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Artigo de Pequisa Experimental: Comparação de eficiência na separação de água e óleo: Métodos convencional e alternativo.
BRUGNERA, Maria Paula^1 CASSOL, Gabriela^2 BOSSA, Pamela Felicia^3 REZENDE, Lara^4 CARVALHO, William^5
Resumo O uso de métodos na separação de água, óleos e graxas esta empregado na legislação atual impondo que empreendimentos como postos de gasolina não podem ser construídos sem um mecanismo dessa função. A necessidade dessa separação provem das análises de impacto ambiental gerados pelo acúmulo e efeitos que graxas, óleos, gasolinas e outros resíduos afetam o ecossistema e biodiversidade dos corpos receptores (em casos específicos de despejo sem tratamento prévio). Neste projeto experimental foi colocado em comparação o grau de eficiência da separação convencional (de água e óleo) de um posto de gasolina localizado em Foz do Iguaçu, e ainda dois métodos alternativos diferenciados. Com isso, é possível analisar de modo simplificado comparativos, tais como custo benefício e eficiência de separação.
Palavras Chaves: Eficiência; Separador de água e óleo; Coagulante; Sulfato de Alumínio; Floculantes; Amido de batata; Método Eletrolítico; Descargas elétricas; Análise laboratorial.
Abstract The use of methods for separation of water, oils and greases are, in the current legislation of CONAMA, required in businesses like gas stations, so it can not be built without a mechanism of that function. The need for this separation stems from environmental impact analyzes generated by the accumulation and effects of greases, oils, gasolines and other residues affect the ecosystem and biodiversity of the disposal receptor (in specific cases of eviction without prior treatment). In this experimental project is put in comparison: the degree of efficiency of conventional sistem of separation (water and oil) from a gas station located in Foz do Iguaçu, and also two different alternative methods. This way is possible to analyze the comparative in a simplified manner, such as cost benefit and separation efficiency.
Key words: Efficiency; water separator and oil; coagulant; Aluminum sulfate; flocculants; potato starch; Electrolytic method; Electrical discharges; Laboratory analysis.
Curso de Engenharia Ambiental da Faculdade União das Américas – PR. 3 1 eng.environm@gmail.com; 2 cassol94@gmail.com; pamelafoz@gmail.com; 4 lararezende3@gmail.com; 5 williamcarvalho1991@gmail.com Foz do Iguaçu, Junho de 2016.
1. Introdução
Óleos e graxas estão presentes em diversas máquinas, sendo eles essenciais para o funcionamento de qualquer tipo de motor, além de serem os responsáveis por lubrificar e não permitir a corrosão das peças. Em contato com o meio ambiente, no entanto, o óleo e a graxa possuem certos efeitos negativos. Na água, por exemplo, são os responsáveis pela eliminação do oxigênio necessário para a sobrevivência de várias espécies aquáticas. Podem também, contaminar o solo tornando o improdutivo, eliminando desta maneira, a possibilidade de desenvolvimento da agricultura. O efeito negativo gerado por esses dois elementos tem se disseminado, principalmente pelo aumento do número de veículos e máquinas. Através deste problema, atitudes foram necessárias para a preservação do meio ambiente. A lavagem de veículos e máquinas resulta em um despejo que contém quantidades razoáveis de óleos e graxas. O despejo chega através de canais ligados às caixas de inspeção, que, por sua vez, estão conectados aos coletores de esgotos, podendo causar, entre outras coisas, a obstrução das redes e danos aos equipamentos e às instalações das Estações de Tratamento de Esgotos e de Tratamento de Águas. Nas trocas de óleo também sempre há respingos fora do recipiente usado. Com o tempo, o chão e as paredes das valas ficam sujos e ao se lavar os locais, os óleos acabam chegando até a rede de esgoto (Revista Meio Filtrante, 2011). Um dos meios para ajudar a amenizar e controlar este problema foi a utilização de sistemas de separação de água e óleos (S.A.O.) nos estabelecimentos. Desde que foi fundada, em agosto de 2001, a Associação Brasileira da Indústria de Equipamentos para Postos de Serviços (ABIEPS) sempre defendeu a criação de regulamentos mais justos para adequação ambiental em postos de combustíveis. Esses separadores são usados para receber efluentes e águas contaminadas com óleos e graxas de áreas de manutenção de máquinas, lavagem de veículos,
2. Leis Vigentes
A legislação que estabelece os padrões ambientais permitidos para o lançamento de efluentes oleosos é a Resolução CONAMA n° 430/2011, substituindo a Resolução CONAMA n° 357/2005 que regulamentava esses padrões anteriormente (BRASIL, 2011). Além da União, os Estados e Municípios podem legislar sobre os padrões de lançamento destes efluentes, porém quanto menor a federação, mais restritivo deverão ser os parâmetros, ou seja, não podem exceder aos valores máximos adotados pela União. Segundo a Resolução CONAMA 430, de 13 de Maio de 2011, Capítulo II, Seção II: Das condições e padrões de lançamento de efluentes, Art. 6: Os efluentes de qualquer fonte poluidora somente poderão ser lançados diretamente no corpo receptor desde que obedeçam as condições e padrões previstos neste artigo, resguardadas outras exigências cabíveis, sendo estas apresentadas no quadro abaixo. Quadro 1: Parâmetros padrão para atendimento da resolução. pH Entre 6,0 a 9, Temperatura do Efluente Inferior a 40 °C Materiais Sedimentáveis Até 1 ml /L Vazão Máxima Q <20 m3 /d
Óleos e Graxas
- óleos minerais: até 20 mg/L
- óleos vegetais e gorduras animais: até 50 mg/L DBO 400 mg O2/L Fonte: CONAMA 430 13/2011.
A princípio o efluente que passou pelo sistema de separação de água e óleo não necessariamente se adequou completamente aos requisitos básicos, ainda sim, o reservatório onde o qual efluente final se destina, é normalmente recolhido mensalmente ou trimensalmente por companhias terceirizadas responsáveis pelo
transporte e destinação final do resíduo, sendo que essas podem destinar tanto para redes de tratamento mais adequado ou local de reúso. Para uma melhor identificação das características do efluente em estudo, este artigo utilizou somente as análises laboratoriais de pH, Turbidez, Temperatura e Taxa de oleosidade. De acordo com a RESOLUÇÃO CONAMA Nº 273/00, locais que estabelece diretrizes para o licenciamento ambiental de postos de combustíveis e serviços e dispõe sobre a prevenção e controle da poluição. […] h) detalhamento do tipo de tratamento e controle de efluentes provenientes dos tanques, áreas de bombas e áreas sujeitas a vazamento de derivados de petróleo ou de resíduos oleosos; i) previsão, no projeto, de dispositivos para o atendimento à Resolução CONAMA no 9, de 1993185, que regulamenta a obrigatoriedade de recolhimento e disposição adequada de óleo lubrificante usado […]. Tal qual, na resolução, é estacado a necessidade de assinalar diversas atividades funcionais do estabelecimento. Contendo lacunas de posse e destinação final de resíduos, sendo que dessa maneira, sem uma resposta adequada, a legislação ambiental não liberaria a construção ou funcionamento do estabelecimento.
3. Revisão Bibliográfica
O “Jar Test ” tem por objetivo determinar os produtos químicos e as dosagens mais convenientes para obter se uma boa clarificação da água bruta no tratamento de água. As fases do ensaio do teste dos jarros correspondem na prática as três etapas do processo dispersão rápida do coagulante (coagulação), floculação e decantação (GARCÊS, 2004). A coagulação descreve o efeito produzido pela adição de um produto químico a uma dispersão coloidal. Esta adição faz com que as partículas aglomerem se através do contato entre elas, ocorrendo nesta etapa a formação de partículas. São
Diversos métodos eletrolíticos foram investigados ao longo dos anos para separação de emulsões óleo água (Yang, 2007; Cañizares et al., 2007; Ibrahim et al., 2001; Oblinger, 1984; Kramer et al., 1979). O processo chave envolvido na maioria dos métodos é a eletrocoagulação, que pode ser considerada um processo em dois estágios: (1) íons de alumínio ou ferro são introduzidos eletroliticamente para reduzir as forças repulsivas sobre as gotículas de óleo negativamente carregadas e “quebrar” a emulsão. (2) uma tensão de corrente contínua é aplicada através da emulsão para fazer com que as gotículas carregadas migrem e coalesçam. A viabilidade dos métodos eletroquímicos para a separação de emulsões óleo água tem sido demonstrada em testes em laboratório e em escala piloto, embora sua aplicabilidade em operações em larga escala ainda seja questionável. (RANGEL, 1998) Em seu artigo sobre eletrocoagulação publicado no Jornal de Educação Química, em 1995 Jorge G. Ibanez e Ruben Vasquez Medrano, demonstram que a emulsão óleo água foi realmente quebrada pela neutralização de cargas do Ferro usado no processo. Devido as normas do CONAMA foi necessário a utilização dos parâmetros como o pH e turbidez. Onde, o potêncial Hidrogênionico (pH) pode indicar a acidez ou a basicidade da água e é expresso por um número que varia de 0 a 14. A medida do pH é importante e deve ser frequente, pois possui algumas variações, como por exemplo, nas redes de abastecimento de água pode acontecer o efeito corrosivo da água sobre as tubulações; nas estações de tratamento de água todas as fases são dependentes do pH, por que as águas com pH ácido não coagulam bem e apresentam turbidez e cor elevadas (STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTWATER, 1995). Vale lembrar e ressaltar que a turbidez se define como a medida da interferência a passagem de luz, provocada por materiais em suspensão, como por exemplo a argila, lodo, matéria orgânica e inorgânica, compostos orgânicos corados
solúveis, plâncton e outros organismos microscópicos. Pode se dizer que a água é turva quando ela contém substâncias visíveis em suspensão que perturbam a transparência.(STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTWATER, 1995). O CONAMA apenas pede teste de TURBIDEZ em casos de água doce até classe 3 e águas salínas até classe 3, sendo elas corpos receptores. No nosso caso, a amostra não provem de um corpo receptor, entretanto a Turbidez foi um parâmetro escolhido pela equipe para melhor verificar o grau de eficiência.
4. Materiais e Métodos
4.1 Testes Experimentais
O presente estudo foi desenvolvido no período de março a maio de 2016 em um posto de abastecimento de automóveis que utiliza um sistema de separação de água e óleo para tratamento da água utilizada na lavagem de seus veículos, peças e local de trabalho.
4.1.1 Teste Químico: Sulfato de Alumínio e Amido Orgânico.
Os tratamentos de água e óleos que envolvem processos químicos normalmente tem a função de controlar poluentes não removidos por processos convencionais, reduzir a carga orgânica, as vezes sólidos suspensos, quebra da emulsão, coagulação e floculação das gotículas de óleo contidas no líquido. (Snatural, 20xx) O processo utilizado para este experimento é focado na função de Coagulação e Floculação, pela sua finalidade de decantar sólidos suspensos, e de separação do óleo para que este, menos denso que a água, suba para a superfície. Sendo assim, os principais materiais usados para esse experimento serão apresentados no Quadro 2 abaixo.
Apesar de visivelmente a mistura de Sulfato de Alumínio com Goma Xantana ter demonstrado uma decantação mais rápida, e um líquido mais limpo, todos os três líquidos foram reservados por um período maior do que 10 horas, para assim, depois, ser feito a análise de turbidez. O resultado dos três testes primários demonstrou uma taxa de coagulação/floculação bastante satisfatórias sendo assim escolhida não a melhor, porem mais relacionado com o custo benefício procurado pela equipe. Tendo como maior benefício um grau de menor Turbidez possível. Conforme o Quadro 11 nos resultados, o melhor foi o Amido.
Figura 3: Teste Químico
Fonte: Própria Assim prosseguiu o decorrer do experimento Químico desejado pelo projeto. Dentro de um recipiente plástico com capacidade de até 3 litros (com uma pequena torneira rosqueável para que se possa retirar o líquido uma vez pronta para análise) foram adicionados 1 litro de líquido bruto, e 2 gramas de Sulfato de alumínio diluído em água potável. Reservando o mesmo em local fresco durante 20 minutos para que a reação química pudesse dar seus primeiros efeitos. Após o termino dos 20 minutos, foram adicionados ao líquido em processo de coagulação, 0,1 gramas de Amido Orgânico diluído em água potável. Ao despejar o líquido dissolvido dentro do recipiente plástico, foi rapidamente visíveis o processo de decantação dos sólidos suspensos e óleo. A alteração de cor e turbidez foram notórias em menos de 15 minutos da junção dos químicos. Uma vez terminado 30 minutos de reação, através da torneira rosqueável no recipiente, foi recolhida uma amostra significante para as análises
laboratoriais, conseguindo os resultados de pH, Turbidez, Temperatura e Taxa de óleos e graxas mostrado no Quadro 7 dentro dos resultados.
4.1.2. Teste Eletrolítico: Descargas Elétricas e Amido Orgânico.
Os principais materiais usados para esse experimento foram: Quadro 3: Materiais Utilizados. Equipamentos Reagentes Bateria: Pioneiro mbr 8 bs 12v 7ª Líquido bruto: óleos e graxas (1l) Usina: 60a, 300ª peak. 14,4v (bivolt) Amido orgânico 100 mg Fonte Digital 30V/3A MPS 3503 2 cabos de 60cm cada 2 tubos de cobre de 20cm cada 2 tubos de alumínio de 20cm cada 1 balde de plástico 3.200ml Multímetro Cubo de Plástico Medidor de 500ml
Foi realizado um teste de eficiência básico de correntes alternada, alimentadas por uma bateria de moto Pioneiro mbr 8 bs 12v 7ª. Para que as descargas elétricas desse primeiro experimento se mantivessem estáveis, foi utilizada uma Fonte Automotiva USINA: 60A, 300A PEAK. 14,4V (BIVOLT). Esta usina foi conectada a bateria por 2 cabos (de ligação) de 60cm, e então a bateria foi conectada também aos tubos de cobre por mais dois cabos (de ligação) de 60cm. Foram colocadas nos tubos de cobre 3 borrachas para que estes não encostassem um no outro, dessa forma não causando curto.
Não houve análises laboratoriais desse primeiro teste. Após os testes inciais, foi pesquisado mais a fundo e decidiu se por alternar a corrente alternada para contínua, sendo esta, uma Fonte de alimentação elétrica DC POWER SUPPLY 30V/3A modelo MPS 3503. Para que as fosse colocado em prática esse segundo teste foi utilizado o mesmo recipiente, plástico, com capacidade para 2 litros, sendo 1 litro de líquido bruto. Imerso no líquido, dois ferros aspirais de alumínio foram ligados pelos cabos da Fonte de Alimentação. O experimento foi ligado em uma Voltagem de 12V com Amperagem fixa em 0,1A. ( Quadro 6 )
Quadro 6 : Segunda análise do experimento eletrolítico usando tubos de alumínio. Tempo (min)
Análise Visual Turbidez Óleos e Graxas Resíduos Sólidos
Volts
5 Início de concentração de bolhas
Inalterada Taxa visível Inalterada 30V e 0,2 A 15 Concentração de bolhas maior
Menor Óleo concentrado na superfície em uma taxa maior.
Decantou se pouco
30V e 0,2 A
30 Concentração de bolhas maior, início de espumação
Menor Mais óleo concentrado na superfície.
Decantou se bem
30V e 0,2 A
45 Concentração de espuma alta
Menor A concentração de óleo aumentou
Decantou se mais
30V e 0,2 A 60 Concentração de espuma maior
Menor Concentração de óleo mediando 50%
Visivelmente bem decantado.
30V e 0,2 A
Fonte: Autores.
Dentro de um recipiente plástico, foi adicionado 1litro de líquido bruto e 0, gramas de amido orgânico diluído em água potável. Imergiu se duas barras de alumínio conectadas a uma fonte elétrica, durante um período de 3 horas, observando a cada 15 minutos para ver a reação.
Notou se sedimentação de matéria sólida e formação de espuma na superfície, com alteração notável na cor e turbidez. Após o término das 3 horas, foi recolhido uma amostra significante para análises. Pelo resultado mediante a 30 minutos do experimento optou se por estender por mais 30 minutos, visando ter um resultado muito maior do esperado, onde a separação e concentração de óleo e espuma foi visualmente satisfatório. Este teste prolongou por mais 2 horas. No termino da terceira hora consecutiva, a Fonte de alimentação foi desligada para a decantação física tomar o resto do trabalho de separação. Após o desligamento da Fonte de alimentação, foi recolhido uma quantidade da amostra para análise laboratorial, obtendo os resultados de pH, Turbidez, Temperatura e Taxa de óleos e graxas mostrados no Quadro 8 nos resultados.
5. Resultados e Discussões
O procedimento que consistiu em colocar 2 gramas de Sulfato de alumínio diluído em 1 Litro de amostra, preservando o mesmo por 20 minutos, e após isso adicionando ao líquido 0,2 gramas de Amido Orgânico já diluído, resultou, após o término de 30 minutos de reação, os seguintes resultados de pH, Turbidez, Temperatura e Taxa de óleos e graxas mostrado no Quadro 7 abaixo. Quadro 7: Resultados da Análise Química pH 4, Turbidez 0,32 NTU Temperatura 25ºC Taxa de Óleos e Graxas 25,5 mg/L Fonte: Própria.
O teste eletrolítico feito, decorreu por um período de 3 horas ligado diretamente a Fonte de alimentação. Após esse período foi deixada parada sem descargas elétricas para que a separação por decantação física faça seu trabalho
Entretanto vale ressaltar que apesar do gráfico demonstrar que os métodos alternativos apresentaram resultados mais eficazes em questão de diminuição da taxa de turbidez, as análises de pH demonstraram um valor muito baixo quando comparados aos parâmetros padrões da Resolução CONAMA n° 430/ (descritos no item 2. Leis Vigentes ) Dentro dos parâmetros descritos na resolução o pH não deve ser inferior a 6 ou superior a 9. É visto com clareza através do gráfico abaixo que ambos os quatro apresentaram grau de pH inferior a 6, sendo ela considerada ácida. ( Gráfico 2 )
Gráfico 2: Índice de pH de cada amostra.
Fonte: Própria.
A temperatura de ambas amostras não variou, pois não houve nenhum aditivo ou fator de ambiente externo que alterasse o mesmo. A análise feita para a verificação da Taxa de óleos e graxas destinou se a um laboratório terceirizado chamado NUCLEOTEC da cidade de Foz do Iguaçu, e os relatórios de cada análise, incluindo os de Turbidez, pH e Temperatura feita pela equipe no laboratório da Faculdade, ambos estão em anexo. Através do gráfico de barras abaixo pode se notar que é evidente a decaída da taxa sendo que todos partiram do mesmo ponto, demonstrado em Bruto Posto, com o valor de 434,75 mg/L. A resolução CONAMA 430 denomina que taxas superiores a 100 mg/L estão acima do limite aceito pelos corpos receptores, logo, a nossa amostra de Bruto Posto é de fato inadequado para o meio ambiente. O mesmo Bruto Posto passando
pelos processos de separação, independente do processo ser físico, químico ou eletrolítico, a taxa fica bastante inferior ao padrão e assim adequado dentro dos parâmetros da resolução.
Gráfico 3: Taxa de Óleos e Graxas por amostra.
Fonte: Própria.
O Quadro 10 abaixo demonstra claramente o discutido acima.
Quadro 10 : Comparação e verificação Parâmetros pH Turbidez Temperatur a
Óleos e graxas
CONAMA Entre 6,0 e 9,
- águas doces ou águas salinas até classe 3: 100 NTU.
Inferior a 40°C
- óleos minerais: até 20 mg/L
- óleos vegetais e gorduras animais: até 50 mg/L Tratado Posto
5,35 0,94 NTU 25°C 25,7 mg/L
Químico 4,80 0,32 NTU 25°C 25,5 mg/L Eletrolítico 4,68 0,67 NTU 25°C 26,5 mg/L Fonte: Própria.
No que se refere a análise Custo benefício do processo a equipe aplicou um quadro de comparação custo benefício para que pudesse, entre os dois floculantes
Dentro do processo eletrolítico, destacado nos materiais e métodos, pôde se notar que a espuma ocorre devido as reações de eletrólise, onde no cátodo (o terminal negativo da fonte alimentadora) se acumula ao hidrogênio sob as gotículas de óleo liberado na reação eletrolítica. O líquido bruto contém uma taxa de oleosidade de 434,75 mg/L, onde a espuma acumulada na superfície seja relativamente alta, como pode ser vista nas imagens abaixo. ( Figura 4 e Figura 5 )
Figura 4: Espumas do processo eletrolítico em funcionamento.
Fonte: Própria.
Figura 5: Bolhas de hidrogênio do processo eletrolítico em funcionamento.
Fonte: Própria. Essa espuma que contem hidrogênio+óleos+graxas numa grande quantidade não pode ser liberada junto com o líquido de destinação final, e ainda há a matéria decantada, compostas por demais resíduos de densidade maior, que pode ser vista também na foto acima. Essa matéria, igualmente a espuma acumulada, não pode ser destinada de maneira alguma junto ao líquido final. Ambas as matérias não
devem se incorporadas na hora da retirada ou saída do líquido, pois elas interferem significativamente para a análise e para a deturpação da qualidade da água. Quando foi feito o cálculo para a análise custo benefício final entre o processo químico, o processo físico e o processo eletrolítico, não foi adicionado nenhuma variável de “erro” que possa vir a acontecer, como intempéries, acidentes ou falha de equipamentos elétricos. Os cálculos de custo pra o processo eletrolítico foram: Watts * Dias * Horas = Valor do kWh, que foi multiplicado pelo valor residencial de R$0,49 (valor aproximado atualmente disponibilizado pelo site da COPEL). Esse cálculo não é preciso, e a equipe optou por não se aprofundar nele. Entretanto não podemos deixar de adotar que os Watts utilizados para esse processo serviu apenas para o volume estipulado de 1L. Caso o processo precise ter uma estimativa de eficiência e preço para um tanque outro volume, haverá necessidade de conversação. O resultado obtido na multiplicação dos fatores usados no teste foi: 30 Volts * 0,2 Amperes = 6 Watts 1L = 6w, então, 6w/1000 = 0,006kW25dias3horas = 0,45kWh*R$0,49 = R$0,22 por mês/L A estimativa de dias são de aproximadamente 25, e o tempo necessário para que ele faça um efeito pleno seria de 3 horas, ainda que possa ser estendido sem mais problemas no tratamento. Não será levado em consideração o preço dos equipamentos ou da mão de obra gasta para a instalação do processo, mas ele com certeza estende o preço inicial por necessitar uma estrutura para ser funcionamento pleno.
