméricos naturais podem obter uma gama de propriedades desejadas por meio de modificação e modificação química para atender às necessidades da produção prática e da vida diária.
03 Floculantes Microbianos
Floculantes microbianos são produtos de alto peso molecular e biomassa gerados pelo crescimento e metabolismo de microrganismos cultivados específicos em um determinado estágio. Podem causar a agregação e sedimentação de partículas sólidas em suspensão nas águas residuais, atingindo assim o objetivo de purificar os corpos d'água. Os floculantes microbianos têm uma ampla variedade de fontes e são econômicos; eles geralmente são compostos de polissacarídeos, proteínas, cadeias de DNA, glicoproteínas e poliaminoácidos. Eles podem degradar-se naturalmente sem causar poluição secundária.
Existem muitos microrganismos capazes de produzir floculantes, que podem ser facilmente industrializados através do desenho de rotas. No entanto, a investigação sobre floculantes microbianos na China ainda é limitada e os estudos actuais são maioritariamente a nível laboratorial, longe de alcançar a produção industrial.
Perspectivas de Desenvolvimento de Floculantes
Os floculantes têm uma ampla gama de aplicações no tratamento de águas residuais, removendo com eficácia várias impurezas suspensas ou solúveis, íons metálicos, bactérias, vírus e outros poluentes. Eles ajudam a obter desoxigenação, descoloração e remoção de fósforo, resultando em tratamento de águas residuais não poluente e eficiente em termos de recursos. Com o progresso contínuo da pesquisa, os tipos de floculantes usados no tratamento de águas residuais na China passaram de floculantes inorgânicos de baixo peso molecular para floculantes orgânicos de alto peso molecular e de tipos simples para compostos, visando eficiência, relação custo-benefício e respeito ao meio ambiente.
Em comparação com floculantes inorgânicos e floculantes sintéticos de alto peso molecular amplamente utilizados, os floculantes naturais de alto peso molecular têm vantagens distintas, como ampla disponibilidade, baixo custo, segurança, não toxicidade e respeito ao meio ambiente. As águas residuais industriais são frequentemente grandes em volume, de composição complexa e consistem em dispersões estáveis; portanto, um único floculante pode não remover efetivamente todos os componentes.
Recentemente, tem havido uma tendência de utilização de floculantes compostos inorgânico-orgânicos e inorgânico-microbianos, potencializando os efeitos sinérgicos dos floculantes inorgânico-orgânicos. Primeiro, os floculantes inorgânicos neutralizam as cargas e agregam impurezas em grandes aglomerados moleculares, seguidos pelos floculantes orgânicos de alto peso molecular que capturam esses aglomerados por meio de ação de ponte para uma sedimentação eficaz. O uso de floculantes inorgânicos pode reduzir a quantidade necessária de floculantes orgânicos, alcançando ótimos resultados a um custo menor. Contudo, formulações e dosagens específicas devem ser continuamente testadas de acordo com os tipos de águas residuais.
Atualmente, floculantes compostos de cloreto de polialumínio-poliacrilamida são comumente usados e apresentam boa eficácia; no entanto, eles apresentam certos riscos ambientais. Pesquisas futuras poderiam se concentrar na combinação de floculantes inorgânicos de sílica polimérica com floculantes orgânicos naturais de alto peso molecular para aumentar o respeito ao meio ambiente. Se a produção industrial de floculantes microbianos puder ser alcançada, os sistemas floculantes compostos inorgânico-microbianos também deverão produzir excelentes resultados de tratamento.
A deterioração da qualidade da água devido às actividades de produção humana tornou o tratamento não poluente e eficiente em termos de recursos das águas residuais uma questão urgente. O uso de métodos e agentes de floculação apropriados pode alcançar excelentes resultados de tratamento com baixos custos. Atualmente, os floculantes passaram de baixo peso molecular para alto peso molecular e de tipo único para tipo composto, removendo efetivamente impurezas suspensas e dissolvidas, metais pesados e cores de águas residuais.