Avanços na remoção de íons, micro e nano partículas de suspensões aquosas usando cloreto férrico e amido gelatinizado - Oliveira, Henrique Alberton de (2021)
Este trabalho de Tese apresenta um levantamento do estado da arte e a concepção de estudos experimentais contendo avanços e modificações em técnicas consolidadas de separação sólido-líquido para o tratamento de dispersões aquosas. Os objetivos e metas técnicas incluem a remoção de íons metálicos e de micro e nanopartículas por coagulaçãofloculação seguida de sedimentação ou flotação por ar dissolvido (FAD), empregando cloreto férrico e amido de milho gelatinizado, ambos reagentes ambientalmente sustentáveis. A tese está estruturada em quatro capítulos de estudos experimentais (todos os conteúdos foram publicados), em diversos sistemas: i. Tratamento de águas de beneficiamento de sulfetos poli metálicos; ii. Clarificação de águas superficiais contendo partículas suspensas de rejeito de minério de ferro; iii. Remoção de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2-NPs); iv. Clarificação de suspensões aquosas de caulim, visando o tratamento de água bruta. O primeiro capítulo visou a remoção de sólidos suspensos (< 44 μm, 0,1 a 0,5 g L-1) e íons metálicos (Zn2+, Pb2+ e Cu2+), em níveis de bancada e contínuo, de águas residuais (sintéticas) do beneficiamento de sulfetos polimetálicos. Foi projetada e montada uma planta piloto (1,8 a 2,4 m³ h-1) de FAD, considerando os parâmetros físicos e físico-químicos estudados em bancada. A unidade de separação com design inovador possuía uma relação altura/área de 6,9 m-1 e lamelas paralelas inclinadas (50°) posicionadas 20 cm abaixo do nível de água, para gerar um fluxo laminar e uma “cama de bolhas” constante, evitando o arraste de partículas para a zona de descarga de água tratada. Ainda, foi projetada e instalada uma placa perfurada no fundo da célula, para reduzir a turbulência, melhorar a distribuição de fluxo e a capacidade de descarga de água tratada. Com essas modificações foi possível atingir taxas de aplicação elevadas, da ordem de 15 m h-1 (quase o dobro das unidades industriais) e uma remoção dos íons de 95% e entre 89-96% dos sólidos suspensos. Os mecanismos envolvidos na remoção de íons incluem a adsorção dos cátions metálicos na matriz dos precipitados de hidróxido férrico (Fe(OH)3) formados em pH 7. Os sólidos suspensos removidos pelas micro e nanobolhas geradas na FAD aderiram-se aos flocos gerados pela combinação entre a poliacrilamida catiônica (0,5 mg L-1) e os precipitados “adsorventes” de Fe(OH)3. Uma estimativa de custos gerais de operação para uma planta de tratamento de 300 m³ h-1, que seria a primeira do Brasil na mineração, foi da ordem de US$ 0,56/m³ de água tratada. No segundo capítulo, a clarificação em escala de bancada de águas provenientes do Rio Gualaxo do Norte (MG, Brasil), foi obtida pela floculação empregando uma combinação entre cloreto férrico (10 mg L-1 Fe3+) e amido gelatinizado (5 mg L-1) em pH 7,5. Foi observada a formação de flocos grandes e a remoção dos sólidos suspensos totais entre 90 e 100% após 3 min de separação, e águas tratadas com turbidez < 7 NTU em todos os casos. Os mecanismos envolvidos incluem a heterocoagulação e o aprisionamento (efeito varredura) dos sólidos pelos precipitados de hidróxido férrico. A formação de flocos ocorreu devido a adsorção química entre o ferro da superfície das partículas e a fração amilopectina das moléculas de amido. No terceiro capítulo, a remoção de nanopartículas de TiO2 (TiO2-NPs) em escala de bancada foi feita por sedimentação ou FAD, após floculação a pH 7 usando cloreto férrico (40 mg L-1 Fe3+) e amido de milho gelatinizado (10 mg L-1). A remoção de TiO2-NPs, reportada como difícil e ineficiente por floculação, neste estudo, foi elevada (entre 95 e 100%), por ambos os processos de separação, utilizando a combinação de reagentes coagulante-floculantes, objetivo desta tese. Os mecanismos envolvidos foram a captura e aprisionamento das TiO2-NPs pelos precipitados coloidais de Fe(OH)3 (efeito varredura), e, novamente, a formação de flocos resistentes ocorreu pela interação química entre os íons ferro superficiais das partículas com a fração amilopectina do amido. A remoção das TiO2-NPs em concentrações iniciais > 100mg L-1 só foi possível por sedimentação, porém o produto flotado apresentou um maior teor de sólidos. No quarto capítulo, foi estudada a clarificação contínua de suspensões aquosas de caulim, como modelo de sólidos em águas de abastecimento a tratar (separação sólido/líquido), pela floculação com a combinação de cloreto férrico (FeCl3) e amido de milho gelatinizado, seguida de sedimentação. Foi avaliada a eficiência em termos de redução da turbidez em função da taxa de aplicação superficial e comparada com o uso de policloreto de alumínio (PAC). Foi estudado ainda e o efeito da presença de lamelas inclinadas (60º e espaçamento de 2 cm) no tanque de separação. Os melhores resultados (94% de redução de turbidez e < 3 NTU de turbidez residual) foram obtidos com 15 mg L-1 FeCl3 + 10 mg L-1 de amido gelatinizado, com SL e TAS = 2 m h-1. Os resultados obtidos nestes estudos mostram a viabilidade e o bom potencial do uso de cloreto férrico em combinação com poliacrilamidas ou com o amido de milho, na remoção de íons metálicos e clarificação de diversos sistemas dispersos. Esta última mistura, do cloreto férrico com o uso de amido gelatinizado (sem adição de compostos químicos usados na formação de amidos catiônicos) tem a vantagem de ser uma alternativa ambientalmente sustentável, como reagente coagulante-floculante, e constitui a principal fortaleza inovadora desta Tese.