TRATAMENTO DE EFLUENTE SIDERÚRGICO UTILIZANDO AMIDO PDF

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TRATAMENTO DE EFLUENTE SIDERÚRGICO UTILIZANDO AMIDO ...

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TRATAMENTO DE EFLUENTE SIDERÚRGICO UTILIZANDO AMIDO Bárbara Bonela1; Fabio dias Lacerda2; Felipe Felix3; Laís Martins4; Lucas Alson5; Mateus Antunes6; Jennifer Naiara7; Stefane Lopes8; Thâmara Mércia9; Thaysmara Monique10; Wilken Gandra11; Yara Mageste Moreira12 Ionara Fernanda Rezende Vieira 13 (Orientadora) Centro Universitário de Belo Horizonte, Belo Horizonte, MG 1 3

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13

11

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RESUMO: A água é de vital importância nas indústrias, ela faz parte de praticamente todo processo. Nos processos siderúrgicos, há uma produção em alta temperatura, o que causa grandes perdas de maquinário, e para minimizar essa perda, é necessário que os materiais sejam resfriados, o que geralmente é feito através de um fluido, sendo a água o fluido mais utilizado. Durante um longo período, as indústrias e as estações de tratamento de água tinham o processo todo pautado no uso de coagulantes inorgânicos ou polímeros de origem sintética. Atualmente, devido à novas orientações em relação ao uso consciente dos recursos disponíveis, a proposta de se encontrar agentes que sejam menos ofensivos ao meio ambiente se tornou uma área de grande interesse para os centros de pesquisa. Com isso, o presente estudo tem por objetivo avaliar um procedimento simples para o tratamento da água de efluente siderúrgico, empregando o amido de milho e de mandioca como coagulante para fins de aproveitamento em usos não potáveis, em substituição ao uso de coagulantes sintéticos. PALAVRAS-CHAVE: Coagulação. Amido. Siderurgia. Água. Tratamento de Água. ABSTRACT: Water is vitally important in industries, it is part of almost every process. In foundry processes, there is a production at high temperature, which causes great loss of machinery and to minimize this loss, it is necessary that the material be cooled, which is usually done by a fluid, water being the most commonly used fluid. For a long time, industries and water treatment plants had the whole process based on the use of inorganic coagulants or synthetic origin polymers. Currently, due to new guidelines for the responsible use of available resources, the proposal to find agents that are less offensive to the environment has become an area of great interest to research centers. Thus, the present study aims to evaluate a simple procedure for the treatment of steel effluent water, using corn

starch and cassava as a coagulant for recovery purposes in non-potable uses, replacing the use of synthetic coagulant. KEYWORDS: Coagulation. Starch. Steel. Water. Water treatment.

____________________________________________________________________________ 1 INTRODUÇÃO

indústrias possuem sistemas de tratamento, capazes de controlar a concentração de alguns

O crescimento recente do setor siderúrgico no

poluentes. Estes tratamentos são implantados

Brasil, embora proporcione ganhos econômicos,

para que o descarte dos efluentes não altere a

vem intensificando impactos negativos para a

qualidade da

sociedade e o meio ambiente. Esse crescimento

aspecto, têm-se buscado meios para que haja

está relacionado com uma estratégia de inserção

maior aproveitamento dos efluentes gerados dos

na economia global que tem por base a

tratamentos das águas residuárias dos processos

exploração de recursos naturais e tecnologias

industriais

poluentes/degradantes

consequentemente, redução do despejo destes

(MILANEZ;

PORTO,

água

para

(meio

fins

receptor).

não

Neste

potáveis

e,

2008).

efluentes nas águas dos rios e aquíferos,

Nessas características está incluída a poluição

reduzindo com isso, os impactos ambientais

da água que é um recurso natural essencial para

(SANTOS, 2014).

a vida e de extrema importância para o homem.

Durante um longo período, as indústrias e as

Com essa poluição, vem o crescente interesse na

estações de tratamento de água tinham o

purificação desse bem tão valioso da natureza.

processo todo pautado no uso de coagulantes

Esse

em

inorgânicos ou polímeros de origem sintética.

captação da água, neutralização, coagulação,

Atualmente, devido à novas orientações em

floculação, decantação, filtração, desinfecção e

relação

fluoretação (GROSSL et al., 2009).

disponíveis, a proposta de se encontrar agentes

A água é de vital importância nas indústrias, ela

que sejam menos ofensivos ao meio ambiente se

faz parte de praticamente todo processo, seja

tornou uma área de grande interesse para os

para resfriamento, aquecimento, solubilização,

centros de pesquisa (COSTA, 2013).

limpeza e geração de energia. Para cada

De acordo com Grossl et al. (2009), os auxiliares

aplicação a qualidade da água deve apresentar

de floculação mais usados no tratamento de água

padrões de qualidade que atendam ao processo,

são polímeros sintéticos, em virtude de sua

na qual será aplicada. Todos esses processos

elevada

geram resíduos que, quando dispostos de forma

Contudo, tais produtos podem acarretar danos à

inadequada,

na

saúde da população, se forem liberados na água

qualidade dos solos, aquíferos e rios. Para evitar

tratada, o que pode ocorrer se houver falhas no

tratamento

consiste

podem

basicamente

causar

impactos

a poluição dos corpos d’água receptores, as

ao

uso

eficiência

consciente

na

dos

formação

recursos

de

flocos.

3 tratamento. Tendo em vista que os amidos são

transporte de fluido, formando partículas de

polímeros naturais e não são nocivos à saúde

maior tamanho, visíveis a olho nu: os flocos.

humana, percebeu-se a potencialidade de seu uso como auxiliar na floculação do tratamento de água, tentando alcançar excelência através de mudanças tecnológicas sustentáveis.

Os sólidos em suspensão são removidos por sedimentação simples ou sedimentação por coagulação e filtração. As impurezas encontradas nas águas subterrâneas podem estar na forma

Para analisar se é possível fazer a implantação

dissolvida ou em suspensão. A maioria dessas

do amido como agente coagulante, primeiro é

impurezas

necessário saber qual polímero natural apresenta

negativas, o que provoca uma repulsão entre

os melhores resultados. Com isso, este estudo

elas e o que as mantêm em suspensão no meio

tem por objetivo avaliar a viabilidade e eficiência

aquoso por um longo período. A utilização de um

do uso de um coagulante natural, amido de milho

coagulante acelera o tempo de sedimentação das

e mandioca, no tratamento de água aplicada em

partículas em suspensão, pois estas possuem

uma indústria siderúrgica e comparar com o uso

tamanhos muito pequenos, na faixa de 10-6 e 10-3

de um coagulante sintético, o copolímero de

mm, e pela sedimentação simples elas levariam

acrilamida e acrilato de sódio.

mais tempo para sedimentar (MACEDO, 2007).

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1.2

2.1 COAGULAÇÃO

COAGULANTES NATURAIS

2.1.1 PROCESSO DE COAGULAÇÃO

Nos sistemas de tratamento de água, são

De acordo com Richter (2009) coagulação é a alteração físico-química de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação, usualmente a sedimentação. O processo de coagulação é constituído de duas etapas, a primeira envolve a adição de um agente coagulante, com a finalidade de reduzir as forças que mantêm separadas as partículas em suspensão; a segunda etapa é a floculação, que promove colisões

entre

as

partículas

previamente

desestabilizadas na coagulação, por efeito de

possui

superfície

COAGULANTES

convencionalmente

com

cargas

SINTÉTICOS

empregados

X

coagulantes

inorgânicos, de origem química, constituídos por sais de ferro e alumínio, como o sulfato de alumínio (Al2(SO4)3), o sulfato férrico (Fe2(SO4)3) e o cloreto férrico (FeCl 3). Estes coagulantes são efetivos na remoção de uma ampla variedade de impurezas da água, incluindo partículas coloidais e substâncias orgânicas dissolvidas. O sulfato de alumínio, em particular, vem sendo utilizado a mais de 100 anos em todo o mundo e em diferentes conceitos de sistema de tratamento, visando à remoção de materiais particulados, coloidais e substâncias orgânicas via coagulação química. Todavia, o uso extensivo do sulfato de alumínio tem sido discutido devido à presença de

alumínio remanescente na água tratada e no lodo gerado ao final do processo, muitas vezes em concentrações bastante elevadas, o que dificulta

2.1.3 AMIDO COMO COAGULANTE

a disposição do mesmo no solo devido a

O

contaminação e o acúmulo deste metal (CORAL

polimerizado, cujo monômero é representado

et al.,2009).

pela

A proposta de utilizar coagulantes naturais representa uma redução de sulfatos ao lodo final, além de que este lodo terá maiores propriedades orgânicas, sendo mais propenso à posterior degradação. Outra vantagem é a inexistência de metais remanescentes no final do processo, o que facilita a disposição final do lodo (COSTA, 2013). Tanto polímeros sintéticos quanto polímeros naturais têm sido usados como auxiliares no

amido glicose.

componentes

é

um Ele

carboidrato é

constituído

principais

que

altamente por

dois

apresentam

propriedades sensivelmente distintas, sendo eles a amilose (Figura 1) e amilopectina (Figura 2). A amilose apresenta-se na forma de cadeia linear formada por unidade de glicose ligadas entre si por ligações glicosídicas α-1,4 e a amilopectina possui estrutura ramificada formada por cadeias de glicose semelhante a amilose, que são unidas entre si por ligações do tipo α-1,6 (CAMPOS, et al., 1984).

Ligações α-1,4

tratamento de água. Os polímeros naturais apresentam a vantagem de não representarem nenhum risco à saúde da população, ao contrário de alguns polímeros sintéticos, como os à base de acrilamidas, que podem eventualmente ser liberados na água tratada, em caso de ocorrência de falhas na operação da estação de tratamento

Figura 1 – Estrutura simplificada das moléculas lineares do amido: amilose Fonte: CAMPOS; NETTO, 1980 Ligações α-1,6

(MURAKAMI; MORUZZI, 2012). Polímeros naturais, na maioria dos casos, são obtidos facilmente sem a utilização de processos químicos complexos, seu emprego pode resultar mais atrativo que o de polímeros sintéticos, considerando, também, o aspecto econômico (DI BERNARDO, 2000). Dentre os polímeros naturais, o amido de milho e amido de mandioca possuem a vantagem de ser encontrados com facilidade no mercado, além de possuírem uma estrutura molecular adequada para a finalidade requerida por esse estudo.

Figura 2 - Estrutura simplificada das moléculas ramificadas do amido: amilopectina Fonte: CAMPOS; NETTO, 1980

Uma propriedade que tem grande importância no emprego de amido como auxiliar de floculação é a quebra da estrutura do grão, resultando na

5 gelatinização desse material (CAMPOS, et al.,

do aço no mercado, esse material passou a ser

1984).

muito

As moléculas de amido encontram-se envoltas em uma membrana, tornando-se insolúveis em meio líquido com temperatura inferior a 50º C. A

consumido,

representando

atualmente

cerca de 90% dos metais consumidos pela civilização industrial (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009).

ruptura da estrutura do grão de amido, na

E é nesse contexto que entra a siderurgia, pois

presença de água quente, se desenvolve em três

ela é o ramo da metalurgia que se dedica à

fases distintas. Durante a primeira fase, ocorre

fabricação

apenas um endurecimento limitado dos grãos e a

de aços e ferros fundidos, ou seja, produz o aço

viscosidade da suspensão aumenta de maneira

para que as empresas o possam manusear como

sensível. O grão conserva sua aparência e,

desejar (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009).

depois de seco, não é possível notar grande alteração.

Quando

se

ultrapassa

uma

temperatura próxima a 65ºC, inicia-se a segunda fase do intumescimento: o grão de amido aumenta seu volume e a viscosidade da suspensão aumenta de forma significativa e o grão perde sua estrutura original. Durante a terceira fase, que ocorre em temperaturas ainda mais

elevadas,

os

fenômenos

observados

durante a segunda fase do intumescimento ocorrem de forma mais acentuada. Nesse momento, o amido granular é convertido de cristalino a disperso e amorfo, por meio de um processo denominado solvatação, no qual as partículas pequenas da água atuam como plastificantes, separando e abrindo as cadeias do amido (MURAKAMI; MORUZZI, 2012).

e

tratamento

Quando encontrado na natureza, o aço é uma liga de ferro e carbono. No processo de transformação, que acontece dentro de um alto forno, utiliza-se o carvão para dois objetivos, o primeiro

como

combustível,

chegando

na

temperatura de fusão do minério, e o segundo como redutor, pois ele se associa ao oxigênio, liberando o ferro desse componente. Quando o processo

chega

oxigênio

no

na

minério,

redução, o

ferro

liberação se

do

liquefaz

proporcionando assim a retirada das impurezas e formando o ferro gusa. A etapa seguinte é o refino, onde o material é levado a aciaria e temse a adição de materiais e retirada de mais impurezas, chegando ao aço (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009). Na terceira e última etapa da siderurgia, tem-se a laminação, onde se realiza a conformação

2.2 SIDERURGIA

mecânica. Esta etapa consiste em modificar a seção transversal do material em processo pela

Na revolução industrial, a fronteira entre o ferro e

sua passagem entre dois cilindros paralelos, que

o aço ficou definida com o surgimento de grandes

giram em sentidos opostos, com a mesma

fornos, fabricados para corrigir as impurezas do

velocidade inicial. Geralmente a laminação a

ferro, adicionando a ele resistência ao impacto,

quente de aços começa com temperaturas da

ao desgaste, a corrosão etc., com o baixo custo

ordem de 1.100 e 1.300ºC e termina com

temperaturas entre 700 a 900ºC (SILVA, et al.,

que

2015). O produto desse processo é utilizado pela

(INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009).

podem

ser

causados

a

sociedade

indústria de transformação, como chapas grossas e finas, bobinas, vergalhões, arames, perfilados, barras etc. (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009).

2.3 APROVEITAMENTO TÉRMICO DA ÁGUA DE RESFRIAMENTO DA LAMINAÇÃO

Com o intuito de aproveitar a energia térmica

2.2.1 EFLUENTE SIDERÚRGICO

proveniente do resfriamento dos cilindros de

Nos processos siderúrgicos, há uma produção

laminação foi proposta a instalação de um

em alta temperatura, o que causa grandes

trocador de calor. Esse calor aproveitado vai

perdas de maquinário, e para minimizar essa

fornecer energia para aquecer a água de banho

perda, é necessário que os materiais sejam

dos funcionários.

resfriados, o que geralmente é feito através de

Trocadores de calor são dispositivos que facilitam

um fluido. A água é jogada nos equipamentos,

a troca de calor entre dois fluidos que se

com o contato, além da água é retirado também o

encontram

óleo, proveniente da lubrificação do maquinário, e

(ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

alguns particulados que em sua maioria são óxidos de ferro. Juntos esses componentes formam o efluente siderúrgico, que ao ser descartado pelas tubulações, arrastam todos os particulados em seu caminho (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2009).

em

diferentes

temperaturas

A transferência de calor em um trocador de calor geralmente envolve convecção em cada fluido e condução através da parede que separa os dois fluidos. Porém, na análise de trocadores de calor, é conveniente trabalhar com o Coeficiente global de transferência de calor (U), que representa a

Para o descarte desse fluido, é necessário que

contribuição de todos esses efeitos sobre a

haja

transferência de

primeiro

o

seu

tratamento,

pois

se

despejado de maneira inadequada pode causar grandes danos ao ambiente e a saúde das pessoas, pois contém metais pesados em sua composição. A redução de custos operacionais

calor (ÇENGEL; GHAJAR,

2012). Dados da água que sai do processo de resfriamento da laminação:

tem sido um diferencial competitivo entre as

*Temperatura que entra na tubulação: 100°C

indústrias de forma geral e os sistemas hídricos

Temperatura que sai da tubulação: 81,96°C

sustentáveis permitem, além de redução de custo, uma maior segurança operacional da

Vazão: 13,86kg/s por tubulação

planta industrial (SILVA, et al., 2015). Sendo

Sendo utilizado 30 tubulações, então a vazão

assim, a Siderurgia utiliza a floculação para

total de chegada da água na ETE é de 415,83

retirar os particulados e consequentemente os

kg/s

metais desse fluido, minimizando assim os danos

Dados da água potável que será aquecida:

...