PT94382A - Processo para o tratamento de agua - Google Patents

Description

Descrição referente ã patente de invenção de IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC, britânica, industria], e comercial, com sede em Imperial Chemical House, Millbank, London SW1P 3JF, Inglaterra (inventores: James Derek Birchall e Michael John Walker, residentes na Inglaterra) , para «PROCESSO PARA 0 TRATAMENTO de Agua contendo alumínio DISSOLVIDO11,

Descrição A presente invenção refere-se a um processo para o tratamento de água e particularmente o tratamento de água ácida para melhorar a sua aceitabilidade ambiental e potabilidade,

As águas ácidas tais como as que se obtêm, por exemplo, pela recolha das chamadas chuvas ácidas contêm alumínio dissolvido em níveis considerados nocivos para os peixes em lagos e rios e considerados por algumas autoridades perniciosos para as raízes, tais como raízes das árvores, É também conhecido que a presença de alumínio (instável) dissolvido na água utilizada na diálise renal é perigosa para os doentes que podem desenvolver doenças neurológicas e patologias ósseas. O alumínio é essencialmente insolúvel em água neutra ou alcalina mas a sua solubilidade aumenta â medida que a acidez da água aumenta (o pH da água diminui). Para pH 6 ou inferior o alumínio ê solúvel a níveis tóxicos e a sua presença em águas ácidas pode resultar, por exemplo, do contacto da água com rochas e solos que contêm alumínio ou a partir da utilização de sais de alumínio, tais como alume, como um floculante nos sistemas de tratamento de água, Ê sabido que o efeito pernicioso do alumínio sobre os

f peixes e árvores pode ser minimizado pela diminuição da acidez (aumentando o pH) de águas ácidas, por intermédio do que se diminui a solubilidade do alumínio na água. Assim no tratamento de lagos, rios e cursos ácidos e de áreas de drenagem que os alimentos, é prática comum tratar a água cos um alcali tal como um carbonato de metal alcalino ou alcalino terroso» os alcális que contêm cálcio são preferenciais relativamente aos que contêm metais alcalinos porque se pensa que os iões de cálcio possuem um efeito benéfico no aumento da tolerância dos peixes âs impurezas na água, O alcali mais comummente empregue ê o carbonato de cálcio na forma de pedra calcária. O alumínio dissolvido na água pode ser tornado não tóxico pelo tratamento da água com silício (sob a forma de ácido silicico) numa quantidade suficiente para criar um grande excesso de silício relativamente ao alumínio e assim reduzir os efeitos perniciosos do alumínio sobre o ambiente, A desintoxicação da água com silício é maior do que a obtida pelo tratamento da água apenas com alcali e não depende do aumento do pH da água» No entanto, é preferencial que o pH da água aumente enquanto se dissolve o silício (ou ácido silicico) na água.

Be acordo com a presente invenção proporciona-se um processo para a desintoxicação de águas contendo alumínio dissolvido, constituído pela dissolução na água de uma fonte de silício (ácido silicico) e uma fonte de alcali em quantidades tais que a água contenha peio menos 40 micromoles por litro de silício dissolvido e a proporção do silício para o alumínio na água seja maior do que aproximadamente 6íl e, de preferência, maior do que 10$ 1, A quantidade da fonte de silício ê, de preferência, tal que a água contenha pelo menos 100 micromoles por litro de silício dissolvido.

Podem erapregar-se fontes separadas para o silício e para o alcáli ou, se desejado, pode empregar-se uma fonte comum para o silício e o alcáli. São exemplos de fontes de silício que se podem empregar, os silicatos de metal alcalino e silica-tos de metal alcalino-terroso. Podem utilizar-se, em alguns . casos, fontes de dissolução lenta ou dissolução muito lenta tais - 2 - t como areia, quartzo e algumas argilasf* Os exemplos de fontes de alcáli que podem ser empregues são a cal, cal hidratada, cal viva, pedra calcárea, giz e giz pulverizado.

Podem ser empregues misturas de uma ou várias fontes de silício com uma ou várias fontes de alcáli, como «una fonte de silício e alcáli juntamente com uma fonte separada de silício, por exemplo nos casos em que se deseja aumentar a concentração do silício relativamente ao alcáli na água para um nível não atingível a partir apenas da fonte comum* Dm exemplo específico duma mistura para utilizar na invenção é uma mistura de cal e/ou pedra calcárea com um silicato de metal alcalino*

De preferência, pelo menos algum do silício e do alcáli são proporcionados pela mesma fonte que pode ser, por exemplo, um silicato de metal alcalino ou um silicato de metal alcalino terroso* Os silicatos de cálcio hidráulicos são agentes de tratamento preferênciais e estão facilmente disponíveis na forma de silicatos de cálcio de clínquer do cimento hidráulico que são fases do cimento constituídas por di e tri silicatos de cálcio, 2Ca0.Si02 e 3Ca0.SiO2*

Podem também ser utilizados cimentes portland que contêm uma proporção substâncial de silicato de cálcio hidráulico; tais cimentos contêm também, muitas vezes, aluminatos de cálcio que são indesejáveis porque eles podem proporcionar alumínio adicional dissolvido na água mas este alumínio adicional dissolvido pode ser tolerado, desde que a água contenha pelo menos 40 e, de preferência, pelo menos 100 micromoles por litro de silício* Λ dissolução do silício (ácido silícico) nas águas ácidas de pH 5,5 e superior, contendo alumínio dissolvido resulta na formação de espécies de alumínio-silicatos complexos que, em geral, são não-tóxicos.

Como estabelecido, a relação silício;alumínio na água deve ser de pelo menos 6:1 e, de preferência, pelo menos 10:1, e o teor de silício na água deve ser de pelo menos 40, e de preferência, de pelo menos 100 micromoles por litro* Quando se • utiliza o clínquer do cimento como fonte de silício íe de alcáli — 3 —

ι para aumentar o pH âa água), adiciona-se também alumínio à água, visto que os clíngueres do cimento são alumino-silicatos de cálcio. Os clíngueres de cimento contêm normalmente uma proporção de silícios alumínio de aproximadamente 3,45:1 embora seja possível, com alguns clíngueres, até aproximadamente 7:1, No entanto, utilizando um clínquer de cimento normal (proporção 3,45: :1) pode não se proporcionar silício suficiente à água para desintoxicar o alumínio total (incluindo aquele'adicionado a partir do clínquer) na água. É por isso desejável adicionar silício adicional ao clínquer de cireento na forma de um silicato solúvel tal como ura silicato de metal alcalino ou um silicato de metal alcalino-terroso· O silicato adicional pode ser incorporado no clínquer do cimento para proporcionar um po enriquecido em silício, ou pode ser doseado separadamente na água a ser tratada.

Veja-se que a dissolução de silício suficiente (ácido silicíco) em águas ácidas de plí 5,5 e superior resulta na formação de espécies de alumino-silicatos eoraplexos que são intermediários na formação de aluraino-silicato de imogolite insolúveis. Estes intermediários podem permanecer na solução por períodos prolongados mas podem eventualmente precipitar como sólidos coloidais. 0 alumínio residual na água pode assim ser elevado, mas a forma tóxica do alumínio pode ser muito baixa, por exemplo inferir a 1 micrograma por litro. Quaisquer espécies de alumí-no-sílicatos complexos precipitadas como sólidos colvidais podem, se desejado, serem removidas mas elas são de eficácia biológica baixa em comparação com o hidróxido de alumínio e pode permitir-se que permaneçam na água e se depositem lentamente.

No tratamento de água com silicatos de cálcio hidráulico tais como clínquer de cimento, ê importante assegurar que o pH da água em contacto com os silicatos seja e permaneça inferior a aproximadamente 9,0 de modo a evitar a formação de um cimento à custa da dissolução dos silicatos. Se se permitir que o pH da água aumente para valores superiores de aproximada-. ntente 10,0, tem lugar uma reacção de preeipitaçio nos silicatos ’ e forma-se um cimento, no entanto se o pH permanecer inferior - 4 -

a aproximadamente 9,0, a reacção de precipitação é inibida e ocorre uma diluição lenta dos silieatos. Assim, se uma pequena quantidade de água se misturar com silieatos de cálcio hidráulicos, o pH da água aumenta rápidamente para aproximadamente 12,0, ocorre a reacção de precipitação de modo que se forma um cimento e muito pouca silíca, diga-se 1 ppm, fica dissolvida na água· Contudo, na presença de grandes volumes de água, di-ga-se proporções de 200:1 ou maiores de água; massa de sólido, o pH permanece inferior a 9,0, a reacção de precipitação é inibida e dissolvem-se quantidades apreciáveis de sílica na água. Por exemplo para pH 6,0 a quantidade de silíca dissolvida pode ser da ordem de 130-150 ppm,

Assim, com vista a conseguir a dissolução dos silieatos de cálcio, sem a formação do cimento, o pH da água na proximidade dos silieatos de cálcio deve ser mantido abaixo de aproximadamente 9,0* Isto pode conseguir-se assegurando um grande excesso de água (embora demasiada água possa resultar na diluição da solução de modo que o minimo desejado de 40 mi-cromoles de silício por litro de água não se atinja) e/ou assegurando a ausência de camadas estáticas adjacentes aos silieatos por agitação e/ou por passagem da água através de um leito de silieatos. «o caso de fluxos de água rápidos, podem ser utilizados grânulos grandes de silieatos enquanto que se devem utilizar partículas ruais pequenas no caso de fluxos de movimento lento, Uma técnica adequada para o tratamento de lagos onde a água é estática ou essencialmente estática e a agitação pode ser impraticável ou inapropriada, é a de aspergir ou, por outro lado, espalhar os silieatos na forma de um pó fino sobre a superfície da água e permitir que penetrem lentamente através da água.

Uma formulação de silicato contendo ura aditivo ínibi-dor da precipitação pode ser necessário para o tratamento da água em ambientes em que a eriacção de camadas de água estáticas nos silieatos não possam ser evitadas, por exemplo, no tratamento de solos ácidos onde não há excesso de água e não há essencialmente fluxo de água* Tais formulações evitara a precipitação e asseguram a dissolução dos silieatos para valores de pH mais - 5 -

elevados do que pode ser permitido no caso de silicatos cie cálcio hidraúlico não formulados. Na verdade a utilização de tais formulações pode fazer-se sem limitação do pH (local) da água a ser tratada.

Os aditivos adequados para evitar ou inibir a precipitação dos silicatos de cálcio hidráulico incluem, por exemplo, açúcares tais como sacarose e rafinose. Para preparar as formulações, misturam-se silicatos hidráulicos finamente divididos com uma solução de açúcar e o produto endurecido resultante é moído para um tamanho de partícula adequado.

Como aqui anteriormente estabelecido, a presente invenção proporciona um método de tratamento de águas contendo alumínio dissolvido, o qual reduz os níveis do alumínio tóxico para valores da ordem de 1 micrograma por litro, por complexa-ção do alumínio com silício dissolvido (ácido silicíco) enquanto se aumenta o pli (diminui a acidez) da água por adição de um alcáli.

Como forma de ilustração do efeito do pH da água em contacto com silicatos de cálcio hidráulicos e a necessidade de evitar as reacções de precipitação conducentes à formação do cimento, a Tabela 1 a seguir, mostra a quantidade de silício dissolvido (como silxca) medida na água tratada, para vários valores de pH; TABELA 1 pH da água Silica dissolvida - ppm 8 130 10 65 11.5 20 12.5 1 a 5 *

Como forma de ilustração adicional da necessidade de evitar as reacções de precipitação conducentes à formação de , cimento, a Tabela 2 mostra a proporção entre cálcio; silíca me- » 6 «

dida em águas tratadas, por um lado cosi silicatos da cálcio hidráulicos não protegidos e, por outro lado, coai os mesmos sili-catos de cálcio hidráulicos formulados com a sacarose, como agui anteriormente descrito* TABELA 2

Tempo Proporção Ga; Si na Solução (mins) Sxlicatos Silicatos e Sacarose 1 1000 114 S 1000 93 10 1000 90 30 1000 19 70 1000 10 120 1000 8.5 210 1000 6.2 300 1000 5.9

Esta invenção ilustra-se pelos exemplos seguintesi

Exemplo 1

Colocaram-se amostras de clinquer de cimento com tamanho de partículas inferior a 1,18 mm num fluxo de água de 2,5 ml/minuto acidificada a um pH 3,0 com ácido clorídrico* Seco-Iheu-se a água durante um período cie 100 minutos de modo a proporcionar material suficiente para análise do pH, do silício dissolvido (analisado como silíca} e da proporção entre silício/» alumínio* Obtiveram-se os resultados para amostras de quantidades de 1, 2, 3 e 4 g cie clinquer de cimento e apresentam-se a seguir:

I

3

Amostra pH da água tratada sio2 JJK/I Si/Al i g 10.8 135.6 18 2 g 10.9 455.1 30 3 g 11.5 503.5 39 4 g 11.2 406.7 60

Os resultados mostram que, em todos os ensaios, o clínquer de cimento dissolvido em água ácida para diminuir a acidez (aumentar o pH) da água, proporciona um nível elevado de silício dissolvido ÍSiOg) e proporciona uma proporção entre Si/Al, significativamente em excesso, de 10.

Exemplo 2

Utilizou-se uma amostra de cimento Portland Normal 2 moído a uma área superficial específica de 350 m /kg no ensaio do fluxo de água acidificada descrito no exemplo 1. Os resultados foram os seguintes:

Amostra pK da água tratada Si02 uM/1 Si/âi 1 g 10.8 125.9 11 2 y 11.2 145.3 13 3 g 10.1 125.9 15 A * 11.0 164.6 12

Os resultados mostram que o cimento se dissolve de tal modo que o pH aumenta e os níveis de silíca e as proporções Si/Al são obtidas.

Exemplo 3

Bumedeceu-se e misturou-se uma mistura seca de cimento Portland Normal como utilizado no exemplo 2 e lc/í de sacarose

em peso e permitiu-se que precipitasse. Moveu-se o solido resultante num pô grosso e submeteu-se ao ensaio do fluxo de água ácida descrito no exemplo 1, Os resultados foram:

Amostra pE da água tratada sio2 Si/Al pM/1 1 g 3.6 52.2 15 5 g 12,3 606.5 37 ET» O H 12.3 334.8 16

Exemplo 4

Misturou-se uma mistura de 30% p/p de cal viva de tamanho de partículas 90% menores do que 75 um <ICI Grade SG90) com argila Gualt seca e humedeceu-se de modo a permitir a formação de grânulos extrudidos de aproximadamente 3 mm de diâmetro. Aqueceram-se os grânulos durante breves instantes a 1000¾ para ultrapassar os problemas da instabilidade física da água, e submeteram-se ao ensaio de fluxo ã& água ácida como descrito no exemplo 1.

Os resultados foram:

Amostra pH da água tratada sío2 μΗ/1 Si/Al 1 g 3.0 32.7 5 5 g 10.7 336.5 12 10 g 11.7 471.1 18

Exemplo 5

De modo semelhante ao exemplo 4, produziu-se uma mistura a 30% de cal viua/talco ρ/ρ e submeteu-se ao ensaio de fluxo. Este produto continha menos alumína na argila e como esperado, produziu um melhoramento na proporção entre Si/Al. , Os resultados foram: 9 -

Amostra ph da agua trataoa SiO, píi/l Si/Al 1 ç 2.8 60.4 211 5 g o * Γ- 110.4 123 10 g 9.7 364.6 255

Exemplo β

Duma forma semelhante aos exemplos 4 e 5, prcdiuziu-se uma mistura de 3Q% de cal viva/kieselguhr p/p e ensaiou-se no ensaio de fluxo com água acidificada. Os resultados foram:

Amostra pS da água tratada Si02 mX f AX μΜ/1 l g 3.4 43.8 56 5 g 10.5 93.8 56 10 g 10.5 104.2 77

Os resultados para a silíca dissolvida são marginais comparados com o objectivo de 100 μΜ/1 mas, como esperado, com um produto de alumínio inferior, a proporção Si/àl é elevada.

Exemplo 7

Produziram-se misturas secas de pedra caicárea esmagada, pá de silicato. de sódio e cimento Portland normal, raistura-ram-se com água para formar uma pasta e permitiu-se que endurecessem durante a noite. Esmagaram-se as amostras num pó grosso (menos do que 1,4 mm) e submeteram-se ao ensaio de fluxo descrito no exemplo 1. Os resultados foram: - 10

Amostra Tamanho pH da água Si02 Si/Al p/p Pedra ealcárea/ da tratada ptí/l silicato/cimento amostra 75/10/15 5 g 12.5 255.6 9 &5/10/5 5 g 12.0 6655.4 1322

Exemplo 8

Realizaram-se estudos cie toxicidade em peixes utilizando á-cimento, B-eimento/sacarose, C-eal/argila e D-eal/talco.

Adicionaram-se os vários compostos de A a "D à água contendo 20 μΕ/litro de alumínio, numa quantidade que proporcionasse silicio dissolvido estimado era 500 μΐ·;/litro. Ccspararara--se estas amostras de água com amostras de controlo contendo E-2G μΜ/litro cie alumina apenas, F-5Q0 ptí/litro de silicatc de sóúio, G-uraa solução semelhante permutadora de iões para substituir os iões sódio por iões hidrogénio e B/x-soluções de silí-cato de amoos os tipos com 20 μΜ/litro de alumínio. Ajuscarara-—se codas as amostras de água a um pH 5 com ácido nitricg.

Prepararam-se 3 tanques de 10 litros de cada amostra de água e permitiu-se o equilíbrio durante 24 horas, antes da introdução em cada tanque de 20 crias de truta escura (0,5-1,0 g) previamente esfomeadas durante 2 divas e aclimatadas em água de pH5 durante 24 horas. Os resultados da mortalidade cumulativa durante um período de 24 horas foram os seguintes:

- 11 -

* Os algarismos citados são a média de três ensaios*

Os ensaios de controlo utilizando água não tratada com pH5 resultaram em de 1 a 3 peixes mortos durante um período de 24 horas.

Determinou-se a química da água antes s depois da exposição dos peixes e os resultados apresentam-se a seguir. Filtrar am-se todas as amostras através cie um filtro de 0,2 pM antes da análise. - 12 -

Tratamento Antes da Exposição Si Al Si/ Al (μΜ) (μΜ) Depois Si te) da Exposição Al Si/Al te) A 254.1 21.7 11.7 246*8 20,8 11.9 íà 283.8 21.0 13.5 274.6 20.3 13,5 c 324.0 21.0 15,4 303.4 20 · 2 15.G D 340.5 340.5 16.5 336.8 Ί C-- O X-2 * O 17.0 E 3.8 20.0 0,2 O O ώ · KJ 19.4 0.1 F 498.2 1.0 498.2 475,8 0.5 528.7 <3 522.1 1.1 474,6 508.4 1.0 SOS. 4 H 503*9 20.3 24.8 496.8 19.1 26.0 I 507.2 20.2 25.1 488.4 19.2 25.4 é evidente a partir daqueles resultados, que o teor de silício dissolvido dos compostos A a D não atinge o objecti-vo de 500 μϋΐ/litro, mas o efeito sobre a mortalidade dos peixes nunca foi significativo.

Os resultados da mortalidade dos peixes mostram que o alumínio dissolvido em níveis de 20 micromoles por litro mata todos os peixes num período de 24 horas enquanto que a dissolução do silício e alcáli na água elimina essencialmente a toxicidade do alumínio se a proporção silício/aluroínio exceder apro— ximadamente 10. A histologia realizada em 3 peixes de cada tanque mostra não existir quantidade significativa de alumínio sobre o tecido das guelras, excepto alguns traços nua pequeno número de peixes expostos a cimento Portland formal. A digestão do tecido de 3 peixes de cada tanque mostrou níveis de alumínio total como se segue; 1- 2 pg/g AI 10 pg/g AI 1,5-2 pg/g AI 2— 3 pg/g Al

Apênas água, e Agua/Si 20 μ£ί apenas alumínio 20 μΜ alumínio mais 500 pM Si

20 pM alpmínio mais composto A a D

Claims (1)

1. < *

   ‘2SS Μ<<ν; ώ-" '“*Λ5Ιωϊν- J Este exemplo S demostra que os tratamentos áe A a D são eficazes na eliminação cia toxicidade do alumínio em águas ácidas através da dissolução de compostos de silício e alcali. REIVINDICAÇÕES - IS - Processo para o tratamento de águas que contêm alumínio dissolvido, caracterizado por se dissolver na água uma fonte de silício e uma fonte de composto alcalino em quantidades tais que a água contenha silício dissolvido pelo menos com a concentração de 40 micromoles por litro e por a proporção entre o silício e o alumínio existentes na água ser superior a 6:1. — 2s — Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a quantidade de silício dissolvido na água se encontrar numa concentração de pelo menos 100 micromoles por litro* - 3a - Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de a proporção entro silício s alumínio existentes na água ser superior a 10:1. - 4â - Processo de acordo com qualquer das reivin-dicciçces anteriores, caracterizado por se utilizar uma fonte comum de silício e cie composto alcalino. - 14 -

   - 5§ ~ Processo de acordo cora a reivindicação 4, caraeterizado pelo facto de a fonte coaram de silício e de composto alcalino ser um silicato de cálcio hidráulico. - 6ã - Processo de acordo com a reivindicação 5, caraeterizado pelo facto de o silicato de cálcio hidráulico ser um clínquer de cimento. - 7ã - Processo de acordo com a reivindicação 5, caraeterizado pelo facto de o silicato de cálcio hidráulico ser cimento "Portland". - a Processo de acordo com qualquer das reivindicações 4 a 7, caraeterizado por se utilizar uma fonte adicional de silício. - - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 5 a 8, caraeterizado por se misturar com o silicato de cálcio hidráulico um aditivo inibidor de sedimentação. 10 â - Processo de acordo com a reivindicação 9# caraeterizado pelo facto de o aditivo ser um açúcar. A requerente reivindica as prioridades dos 15 31 pedidos britânicos apresentados era 14 de Junho de I9GS e era de Julho de 1939, sob os NSs. 8913543 e 8917495.7, respectiva-mente. Lisboa, 15 de Junho de 1990 & õmZILBL ?EGífEI3KOS OBngfMk.L

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