Capítulo-7-pH-Acidez-Alcalinidade-e-Dureza-V1

7/24/2019 Captulo-7-pH-Acidez-Alcalinidade-e-Dureza-V1

1/26

CAPTULO 7

CARACTERSTICAS QUMICAS DAS GUAS:

pH, ACIDEZ, ALCALINIDADE E DUREZA

7.1. pH ....................................................................................................................................... 166

7.1.1. Conceito ................................................................................................................ 166

7.1.2. Importncia nos estudos de controle de qualidade de guas .............................. 167

7.1.3. Determinao de pH ............................................................................................. 169

7.1.4. Correo de pH ..................................................................................................... 172

7.2. ACIDEZ DAS GUAS ........................................................................................................ 173

7.2.1. Definio analtica ................................................................................................. 173

7.2.2. Fontes de acidez nas guas ................................................................................. 173

7.2.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade de guas .............................. 174

7.2.4. Determinao da acidez das guas ...................................................................... 175

7.2.5. Controle da acidez das guas .............................................................................. 176

7.3. ALCALINIDADE DAS GUAS ........................................................................................... 176

7.3.1. Definio analtica ................................................................................................. 176

7.3.2. Fontes de alcalinidade nas guas ........................................................................ 177

7.3.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade das guas............................. 177

7.3.4. Determinao da alcalinidade ............................................................................... 179

7.3.5. Controle da alcalinidade das guas ...................................................................... 182

7.4. DUREZA DAS GUAS ....................................................................................................... 183

7.4.1. Definio ............................................................................................................... 183

7.4.2. Fontes de dureza nas guas ................................................................................ 183

7.4.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade das guas............................. 184

7.4.4. Graus de dureza ................................................................................................... 185

7.4.5. Tipos de dureza .................................................................................................... 185

7.4.6. Relao entre alcalinidade e dureza ..................................................................... 186

7.4.7. Pseudo-dureza ...................................................................................................... 186

7.4.8. Determinao da dureza ....................................................................................... 186

7.4.9. Remoo da dureza .............................................................................................. 188

7.5. QUESTES PROPOSTAS .................................................... Error! Marcador no definido.

7.6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................................... 190


2/26

166

CAPTULO 7

CARACTERSTICAS QUMICAS DAS GUAS:

pH, ACIDEZ, ALCALINIDADE E DUREZA

7.1. pH

7.1.1. Conceito

O primeiro equilbrio qumico de interesse que ocorre na gua a

dissociao de sua prpria molcula, que pode ser representada atravs da seguinte

equao qumica:

H2O H+ + OH-

Mais propriamente, o on hidrognio, H+, permanece associado prpria

molcula de gua na forma do on hidrnio, de modo que este equilbrio pode ser

melhor representado pela seguinte equao qumica:

2H2OH3O++ OH-

Voltando forma anterior mais simplificada de se expressar talequilbrio, a constante de equilbrio da reao, Keq, pode ser expressa por:

Keq = [H].[OH-][H2O]

A concentrao molar de gua, [H2O], constante e igual a 1000g/18 =

55,5 mol / L, definindo-se uma nova constante de equilbrio, Kw, que o produto inico

da gua:Kw= [H+].[OH-]


3/26

167

O valor de Kw, medido 25C, 1,1 x 10-14. Em decorrncia da

dificuldade de se trabalhar com nmeros muito pequenos, tanto para se expressar

concentraes molares como constantes de equilbrio, introduziu-se na qumica a

notao p(x) = - log x. Em 1909, Srensen criou a escala de pH, ou de potencial

hidrogeninico, grandeza que define o fator de intensidade de acidez, que se baseia no

antilogaritmo das concentraes de H+, ou seja: pH = - log [H+]

Na equao anterior, extraindo-se o logaritmo decimal de ambos os

membros, tem-se:

- log Kw= - log [H+] - log[OH-]

p Kw= pH + pOH

a 25C pH + pOH = 14,

de onde se deduz que o ponto neutro correspondente ao valor de pH = 7 pois teramos,

para pKw = 14, pOH = 7 e portanto pH = pOH. Note-se que para outros valores de

temperatura, o valor de pKwvaria e a neutralidade no corresponde a pH = 7,0.

Para 0C, por exemplo, o ponto neutro ocorre em pH = 6,5 e, a 60C,

corresponde ao pH = 7,5.

Conclusivamente, o pH representa a atividade do on hidrognio na gua,

de forma logaritmizada, resultante inicialmente da dissociao da prpria molcula da

gua e posteriormente acrescida pelo hidrognio proveniente de outras fontes como

efluentes industriais (cido sulfrico, clordrico, ntrico, etc), dissociao de cidos

orgnicos como o cido actico, que resulta da fase cida da decomposio anaerbia

da matria orgnica, bem como outras substncias que venham a apresentar reao cida

com o solvente (gua).

7.1.2. Importncia nos estudos de controle de qualidade deguas

Por influir em diversos equilbrios qumicos que ocorrem naturalmente

ou em processos unitrios de tratamento de guas, o pH um parmetro importante em

muitos estudos no campo do saneamento ambiental.


4/26

168

A influncia do pH sobre os ecossistemas aquticos naturais d-se

diretamente devido a seus efeitos sobre a fisiologia das diversas espcies. Tambm o

efeito indireto muito importante, podendo determinadas condies de pH contriburem

para a precipitao de elementos qumicos txicos como metais pesados; outras

condies podem exercer efeitos sobre a solubilidade de nutrientes. Desta forma, as

restries de faixas de pH so estabelecidas para as diversas classes de guas naturais,

tanto de acordo com a legislao federal (Resoluo n357 do CONAMA, de maro de

2005), como pela legislao do Estado de So Paulo (Decreto n8468), que permitem

moderados afastamentos do valor de pH = 7,0, tomado como referncia. O valor de pH

tambm um resultado importante para a composio dos chamados ndices de

qualidade de guas. No clculo do IQA utilizado pela CETESB, o pH um dos nove

parmetros escolhidos. Os critrios de proteo vida aqutica fixam o pH entre 6 e 9.

Nos ecossistemas formados nos tratamentos biolgicos de esgotos o pH

tambm uma condio que influi decisivamente no processo. Normalmente, a condio

de pH que corresponde formao de um ecossistema mais diversificado e a um

tratamento mais estvel a de neutralidade, tanto em meios aerbios como nos

anaerbios. Nos reatores anaerbios, a acidificao do meio acusada pelo decrscimo

do seu pH, indicando situao de desequilbrio. A produo de cidos orgnicos volteis

pelas bactrias acidificadoras e a no utilizao destes ltimos pelas metanobactrias

uma situao de desequilbrio que pode ser devido a diversas causas. O decrscimo no

valor do pH, que a princpio funciona como indicador do desequilbrio, passa a atuar

como causa, se no for corrigido a tempo. Nos reatores aerbios, a nitrificao do

esgoto (ou oxidao da amnia a nitrato, conforme ser visto adiante), que um efeito

desejvel, leva a um consumo de alcalinidade do meio e queda de pH, exigindo, em

certas circunstncias, a alcalinizao artificial.

possvel que alguns efluentes industriais possam ser tratados

biologicamente em seus valores naturais de pH, por exemplo, em torno de 5,0. Nesta

condio, o meio talvez no permita uma grande diversificao hidrobiolgica, mas

pode acontecer que os grupos mais resistentes, algumas bactrias e fungos,

principalmente, tornem possvel a manuteno de um tratamento eficiente e estvel;

mas, em geral, procede-se neutralizao prvia do pH dos efluentes industriais antes

de serem submetidos ao tratamento biolgico.

Nas estaes de tratamento de gua, so vrias as unidades cujo controleenvolve as determinaes de pH. A coagulao e a floculao que a gua sofre


5/26

169

inicialmente um processo unitrio dependente do pH; existe uma condio

denominada pH timo de floculao que corresponde situao em que as partculas

coloidais apresentam menor quantidade de carga eletrosttica superficial. A desinfeco

pelo cloro um outro processo dependente do pH. Em meio cido, a dissociao do

cido hipocloroso formando on hipoclorito menor, sendo o processo mais eficiente,

conforme ser visto. A prpria distribuio da gua final afetada pelo pH. As guas

cidas so corrosivas, ao passo que as alcalinas so incrustantes. Por isso o pH da gua

final deve ser controlado, para que os carbonatos presentes sejam equilibrados e no

ocorra nenhum dos dois efeitos indesejados mencionados. A gua levemente alcalina

resulta numa tnue pelcula de carbonato na parede interna da tubulao, que se impe

como barreira a processos corrosivos, sem formar incrustaes expressivas.

O pH padro de potabilidade, recomendando-se que as guas para

abastecimento pblico apresentem valores entre 6,0 e 9,5, de acordo com a Portaria

518/2004 do Ministrio da Sade. Outros processos fsico-qumicos de tratamento,

como o abrandamento pela cal, so dependentes do pH.

No tratamento fsico-qumico de efluentes industriais, muitos so os

exemplos de reaes dependentes do pH: a precipitao qumica de metais pesados

ocorre em pH elevado; a oxidao qumica de cianeto ocorre em pH elevado; a reduo

do cromo hexavalente forma trivalente ocorre em pH baixo; a oxidao qumica de

fenis em pH baixo; a quebra de emulses oleosas mediante acidificao; o arraste de

amnia convertida forma gasosa se d mediante elevao de pH, etc. Desta forma, o

pH um parmetro importante no controle dos processos fsico-qumicos de tratamento

de efluentes industriais. Constitui-se tambm em padro de emisso de esgotos e de

efluentes lquidos industriais, tanto pela legislao federal quanto pela estadual. Na

legislao do Estado de So Paulo, estabelece-se faixa de pH entre 5 e 9 para o

lanamento direto nos corpos receptores (artigo 18 do Decreto 8468), mesmos limitesimpostos pela RESOLUO 357 do CONAMA, e entre 6 e 10 para o lanamento na

rede pblica seguida de estao de tratamento de esgotos (Decreto 8468, artigo 19-A).

7.1.3. Determinao de pH

Para a determinao de pH so disponveis os seguintes mtodos:


6/26

170

a) mtodo eletromtrico (eletrodo de pH ou pH-metro)

b) mtodo comparativo utilizando-se o papel indicador universal de pH

c) kits utilizados em piscinas (indicadores colorimtricos em soluo

lquida)

O mtodo eletromtrico mais preciso e portanto, mais recomendvel

para as aplicaes em laboratrio e para o controle dos sistemas de uma maneira geral.

Para algumas condies de campo em que no exigida grande preciso, o papel

indicador de pH pode ser utilizado para estimativas preliminares.

O pH-metro (Figura 7.1.) consiste em um potencimetro, um eletrodo de

vidro, um eletrodo de referncia e um dispositivo de compensao de temperatura.

Quando os eletrodos so imersos na soluo, um circuito formado atravs do

potencimetro. O eletrodo de referncia consiste em uma semi-clula que gera um

potencial de eletrodo constante. Geralmente so utilizados eletrodos de prata/cloreto de

prata e, em menor escala, cloreto de mercrio (chamado calomelano). O eletrodo

indicador constitudo por um bulbo de vidro especial (borossilicato de sdio) contendo

uma concentrao fixa de HCl ou uma soluo tampo com pH conhecido em contato

com um eletrodo de referncia interno. Quando se imerge o eletrodo na soluo, a

superfcie externa do bulbo se hidrata, promovendo-se assim a troca de ons sdio com

ons H+da soluo, de modo a formar uma camada superficial de ons hidrognio. Este

fato se associa repulso de nions, como stios de silicatos negativamente carregados,

por exemplo, produzindo um potencial na interface da soluo (vidro), que funo da

atividade dos ons H+na soluo.

Os pH-metros devem ser calibrados com solues tampo, antes da sua

utilizao, apresentando uma variao de 55 a 59 mV/unidade depH, em ambas as

faixas de calibrao. O bulbo do eletrodo deve ser sempre bem conservado, mantidoimerso em soluo de cloreto de potssio. A imerso em gua destilada provoca diluio

da soluo interna, no sendo procedimento recomendado.Existem pH-metros portteis,

que podem ser utilizados em campo, alimentados por baterias. Alm dos pH-metros de

laboratrio, existem os industriais, cujas sondas podem ser imersas diretamente nos

tanques de tratamento, emitindo informaes contnuas em tempo real.


7/26

171

Figura 7.1. pHmetro de bancada

Os indicadores de pH so substncias qumicas que apresentam

mudanas bruscas de colorao em funo da variao do pH do meio. Existem

compostos qumicos capazes de cobrir toda faixa de variao de pH, conforme indicado

na Tabela 7.1.

Tabela 7.1. Solues indicadoras de pH.

INDICADOR FAIXA DE pHCOR EM MEIO

CIDO

COR EM MEIO

BSICO

Alaranjado de Metila 3,1 - 4,6 Vermelho Laranja

Verde de Bromocresol 3,8 - 5,4 Amarelo Azul

Vermelho de Metila 4,4 - 6,2 Vermelho Amarelo

Tornassol 4,5 - 8,3 Vermelho Azul

Azul de Bromotimol 6,0 - 7,6 Amarelo Azul

Vermelho Cresol 7,2 - 8,8 Amarelo Vermelho

Vermelho Fenol 6,8 - 8,4 Amarelo Vermelho

Azul de Timol 8,0 - 9,6 Amarelo Azul

Fenolftalena 8,2 - 9,8 Incolor Vermelho

Timolftalena 9,3 - 10,5 Incolor Azul

Amarelo Alizarina 10,1 - 11,1 Amarelo Lils


8/26

172

7.1.4. Correo de pH

Em muitas situaes de tratamento, ocorre a necessidade de se alterar o

valor do pH das guas, de forma a atender a determinadas exigncias. Para a elevao

de pH, os compostos mais utilizados so a soda custica (hidrxido de sdio), a cal

hidratada (hidrxido de clcio) e a barrilha (carbonato e bicarbonato de sdio).

A soda custica apresenta como principal vantagem a sua elevada

solubilidade, possibilitando uma operao mais simples do sistema de dosagens. A cal

mais barata, mas a sua baixa solubilidade e a presena de impurezas como a areia, que

provoca corroso em sistemas de recalque, prejudicam o seu uso. Existe uma cal

especial para uso no tratamento de guas, com pureza elevada. A cal tem a vantagem,

em relao soda, de apresentar o on clcio, que bivalente. Isto pode ser importante

quando se deseja a ocorrncia de floculao, alm da alterao do pH. A barrilha mais

cara, mas apresenta a vantagem de produzir efeito tampo, sendo utilizada em

reatores anaerbios desequilibrados, onde alm da elevao do pH se deseja sua

manuteno naquele patamar mais elevado.

Para o abaixamento do pH normalmente empregam-se cidos minerais,como o clordrico e sulfrico. Normalmente o cido clordrico comercial (muritico)

mais barato, alm do que, quando se trata de um efluente industrial a ser lanado na rede

pblica de esgotos, a presena de sulfato mais preocupante por poder ser reduzido a

sulfeto em meio anaerbio, trazendo problemas de odor, toxicidade e corrosividade.

Assim, constitui-se a concentrao de sulfato em padro de emisso de esgotos (artigo

19-A do Decreto 8468 Estado de So Paulo). E bvio que, por outro lado, o uso do

cido clordrico no recomendvel quando se antev problemas com o residualexcessivo de cloreto nas guas.

Cresce atualmente muito em termos de aplicao industrial a utilizao

do gs carbnico, que apresenta vantagens econmicas, podendo inclusive ser

produzido na prpria unidade industrial, alm da vantagem tcnica de eliminar o

manuseio de cidos minerais que so corrosivos. O gs carbnico no apresenta

capacidade quando se necessita de acidificaes extremas.


9/26

173

7.2. ACIDEZ DAS GUAS

7.2.1. Definio analtica

Acidez de uma gua pode ser definida como sua capacidade de reagir

quantitativamente com uma base forte at um valor definido de pH, devido presena

de cidos fortes (cidos minerais: clordrico, sulfrico, ntrico, etc.), cidos fracos

(orgnicos: cido actico, por exemplo, e inorgnicos: cido carbnico, por exemplo) e

sais que apresentam carter cido (sulfato de alumnio, cloreto frrico, cloreto de

amnio, por exemplo).

7.2.2. Fontes de acidez nas guas

O gs carbnico um componente habitual da acidez das guas naturais.

Vale lembrar que o gs carbnico dissolvido na gua representa o cido carbnico,

atravs do seguinte equilbrio qumico:

CO2+ H2O

H2CO3Portanto, embora o gs carbnico no chegue a provocar profundas

condies de acidez nas guas, um componente importante por estar sempre presente,

mediante sua dissoluo na gua proveniente da atmosfera, por diferena de presso

parcial (Lei de Henry) ou por resultar, em caso de guas poludas, da decomposio

aerbia ou anaerbia da matria orgnica. Isto ocorre tambm no hipolmnio de lagos

estratificados e em guas subterrneas, especialmente aquelas com nveis reduzidos de

carbonatos, pois estes reagem com o gs carbnico formando bicarbonatos. O gs

carbnico bastante solvel na gua, podendo normalmente ser encontrada

concentrao deste gs bem superior s de oxignio dissolvido.

Os cidos minerais surgem em guas naturais principalmente atravs de

descargas de efluentes industriais no neutralizados. So muito os ramos industriais que

utilizam-se de cidos em seus processos industriais, destacando-se as metalurgias e a

siderurgia, onde so freqentes os processos de decapagem cida. A decapagem em

muitos casos necessria para a remoo da camada oxidada (ferrugem) das peas, antes

de seu uso ou de seu recobrimento por outro metal (etapa de galvanoplastia). Em guas


10/26

174

naturais, a acidez mineral pode ser formada atravs da oxidao de sulfetos, como

indicado nas equaes qumicas:

2 So+ 3 O2+ 2 H2O2 H2SO4

FeS + 3 O2+ H2OFeSO4+ H2SO4

Estas reaes podem ser enzimticas. Tambm a hidrlise de sais de

alguns metais pode levar formao de acidez mineral nas guas, como ocorre nas

estaes de tratamento de guas para abastecimento pblico na etapa de coagulao, por

exemplo, com cloreto frrico ou sulfato de alumnio, conforme indicado nas equaes

qumicas:

FeCl3+ 3 H2O Fe (OH)3 + 3 H++ 3 Cl-

Al2 (SO4)3+ 6 H2O2 Al (OH)3 + 6 H++ 3 S04-2

Os hidrxidos metlicos formados so insolveis, precipitando-se e

promovendo a floculao por varredura.

7.2.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade deguas

No h praticamente nenhuma relaoda qualidade da gua com o gs

carbnico, sob o ponto de vista da sade pblica. Os cidos minerais que possivelmente

teriam, so identificados pela manifestao de sabor azedo em concentraes

relativamente baixas.

A grande importncia no controle da acidez das guas reside nos estudos

de corroso, que pode ser provocada tanto pelo gs carbnico (presente em guas

naturais) como pelos cidos minerais (presentes em efluentes industriais). O parmetro

acidez no se constitui, apesar de sua importncia, em qualquer tipo de padro, seja de

potabilidade, de classificao das guas naturais ou de emisso de esgotos; o efeito da

acidez controlado legalmente pelo valor do pH.

A acidez quantificada em mg CaCO3/L tem seu uso restrito ao controledos processos de tratamento. o caso, por exemplo, do parmetro cidos volteis,


11/26

175

utilizado no controle de reatores anaerbios de tratamento de esgotos. Sabe-se que,

nestes, a concentrao de cidos volteis deve ser mantida baixa e que um aumento

representa desequilbrio entre a fase de fermentao cida e a metanognese. As

metanobactrias utilizam os cidos volteis e, quando seus crescimentos encontram-se

inibidos, ocorre acmulo de cidos no sistema e o pH cai.

O gs carbnico tambm est envolvido com o consumo de cal no

processo de abrandamento de gua pelo processo conhecido por cal e soda (neste caso

soda representa a soda-barrilha, carbonato de sdio). Em diversas etapas deste

processo, o gs carbnico reage com a cal, precipitando carbonato de clcio.

7.2.4. Determinao da acidez das guas

Basicamente, a determinao da acidez de uma amostra de gua consiste

em uma titulao de neutralizao cido/base, empregando-se soluo de hidrxido de

sdio 0,02 mol/L como titulante. O final da reao pode ser indicado

potenciometricamente, imergindo-se o eletrodo do pH-metro na amostra e anotando-se

os volumes gastos de NaOH quando so atingidos valores preestabelecidos de pH (8,3 e

4,5). Pode tambm o ponto final ser determinado utilizando-se indicadores

colorimtricos. Historicamente tem-se utilizado a fenolftalena, que apresenta ponto de

viragem em pH de cerca de 8,3 e o alaranjado de metila, cuja viragem ocorre em pH de

cerca de 4,5. O Standard Methods, em sua 18 edio, props a alterao dos

indicadores para prpura de metacresol (pH 8,3) e verde de bromocresol (pH 4,5). Em

ambos os casos ocorre viragem de azul para amarelo.

Trata-se, portanto, de anlise de fcil execuo e que no exige

instrumentao sofisticada.

Para a determinao da acidez total da amostra necessrio titular-se at

o pH 8,3, pois somente neste valor de pH garante-se a total neutralizao do gs

carbnico presente na amostra, prevalecendo apenas o equilbrio entre bicarbonatos e

carbonatos. J os cidos minerais prevalecem em faixas mais baixas de pH,

normalmente em valores inferiores a 4,0, enquanto que o gs carbnico est presente na

faixa 4,5-8,3.


12/26

176

Para a neutralizao destes cidos minerais basta o pH ser elevado at 4,5

(ver curva de titulao de cidos fortes). Este segundo limite utilizado para se fazer a

distino entre a acidez mineral e a devida ao CO2, conforme o diagrama (Figura 7.2.):

Figura 7.2. Diagrama de acidez total, mineral e devida a CO2.

Os resultados de acidez das amostras so expressos em mg/L de CaCO3.

Esta a forma de expresso usual, pois a acidez representa um conjunto de substncias,

e no necessariamente uma nica. Por isso, necessrio utilizar-se um soluto de

referncia, para transformar dados de concentrao molar em mg/L, sendo que o CaCO3

utilizado universalmente, permitindo a comparao entre resultados em mg/L.

7.2.5. Controle da acidez das guas

Controlar acidez significa adicionar substncias neutralizadoras, as

mesmas indicadas para a elevao de pH.

7.3. ALCALINIDADE DAS GUAS

7.3.1. Definio analtica

Alcalinidade de uma amostra de gua pode ser definida como sua

capacidade de reagir quantitativamente com um cido forte at um valor definido de pH.


13/26

177

7.3.2. Fontes de alcalinidade nas guas

Os principais componentes da alcalinidade so os sais do cido

carbnico, ou seja, bicarbonatos e carbonatos, e os hidrxidos. Outros sais de cidos

fracos inorgnicos, como boratos, silicatos, fosfatos, ou de cidos orgnicos, como sais

de cido hmico, cido actico, etc., tambm conferem alcalinidade s guas, mas seus

efeitos normalmente so desconsiderados por serem pouco representativos. Alm disto,

esta particularizao permite o clculo dos trs componentes da alcalinidade,

individualmente.

Os bicarbonatos e, em menor extenso, os carbonatos, que so menos

solveis, dissolvem-se na gua devido sua passagem pelo solo. Se este solo for rico

em calcreo, o gs carbnico da gua o solubiliza, transformando-o em bicarbonato,

conforme a reao:

CO2+ CaCO3+ H2OCa (HCO3)2

Os carbonatos e hidrxidos podem aparecer em guas onde ocorrem

floraes de algas (eutrofizadas), sendo que em perodo de intensa insolao o saldo da

fotossntese em relao respirao grande e a retirada de gs carbnico provoca

elevao de pH para valores que chegam a atingir 10 unidades. A principal fonte de

alcalinidade de hidrxidos em guas naturais decorre da descarga de efluentes de

indstrias, onde se empregam bases fortes como soda custica e cal hidratada. Em guas

tratadas, pode-se registrar a presena de alcalinidade de hidrxidos em guas

abrandadas pela cal.

7.3.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade dasguas

A alcalinidade das guas no representa risco potencial sade pblica.

Provoca alterao no paladar e a rejeio da gua em concentraes inferiores quelas

que eventualmente pudessem trazer prejuzos mais srios. A alcalinidade no se


14/26

178

constitui em padro de potabilidade, ficando este efeito limitado pelo valor do pH.

Tambm no padro de classificao de guas naturais nem de emisso de esgotos,

sendo que a importncia deste parmetro se concentra no controle de determinados

processos unitrios utilizados em estaes de tratamento de guas para abastecimento e

residurias. Na etapa de floculao de guas para abastecimento pblico, a alcalinidade

da gua assume fundamental importncia na ocorrncia do fenmeno denominado

floculao por varredura, que muitas vezes o mecanismo de floculao mais atuante.

Neste processo, o coagulante reage com a alcalinidade da gua formando hidrxidos

metlicos polimerizados altamente insolveis (de alumnio ou de ferro, dependendo do

coagulante utilizado), que arrastam partculas coloidais em seus percursos de

sedimentao. So previstas relaes estequiomtricas entre dosagem de coagulantes e

alcalinidade necessria. Em alguns casos, observa-se que, apesar de a gua apresentar

alcalinidade natural suficiente para reagir com o coagulante, ainda assim adiciona-se cal

hidratada no processo de floculao que, para esta funo, pode ser considerado

desnecessrio, podendo at mesmo trazer efeitos adversos ao tratamento.

No campo do tratamento de esgotos, bastante antiga a aplicao da

digesto anaerbia de lodos. Neste digestores, considera-se necessria a presena de

alcalinidade de bicarbonatos elevada, entre 1000 e 5000 mg/L em CaCO3, para produzir

efeito tampo suficiente para impedir queda brusca de pH em caso de desequilbrio.

Mais recentemente, com o desenvolvimento de reatores anaerbios de alta taxa para o

tratamento de esgotos, este conceito evoluiu no sentido de que a alcalinidade uma

condio de segurana, embora nem sempre indispensvel, tendo-se operado reatores

anaerbios de fluxo ascendente e manto de lodo e filtros anaerbios em faixas de pH

mais baixas. O importante a manuteno de uma relao alcalinidade/cidos volteis

elevada. Diversos pesquisadores observaram, inclusive, a produo natural de

alcalinidade em reatores anaerbios devido formao de sais de cidos volteis. Nestescasos, o pH dos efluentes tratados superior ao registrado na entrada do reator, sem que

se tenha adicionado alcalinizante artificialmente.

A alcalinidade das guas associa-se dureza, como ser visto adiante,

sendo responsvel pela precipitao de carbonatos principalmente em sistemas de guas

quentes, provocando a formao de incrustaes.


15/26

179

7.3.4. Determinao da alcalinidade

A alcalinidade das guas determinada atravs de titulao de

neutralizao cido/base, empregando cido sulfrico 0,01 mol/L. A titulao tambmneste caso pode ser acompanhada potenciometricamente ou com o emprego de

indicadores cido-base. Os limites de pH ou as solues indicadoras so os mesmos

utilizados para a determinao da acidez da gua. Entretanto, trata-se do processo

inverso, ou seja, a gua apresenta alcalinidade at o valor inferior de pH igual a 4,5, que

corresponde ao limite da converso de bicarbonatos em gs carbnico. Desta forma, a

gua pode possuir acidez e alcalinidade simultaneamente na faixa de pH entre 4,5 e 8,3

devido ao equilbrio gs carbnico/bicarbonato/carbonato, podendo neutralizar umaao externa atravs do deslocamento deste equilbrio de dois estgios, sem que o pH

varie demasiadamente (efeito tampo).

Os limites de pH utilizados na determinao da alcalinidade so

mostrados no diagrama (Figura 7.3):

Figura 7.3. Diagrama de Alcalinidade Total (T) e Fenolftalena (P).

Tambm no caso da alcalinidade, no Standard Methods se encontra

proposto a alterao dos indicadores, recomendando o verde de bromocresol (pH = 4,5)

e a prpura de metacresol (pH = 8,3).

Portanto, podem ser determinados dois valores, P e T, e com estes

resultados existem procedimentos para que se possa calcular os trs componentes da

alcalinidade, hidrxidos, carbonatos e bicarbonatos, individualmente. Neste mtodo

emprico, so formuladas trs hipteses:


16/26

180

1) Alcalinidades de hidrxido e de bicarbonato no podem coexistir em uma amostra,

pois a alcalinidade devida a hidrxido tpica de meio com pH superior a 10,

situao em que prevalece a forma de carbonato e no bicarbonato. Desta primeira

hiptese, decorrem cinco situaes possveis. As amostras podero conter:

a) S alcalinidade de hidrxido. o caso de amostras com pH elevado (superior a

10). A titulao essencialmente completada em pH 8,3 e a alcalinidade total

igual a alcalinidade fenolftalena.

b) S alcalinidade de carbonato. Neste caso, a amostra dever apresentar pH

superior a 8,3 e a titulao ao ponto da fenolftalena exatamente igual

metade da titulao total.

c) Alcalinidade de hidrxido e carbonato. Este caso tambm corresponde

amostras com pH elevado, bem superior a 10. A titulao entre os pontos 8,3

e 4,5 representa metade da alcalinidade de carbonato.

d) Alcalinidade de carbonato e bicarbonato. Neste caso o pH da amostra dever

estar compreendido entre 8,3 e 11,0 e a titulao ao pH 8,3 representa metade

da alcalinidade de carbonato.

e) S alcalinidade de bicarbonato. Ocorre em amostras com pH inferior a 8,3.

Neste caso a alcalinidade de bicarbonato coincide com a alcalinidade total.

2) Alcalinidade de hidrxido ocorre at pH 8,3. Na verdade, com base na curva de

titulao de bases fortes, observa-se que o pH igual a 10 seria suficiente. Esta

hiptese est a favor da segurana e a coincidncia com o limite da converso de

carbonato em bicarbonato (pH 8,3) facilita a obteno dos resultados.

3) Os carbonatos so 50% neutralizados at pH igual a 8,3. Isto porque at o pH 8,3

ocorre apenas a transformao em bicarbonatos, necessitando-se de igual

quantidade do titulante para a converso final dos bicarbonatos em gs carbnico.

Estas hipteses podem ser sintetizadas por meio do diagrama da Figura 7.4.


17/26

181

Figura 7.4. Diagrama esquemtico das situaes de alcalinidade.

Interpretando-se este diagrama, obtm-se a Tabela 7.2 utilizada para oclculo dos componentes da alcalinidade:

Tabela 7.2. Clculo dos componentes da alcalinidade.

RESULTADO DA

TITULAO

HIDRXIDO CARBONATO BICARBONATO

P = 0 0 0 TP < T 0 2P T - 2P

P = T 0 2P 0

P > T 2P-T 2(T-P) 0

P = T T 0 0

Os resultados de alcalinidade so tambm expressos em mg/L CaCO3por

tratar-se de mistura de componentes, como no caso da acidez. Caso sejam calculados ostrs componentes, a sim possvel expressar-se o resultado em termos de mg/L de

hidrxido, carbonato ou bicarbonato.

EXEMPLO: Foram tituladas 04 (quatro) amostras de gua com H2SO4 0,01 mol/L.

Foram utilizados 100 mL de amostra em cada titulao, tendo-se obtido os seguintes

resultados (Tabela 7.3.):


18/26

182

Tabela 7.3. Resultados de titulao em exemplo de clculo de alcalinidade

AMOSTRA pH INICIAL mL DE H2SO4GASTOS NA TITULAO

F.F. A.M.

A 11,0 10,0 15,5B 10,0 14,4 38,6

C 11,2 8,2 8,4

D 7,0 0 12,7

Soluo:

Cculo das alcalinidades:

,000.100xSOH

=)CaCOL/mg(dealcalinidaVM

AMOST RA

3

42

onde o nmero 100.000 representa o peso molecular do CaCO3expresso em mg. Para

VM AMOSTRAe01,0=SOH 42 = 100 mL, pode-se concluir que para a clculo da

alcalinidade, para estas condies, basta multiplicar o resultado da titulao por 10.

Assim, tem-se (Tabela 7.4.):

Tabela 7.4. Resultados do clculo de alcalinidade

Amostra

Alcalinidade

(mg/LcaCO3)

Hidrxido

(mg/L CaCO3)

Carbonato

(mg/L CaCO3)

Bicarbonato

(mg/L CaCO3)

P T

A 100 155 45 110 0

B 144 386 0 288 98

C 82 84 80 4 0D 0 127 0 0 127

7.3.5. Controle da alcalinidade das guas

A reduo da alcalinidade das guas feita mediante a adio de

substncias neutralizadoras, as mesmas indicadas para o abaixamento de pH.


19/26

183

7.4. DUREZA DAS GUAS

7.4.1. Definio

Dureza de uma gua a medida da sua capacidade de precipitar sabo,

isto , nas guas que a possuem,os sabes transformam-se em complexos insolveis,

no formando espuma at que o processo se esgote. causada pela presena de clcio e

magnsio, principalmente, alm de outros ctions como ferro, mangans, estrncio,

zinco, alumnio, hidrognio, etc, associados a nions carbonato (mais propriamente

bicarbonato, que mais solvel) e sulfato, principalmente, alm de outros nions como

nitrato, silicato e cloreto. So quatro os principais compostos que conferem dureza s

guas: bicarbonato de clcio, bicarbonato de magnsio, sulfato de clcio e sulfato de

magnsio.

7.4.2. Fontes de dureza nas guas

A principal fonte de dureza nas guas a sua passagem pelo solo

(dissoluo da rocha calcrea pelo gs carbnico da gua), conforme as reaes:

H2CO3+ CaCO3Ca (HCO3)2

H2CO3+ MgCO3Mg (HCO3)2

Desta forma, muito mais freqente encontrar-se guas subterrneas

com dureza elevada do que as guas superficiais. O mapa geolgico do territrio

brasileiro permite a observao de regies que apresentam solos com caractersticas de

dureza como no nordeste, centro-oeste e sudeste, mas o problema muito mais grave

nos Estados Unidos e Europa onde muitas regies esto sujeitas a graus bastante

elevados de dureza nas guas devido composio do solo.


20/26

184

A poluio das guas superficiais devido atividade industrial pouco

significativa com relao dureza, embora os compostos que a produzem sejam

normalmente utilizados nas fbricas. As guas tratadas em estaes convencionais

apresentam dureza geralmente um pouco superior das guas brutas devido ao uso da

cal hidratada. A cal reage com o sulfato de alumnio, formando sulfato de clcio. Mas as

dosagens so relativamente pequenas em relao aos nveis de dureza necessrios para

implicar em problemas para os usos da gua tratada.

7.4.3. Importncia nos estudos de controle de qualidade dasguas

Para o abastecimento pblico de gua, o problema se refere inicialmente

ao consumo excessivo de sabo nas lavagens domsticas. H tambm indcios da

possibilidade de um aumento na incidncia de clculo renal em cidades abastecidas com

guas duras, o que traduz um efetivo problema de sade pblica. A Portaria n

1469/2000 do Ministrio da Sade, limita a dureza em 500 mg/L CaCO3como padro

de potabilidade. Este padro no muito restritivo, pois uma gua com 500 mg/L de

dureza classificada como muito dura mas, por outro lado, uma restrio muitosevera pode inviabilizar muitos abastecimentos pblicos que utilizam gua dura, por no

disporem dos recursos necessrios para a remoo da dureza ou abrandamento da gua.

Para o abastecimento industrial, a grande dificuldade da presena de

dureza nas guas est em seu uso em sistemas de gua quente como caldeiras,

trocadores de calor, etc. Com o aumento da temperatura, o equilbrio se desloca no

sentido da formao de carbonatos que precipitam e incrustam, o que j levou diversas

caldeiras exploso.Nas guas naturais, a dureza uma condio importante, por formar

complexos com outros compostos, modificando seus efeitos sobre os constituintes

daquele ecossistema. Por isso, a dureza um parmetro tradicionalmente utilizado no

controle de bioensaios de avaliao de toxicidade de substncias ou de efluentes.


21/26

185

7.4.4. Graus de dureza

Existem diversas escalas de dureza, como a alem, por exemplo.

Entretanto, apresenta-se aqui uma escala de origem americana, j que ela utilizadainternacionalmente (Tabela 7.5.):

Tabela 7.5. Grau de dureza das guas

mg/L CaCO3 GRAU DE DUREZA

0 - 75 branda ou mole

75150 moderadamente dura

150300 Dura

acima de 300 muito dura

7.4.5. Tipos de dureza

A dureza classificada quanto aos ctions e quanto aos nions

associados a estes.

Estas classificaes so importantes para as previses de tipos e

dosagens de reagentes, nos processos de abrandamento.

Quanto ao ction, a dureza classificada em dureza ao clcio e dureza ao

magnsio. A dureza total a soma da dureza ao clcio com a dureza ao magnsio. No

se trata de uma simples soma, pois a dureza expressa em mg/L CaCO 3, havendo

necessidade de transformao de equivalentes. Assim, uma gua com 20 mg/L de clcio

e 5 mg/L de magnsio apresentar a seguinte dureza:

Dureza (mg/L CaCO3) = 20 x 50 + 5 x 50 70,20 12

onde os nmeros 50, 20 e 12 representam, respectivamente, os equivalentes-grama do

CaCO3, Ca+2e Mg+2.


22/26

186

Quanto ao nion associado, a dureza classificada como dureza

temporria e dureza permanente. A dureza temporria aquela em que o clcio ou o

magnsio encontram-se associados a carbonatos (ou bicarbonatos). assim chamada

por ser removvel por fervura, incrustando-se em chuveiros, destiladores e outros

sistemas de gua quente. A dureza dita permanente quando o clcio e o magnsio

encontram-se associados a sulfatos. A dureza total a soma da dureza temporria com a

permanente.

7.4.6. Relao entre alcalinidade e dureza

A alcalinidade de bicarbonatos (e carbonatos) equivalente dureza

temporria, sendo vlidas as seguintes relaes:

a) Se alcalinidade de bicarbonatos < dureza total dureza temporria

alcalinidade de bicarbonatos e existe dureza permanente na amostra.

b) Se alcalinidade dureza temporria dureza permanente zero

7.4.7. Pseudo-dureza

A pseudo-dureza provocada pela presena de ons sdio, atravs do

efeito de on comum, em guas do mar e em guas salobras.

7.4.8. Determinao da dureza

A determinao da dureza pode ser feita por espectrofotometria de

absoro atmica ou atravs de titulometria. Utilizando-se o espectrofotmetro de

absoro atmica, obtm-se diretamente as concentraes de clcio e magnsio na

amostra, somando-se os resultados aps transformao dos equivalentes-grama para a


23/26

187

composio da dureza total. o mtodo mais preciso, porm este equipamento caro e

geralmente no disponvel em laboratrios com poucos recursos.

O mtodo titulomtrico mais utilizado a complexometria com EDTA

sdico. A reao de complexao representada na Figura 7.5.

Figura 7.5. Reao de complexao com EDTA para determinao de dureza

A titulao feita com EDTA 0,01 mol/L sendo que a amostra tem seu

pH elevado para 10 atravs da adio de soluo tampo. O indicador metalocrmico

o negro de Eriocromo T (NET), que apresenta viragem de vermelho (vinho) para azul

(escuro), quando a reao de complexao se completa.O resultado da dureza expresso em mg/L CaCO3, atravs da relao:

Dureza (mg/L CaCO3) = MEDTA . VEDTA x 100 000VAMOSTRA

O nmero 100.000 representa o peso molecular do CaCO3expresso em

miligramas e VEDTA representa o volume gasto de EDTA na titulao de determinado

volume de amostra, descontando-se o volume gasto na prova em branco (titulao com

C

O

HO

C

H

H

H

C

H

C

O

HO

N C

H

H

C

H

H

N

C

H

C

O

OH

C

H

C

O

OH

Na

Na

+ Ca+2+

C

O

HO

C

H

H

H

C

H

C

O

HO

N C

H

H

C

H

H

N

C

H

C

O

OH

CH

O

O

C

H

C

Na+a 2+


24/26

188

EDTA da gua desionizada utilizada na determinao, segundo o mesmo procedimento

utilizado com a amostra).

Os componentes da dureza podem ser obtidos determinando-se a dureza

ao clcio e calculando-se a dureza ao magnsio por diferena. Para a determinao da

dureza ao clcio, o mesmo procedimento descrito para a dureza total deve ser utilizado,

apenas diferindo pelos fatos de que o pH deve ser elevado para 13 (para precipitar o

magnsio na forma de hidrxido), utilizando-se hidrxido de amnio, e de que os

indicadores recomendados so o Azul Preto de Eriocromo R (viragem de vermelho para

azul) ou o Murexida (purpurato de amnio - viragem de rosa para prpura).

Nestas determinaes titulomtricas de dureza, o analista deve ter certa

experincia, pois as viragens dos indicadores no so muito ntidas. O mtodo fica

bastante prejudicado quando se tem amostras de guas poludas, sobretudo as que

possuem cor elevada. O pr-tratamento das amostras com suspenso de hidrxido de

alumnio, procedimento recomendado, geralmente no capaz de remover totalmente a

cor, permanecendo interferncia residual

7.4.9. Remoo da dureza

O abrandamento das guas pode ser feito por precipitao qumica ou por

troca-inica. De uma maneira geral, os processos base de troca-inica so mais

eficientes, podendo eliminar totalmente a dureza da gua ou permitir que se trate apenas

parte da vazo para compor a dureza que se deseje na gua tratada. Os processos so

automatizados e produzem pouco lodo. No entanto, esses processos so caros, pelo

menos no que se refere a implantao dos sistemas. Os sistemas base de precipitao

qumica so menos eficientes, no sendo capazes de eliminar totalmente a dureza dagua por obedecer aos princpios do equilbrio qumico. A produo de lodo maior e

exigem-se tcnicos especializados para a realizao das operaes de tratamento. So

menos sensveis qualidade da gua bruta, sendo que, nos processos base de troca

inica, impurezas da gua como matria orgnica servem como substrato e propiciam o

desenvolvimento de microrganismos que atacam as resinas trocadoras promovendo os

seus desgastes, exigindo reposies temporrias de resina.

Historicamente, os processos base de troca inica, que hoje permitem adesmineralizao completa da gua atravs do uso de resinas orgnicas sintticas


25/26

189

catinicas e aninicas, iniciaram-se com o abrandamento da gua. Inicialmente foram

descobertos os zelitos, minerais naturais constitudos de silicatos de alumnio e sdio.

Sabe-se que nos solos, as bactrias, tm comportamento de trocadores inicos. As

colunas preenchidas com zelitos desenvolvem o abrandamento, que pode ser

representado pela equao:

Ze-Na2+ Ca (ou Mg)Ze-Ca (ou Mg) + 2 Na

Ou seja, para cada on clcio ou magnsio retirado da gua dura, so

expelidos dois ons sdio, que no provocam dureza. Quando as colunas tm as suas

capacidades de troca esgotadas, procede-se regenerao, que pode ser feita comsoluo concentrada de cloreto de sdio (salmoura), de acordo com a reao:

Ze-Ca (ou Mg) + 2 NaCl Ze-Na2+ CaCl2

Apesar da eficincia elevada dos processos de troca utilizando-se

zelitos, seus usos tornaram-se limitados devido aos desgastes sofridos pelo trocador emfuno da qualidade da gua a ser tratada. As resinas sintticas apresentam maior

resistncia ao agressiva da gua.

O processo base de precipitao qumica mais conhecido o processo

da cal e soda, onde a cal empregada a cal hidratada e a soda-barrilha o carbonato de

sdio. Neste processo, ocorrem as seguintes reaes:

Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2CaCO3+ H2O

Mg (HCO3)2+ Ca(OH)2CaCO3+ MgCO3

MgCO3+ Ca(OH)2Mg(OH)2CaCO3

MgSO4+ Ca(OH)2Mg(OH)2+ CaSO4

CaSO4+ Na2CO3CaCO3+ Na2SO4


26/26

190

7.6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. APHA, AWWA, WEF, Standard Methods for the Examination of Water and

Wastewater. 20thed. Washington. 2000.

2. CETESB, Legislao Estadual, Controle da Poluio Ambiental. Srie Legislao.

So Paulo, 1991.

3. CETESB, LegislaoFederal, Controle da Poluio Ambiental. Srie Legislao.

So Paulo, 1991.

4. CONAMA, Resoluo no 357/2005. Ministrio do Meio Ambiente, Conselho

Nacional de Meio Ambiente. Braslia, 2005.

5. KATO, M. T. Acidez. Curso Qualidade da gua, do Ar e do Solo. Escola de

Engenharia Mau. So Caetano do Sul/SP, 1983.

6. KATO, M. T. Alcalinidade. Curso Qualidade da gua, do Ar e do Solo. Escola de


7. KATO, M. T. Dureza. Curso Qualidade da gua, do Ar e do Solo. Escola de


8. KATO, M. T. pH. Curso Qualidade da gua, do Ar e do Solo. Escola deEngenharia Mau. So Caetano do Sul/SP, 1983.

9. MINISTRIO DA SADE, Portaria 518/2004. Controle e Vigilncia da Qualidade

da gua para Consumo Humano e seu Padro de Potabilidade. Braslia,

Fundao Nacional da Sade, 2004.

10.POVINELLI, J. Curso Tcnicas Experimentais em Saneamento Ambiental, Ps-

Graduao em Hidrulica e Saneamento. Escola de Engenharia de So Carlos

USP, 1979.11.SAWYER, C.N., Mc CARTY, P.L. e PARKIN, G.F. Chemistry for Environmental

Engineering, Mc Graw-Hill International Editions, Civil Engineering Series,

4th ed., 1994.

Capítulo-7-pH-Acidez-Alcalinidade-e-Dureza-V1

Documents

Transcript of Capítulo-7-pH-Acidez-Alcalinidade-e-Dureza-V1