Utilizaçao de CO2 para reduzir a dureza da água. Processo de amaciamento

A presença de iões de cálcio (Ca²⁺) e magnésio (Mg²⁺) é a principal causa da dureza da água. Esta também contém outros catiões, como alumínio e ferro, mas a sua presença tem um menor impacto. A dureza pode ser temporária, devido à presença de cálcio sob a forma de carbonatos/bicarbonatos na água (Ca (HCO₃)), e permanente, estando esta última associada à presença de sulfatos e cloretos.

Quando a água contém uma elevada concentração de cal e magnésio, e estes não se separam ou precipitam corretamente para eliminar a sua dureza, dão origem à formação de cristais e incrustações nos circuitos, provocando manchas e obstruções que afetam o processo e aumentam os custos de manutenção associados (perdas de carga, manutenção de bombas, canalizações de equipamento mecânico de separação de sólidos, etc.).

O artigo seguinte explica o processo de amaciamento (redução da dureza cálcica) através da utilização de CO₂, bem como a correta separação do precipitado formado para evitar incrustações ou perda de desempenho nas etapas posteriores de tratamento dessas águas.

Fundamentos da dureza cálcica da água e parâmetros a controlar

Normalmente, a dureza é medida em ºF (graus franceses) e 1 ºF equivale a 10 mg/l de CaCO₃ (carbonato de cálcio). Por conseguinte, é possível classificar o tipo de água em função da sua dureza como:

• Macia: ≤2 ºF
• Leve dura: ≤6 ºF
• Moderada dura: ≤12 ºF
• Dura: ≤18 ºF
• Muito dura >18 ºF

Ou seja, considera-se a água como muito dura quando esta possui concentrações superiores a 180 ppm de carbonato de cálcio.

Em processos industriais de determinados sectores e, em função da utilização de cal ou água de captação, existem concentrações superiores a 1500 mg/l de dureza de cálcio. Tal como referido anteriormente, a maior parte dos problemas conhecidos por água com elevado teor de dureza, ocorrem devido à formação de incrustações e bloqueios. As incrustações estão relacionadas com problemas de manchas e sujidade, para além de gerarem isolamentos térmicos. Estas incrustações provocam a diminuição da transferência térmica, que faz com que o aquecimento em processos térmicos seja mais demorado e consuma mais combustível. Em processos de refrigeração, faz com que o tempo necessário para o processo de arrefecimento seja superior, aumentando o consumo energético. Outro problema que apresentam é o aumento nos gastos de manutenção preventiva e corretiva, provocado pela necessidade de proceder a desincrustações.

Outro parâmetro importante a estudar, ajustar e controlar na redução da dureza cálcica e no controlo ou prevenção de incrustações é o pH. O pH é a medida da acidez ou alcalinidade de uma dissolução. A escala do pH vai de 0 a 14, em que o pH de águas ácidas se situa entre 0 e 7, e de águas alcalinas, se situa acima de 7. O valor de pH 7 é considerado o valor neutro. O valor de pH é muito importante, uma vez que afeta o estado das dissoluções, ou seja, a forma como atuam os vários compostos passíveis de serem adicionados às dissoluções e os seus resultados.

Um pH ligeiramente ácido na água é um precursor de corrosão devido à falta de sais e um pH básico é um indicador de possíveis formações de incrustações, depósitos, pelo que, a água dura está relacionada com a presença de cal e magnésio e com um pH alcalino, bem como com a alcalinidade medida em eq/l que a referida água pode conter.

Para determinar o carácter agressivo ou incrustante da água, geralmente têm-se em conta os diversos equilíbrios do ácido carbónico na água, a relação bicarbonatos-carbonatos, o pH, a temperatura, a concentração de cálcio e a alcalinidade; existem vários índices que englobam ou ponderam estes fatores para se obterem intervalos de valor que permitam definir o carácter dessa água; o mais utilizado é o Índice de Langelier, que relaciona o pH real com o pH de saturação em função da natureza e da caracterização prévia da água,

Dependendo da natureza da água de captação ou das características da água residual, a acumulação de sais minerais nas diversas linhas de fluxo das diferentes indústrias ou ETAR provoca graves problemas de incrustações em poços, orifícios, tubos de revestimento, tubos de produção, válvulas, bombas, etc. e, consequentemente, uma redução significativa da produtividade, aumentando os custos de operação e manutenção.

Portanto, para reduzir a dureza, deve existir um equilíbrio do CO₂ na formação de carbonatos para que a precipitação de um determinado pH ocorra sob a forma de carbonato de cálcio e, com uma correta separação do precipitado, seja possível reduzir a dureza sem que os processos posteriores sejam afetados por incrustações.

Influência do CO₂ neste tipo de águas

Para evitar os problemas decorrentes da alta concentração de dureza cálcica ou das incrustações das águas caso o precipitado não seja separado corretamente ou doseado no ponto exato de CO₂, é necessário realizar um controlo correto através da estabilização química da água, a qual consiste em ajustar o pH, a concentração de dióxido de carbono livre ou a concentração de carbonatos (CaCO₃) da água para que esta alcance o seu equilíbrio de saturação de Ca(HCO₃)₂. As águas podem conter diferentes teores de CO₂ livre, o qual influi no comportamento do carbonato de cálcio contido nessas águas. Diz-se que o CO₂ de equilíbrio é a quantidade de dióxido de carbono que deve estar presente na água para manter em solução o bicarbonato que se encontra na referida água. Se existir um excesso de CO₂, este ataca o CaCO₃ para aumentar a concentração do bicarbonato e manter o equilíbrio; por outro lado, se existir uma deficiência de CO₂, o CaCO₃ precipita-se para diminuir a concentração de bicarbonato, aumentando assim o CO₂ e restabelecendo o equilíbrio (ver figura 1).

Se o teor de CO₂ livre for superior ao CO₂ de equilíbrio, existe excesso de CO₂, pelo que se considera que a água é agressiva. Se o teor de CO₂ livre for igual ao de CO₂ de equilíbrio, a água está em equilíbrio. No entanto, quando o teor de CO₂ livre é inferior ao de CO₂ de equilíbrio, existe deficiência de CO₂ de equilíbrio, e diz-se que a água é incrustante.

Quando o CO₂ se dissolve na água, reage com ela para formar ácido carbónico, o qual se dissocia em iões de hidrogénio e no ião de bicarbonato, seguindo a reação:

Em águas com elevada dureza cálcica, se o CO₂ for corretamente doseado, ocorre uma precipitação dos iões que provocam essa dureza através da reação

CO₂ + Ca(OH)₂ ⇒ CO₃Ca ↓ + H₂O

Com a posterior realização de uma correta separação do precipitado e monitorização do ajuste, e controlo da dosagem de CO₂ graças ao sistema de monitorização AqScan® em função do pH de entrada, do pH objetivo e do Índice de Langelier, é possível reduzir a dureza e evitar simultaneamente a formação de novas incrustações na linha de fluxo, reduzindo assim os custos de manutenção e evitando possíveis paragens parciais de produção.

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