Post on 08-Nov-2021
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Civil
Coordenação do Curso de Engenharia Ambiental
REMOÇÃO DE COBRE E ALUMÍNIO
EM ÁGUAS RESIDUAIS DE PISCINAS
UTILIZANDO ZEÓLITA COMO
ADSORVENTE
Wagner Alan Pinheiro Borges
Natal, junho
2018
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Borges, Wagner Alan Pinheiro.
Remoção de cobre e alumínio em águas residuais de piscinas
utilizando zeólita como adsorvente / Wagner Alan Pinheiro Borges. - 2018.
38 f.: il.
Monografia (graduação) - Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia
Ambiental. Natal, RN, 2018.
Orientador: Prof. Dr. Djalma Ribeiro da Silva.
1. Piscina - Monografia. 2. Águas residuais - Monografia. 3.
Cobre - Monografia. 4. Alumínio - Monografia. 5. Contaminação -
Monografia. I. Silva, Djalma Ribeiro da. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 628.31
Elaborado por Ana Cristina Cavalcanti Tinôco - CRB-15/262
Wagner Alan Pinheiro Borges
REMOÇÃO DE COBRE E ALUMÍNIO
EM ÁGUAS RESIDUAIS DE PISCINAS
UTILIZANDO ZEÓLITA COMO
ADSORVENTE
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
curso de graduação em Engenharia Ambiental da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
como parte dos requisitos para obtenção do título
de Engenheira Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Djalma Ribeiro da
Silva.
Natal, junho
2018
Primeiramente, agradeço a Deus por mais esta
conquista.
Dedico e agradeço aos meus pais, Luiz Pinheiro
e Lindoia Pinheiro, a minha esposa, Tarcila
Frota, meu filho, Theo, aos meus irmãos, Denise
Pinheiro e Hugo Pinheiro, ao meu orientador,
Raoni Anjos, ao meu coorientador, Djalma
Ribeiro e aos meus amigos e companheiros de
trabalho.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 11
2. OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS ............................................................................. 12
2.1. OBJETIVOS GERAIS ............................................................................................................. 12
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................. 12
3. REFERENCIAL TEÓRICO ................................................................................................... 13
3.1. PROBLEMÁTICA ................................................................................................................... 13
3.1.1. Cobre .................................................................................................................................. 14
3.1.2. Alumínio............................................................................................................................. 14
3.2. ÁGUA DE PISCINA ................................................................................................................ 15
3.3. ADSORÇÃO ............................................................................................................................. 15
3.3.1. Batelada .............................................................................................................................. 16
3.3.2. Coluna de Leito Fixo .......................................................................................................... 16
3.4. ADSORVENTES ...................................................................................................................... 16
3.4.1. Zeólita ................................................................................................................................ 17
3.5. NORMAS E RESOLUÇÕES .................................................................................................. 17
3.5.1. Instrução Técnica Normativa ............................................................................................. 17
3.5.2. Resolução CONAMA n° 430/11 ........................................................................................ 18
3.5.3. Resolução COEMA n° 02/17 - Ceará................................................................................. 18
4. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................... 19
4.1. ÁREA DE ESTUDO................................................................................................................. 19
4.1.1. Natal-RN ............................................................................................................................ 19
4.2. REAGENTES, PADRÕES E SOLUÇÕES ............................................................................ 20
4.3. DETERMINAÇÃO DE COBRE E ALUMÍNIO POR ESPECTROMETRIA DE
EMISSÃO ÓPTICA COM PLASMA INDUTIVAMENTE ACOPLADO – ICP-OES............. 21
4.4. TESTE DE ADSORÇÃO ......................................................................................................... 22
4.4.1. Teste de Batelada ............................................................................................................... 22
4.4.2. Teste em Coluna ................................................................................................................. 22
4.5. TAXA DE REMOÇÃO ............................................................................................................ 24
4.6. VALORES ORIENTADORES PARA COBRE E ALUMÍNIO .......................................... 24
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................................... 25
5.1. TESTE DE BATELADA ......................................................................................................... 25
5.2. TESTE EM COLUNA ............................................................................................................. 27
6. CONCLUSÕES ........................................................................................................................ 33
7. PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS ......................................................................... 34
REFERÊNCIAS ............................................................................................................................... 35
LISTA DE ABREVIAÇÕES
Al Alumínio
CAERN Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte
CONAMA Conselho Nacional de Meio Ambiente
COEMA Conselho Estadual do Meio Ambiente
Cu Cobre
ITN Instrução Técnica Normativa
ICP-OES Espectrometria de Emissão Óptica por Plasma Acoplado
Indutivamente
NBR Norma Brasileira
NUPPRAR Núcleo de Processamento Primário e Reúso de Água Produzida e
Resíduo
RN Rio Grande do Norte
SEMURB Secretaria Municipal de Meio Ambiente e Urbanismo
VMP Valor Máximo Permitido
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Divisão administrativa de Natal/RN. ..................................................................................... 20
Figura 2 - Equipamento utilizado nas análises das amostras (ICP-OES). .............................................. 21
Figura 3 – Desenho esquemático do sistema de filtração. ..................................................................... 23
Figura 4 – Bomba peristáltica utilizada nos testes. ................................................................................ 23
Figura 5 – Teste de batelada com tempo de 60 min. .............................................................................. 26
Figura 6 - Coluna de leito fixo. .............................................................................................................. 27
Figura 7 - Concentração do Cu no primeiro experimento. ..................................................................... 28
Figura 8 - Concentração do Al no primeiro experimento. ..................................................................... 29
Figura 9 - Comparação dos comportamentos das concentrações do Cu e do Al. .................................. 29
Figura 10 - Concentração do Cu nos teste de longo tempo. ................................................................... 30
Figura 11 - Concentração do Al nos teste de longo tempo. ................................................................... 30
Figura 12 - Comparação dos comportamentos das concentrações do Cu e do Al.................................. 31
Figura 13 – Telas utilizadas nos ensaios de tempo curto (a) e de tempo longo (b). ............................... 32
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Análise de Al e Cu em piscinas em Natal/RN (Adaptado de NUPPRAR, 2018). ............... 13
Tabela 2 – Características físicas da zeólita Comercial. ........................................................................ 21
Tabela 3 – Parâmetros Instrumentais do ICP-OES. ............................................................................... 22
Tabela 4 – Limites mais restritivos encontrados na Instrução Técnica (Solo). ...................................... 24
Tabela 5 – Teste de batelada com tempo de 60 min. ............................................................................. 25
Tabela 6 – Teste de batelada com tempo de 16 horas. ........................................................................... 26
Tabela 7 – Resultados dos ensaios de leito fixo em tempos curtos. ....................................................... 28
Tabela 8 – Resultados dos ensaios de Leito Fixo em tempos longos. .................................................... 31
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 – Porcentagem de remoção. .................................................................................................. 24
RESUMO
Na cidade de Natal/RN uma das preocupações do Ministério Público do Rio Grande
do Norte - MPRN e do Instituto de Desenvolvimento Sustentável e Meio Ambiente do Rio
Grande do Norte - IDEMA é manter a qualidade das águas subterrâneas, pois as águas
superficiais, que já há décadas não são suficientes para abastecer toda a cidade, continuam
suscetíveis à poluição decorrente das atividades antrópicas Uma das preocupantes fontes de
contaminação dos mananciais subterrâneos são as águas residuárias provenientes da retro
lavagem e esgotamento das piscinas devido à presença de altas concentrações de cobre e
alumínio encontradas nas mesmas. Esses contaminantes são acumulados nas águas por anos
pelo uso de produtos químicos utilizados nos tratamentos algicidas, como sulfato de cobre e
alumínio. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo desenvolver um filtro em
laboratório usando uma zeólita comercial para redução ou eliminação de cobre e alumínio de
forma a proporcionar condições de descarte das águas de piscinas. Os testes preliminares em
coluna de leito fixo apresentaram taxa de remoção de 100% de cobre e alumínio nos 10
minutos iniciais, mostrando o potencial de uso da zeólita comercial como adsorvente.
Palavras-chave: Piscina; Contaminação; Cobre; Alumínio; Filtração.
ABSTRACT
In the city of Natal / RN, there is a growing concern about maintaining the quality of
groundwater, since surface waters, which have not been sufficient for decades to supply the
entire city, remain susceptible to pollution from anthropic activities. One of the worrying
sources of contamination of the underground springs is wastewater from the retrowash and
depletion of swimming pools due to the presence of high concentrations of copper and
aluminum found in them. These contaminants are accumulated in the water for years by the
use of chemicals used in algicidal treatments, such as copper sulfate and aluminum. In this
sense, this work aimed to develop a filter in the laboratory using a commercial zeolite to
reduce or eliminate copper and aluminum in order to provide conditions for the disposal of
swimming pool waters. Preliminary tests in fixed bed columns showed a 100% copper and
aluminum removal rate in the initial 10 minutes, showing the potential of commercial zeolite
as an adsorbent.
Key-words: Swimming pool; Contamination; Copper; Aluminum; Filtration.
11
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, a constante contaminação das águas superficiais em decorrência das
atividades antrópicas e o alto custo envolvido no processo de descontaminação aumentam a
necessidade e, consequentemente, a importância do uso de poços tubulares como fonte de
abastecimento humano nas cidades. Hoje, mais da metade do abastecimento público brasileiro
provém de reservas subterrâneas (SILVA, 2003). Segundo a Companhia de Águas e Esgoto
do Rio Grande do Norte – CAERN, 38% da zona Norte e 70% das zonas Sul, Leste e Oeste de
Natal/RN são abastecidas por águas subterrâneas, através da exploração de poços tubulares
(CAERN, 2017). A água subterrânea, portanto, representam a fonte mais importante de
suprimento hídrico da cidade. Apesar da importância que a água subterrânea representa para
cidade, a cada dia sua qualidade se deteriora, devido ao crescimento urbano sem
sustentabilidade.
Dentre as atividades potencialmente poluidoras que num futuro próximo poderá
comprometer a qualidade das águas subterrâneas de Natal/RN, estão as águas residuárias
provenientes da retro lavagem e esgotamento das piscinas, que facilitam o acesso do cobre e
do alumínio, oriundos do sulfato de cobre e do sulfato de alumínio usados no tratamento das
águas, ao solo e consequentemente às águas superficiais e subterrâneas. Tais metais são muito
tóxicos para os seres humanos (podem, por exemplo, prejudicar as funções renais
principalmente em pacientes com problemas crônicos) e, por esse motivo, deve ser evitado o
consumo dessas águas quando as concentrações desses metais estiverem acima do Valor
Máximo Permitido - VMP.
Desta maneira, este trabalho tem como objetivo principal desenvolver em nível de
bancada um filtro que possua potencial para um uso eficaz que, quando adaptados aos
sistemas de filtração existentes nas piscinas, consiga reduzir as concentrações desses metais a
níveis aceitáveis pela Instrução Técnica que regerá no futuro próximo as atividades de retro
lavagem e esgotamento das piscinas de Natal/RN e estabelecerá as condições adequadas de
concentrações desses metais nessas águas de rejeito. Para tanto, a escolha bem sucedida de
um adsorvente de uso comercial deve promover um filtro eficaz para atender a proposta.
12
2. OBJETIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS
2.1. OBJETIVOS GERAIS
Este trabalho teve como objetivo geral desenvolver em nível de bancada um filtro
eficaz, capaz de reduzir as concentrações dos metais cobre e alumínio a níveis aceitáveis pela
Instrução Técnica que regerá as atividades de retro lavagem e esgotamento das piscinas de
Natal/RN e estabelecerá as condições adequadas de concentrações desses metais nessas águas
de rejeito.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Foram objetivos específicos:
Entender a problemática através de alguns estudos bibliográficos, consultas em
livros e pesquisas na internet;
Levantar possíveis constituintes do leito filtrante;
Estabelecer materiais necessários para a execução do trabalho;
Formular a metodologia a ser desenvolvida;
Selecionar a composição do leito filtrante, verificando sempre a eficácia e a
viabilidade;
Desenvolver e montar os sistemas necessários para os ensaios;
Realizar os experimentos e analisar os resultados para obter as respostas
necessárias à conquista do objetivo principal.
13
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1. PROBLEMÁTICA
Os processos de retro lavagem e esgotamento das piscinas geram águas residuárias
normalmente contaminadas com metais pesados, principalmente cobre e alumínio, que são
muito prejudiciais a diversas formas de vidas. Essas águas contaminadas com metais em
níveis acima dos permitidos devem passar por processos que eliminem ou reduzam as
concentrações para os parâmetros aceitáveis antes de ser dado o destino final, por exemplo,
antes de serem lançados no sistema coletor público de esgotamento sanitário.
A Promotoria de Justiça e Meio Ambiente do Natal/RN atenta para a problemática
existente das águas residuárias provenientes da retro lavagem e esgotamento das piscinas,
realizou uma investigação de algumas águas de piscinas em empreendimentos no município
de Natal/RN. Os resultados apresentaram altas concentrações de cobre e alumínio (Tabela 1)
necessitando de um maior e melhor controle dos efluentes gerados durante a retro lavagem e
esgotamento das piscinas. Baseado nesses resultados o MPRN em conjunto com o IDEMA,
SEMURB, CAERN e UFRN está em processo de criação de uma instrução técnica normativa
com objetivo de definir procedimentos para a destinação das águas residuárias provenientes
da retro lavagem e esgotamento das piscinas localizadas no município de Natal/RN, com base
nas normas ambientais e técnicas, de modo a subsidiar os processos de licenciamento e as
ações de fiscalização do órgão ambiental do município de Natal/RN.
Tabela 1 – Análise de Al e Cu em piscinas em Natal/RN (Adaptado de NUPPRAR, 2018).
Local de Coleta Al (mg.L-1
) Cu (mg.L-1
)
EMPREENDIMENTO 1 1,290 1,490
EMPREENDIMENTO 2 28,660 6,600
EMPREENDIMENTO 3 47,600 3,150
EMPREENDIMENTO 4 0,201 0,005
EMPREENDIMENTO 5 1,260 0,145
EMPREENDIMENTO 6 5,750 0,826
EMPREENDIMENTO 7 5,225 1,478
EMPREENDIMENTO 8 2,590 0,890
EMPREENDIMENTO 9 43,550 1,425
EMPREENDIMENTO 10 0,630 0,005
EMPREENDIMENTO 11 1,890 0,644
EMPREENDIMENTO 12 0,000 1,000
CONAMA nº 430/11*
- 1,000
COEMA n° 02/17 CE**
10,000 -
14
* Padrão de lançamento em corpos de água.
** Padrão de lançamento em corpos de água e disposição no solo.
3.1.1. Cobre
O cobre é um metal traço, presente nos tecidos vegetais e animais, essencial para o
metabolismo dos seres vivos, pois constitui várias enzimas importantes para o sistema
metabólico. Porém, em quantidades superiores as necessárias aos organismos, podem trazer
danos à saúde. Uma das fontes de contaminação da população nas cidades é justamente o
sistema de abastecimento d´águas, que devido aos equipamentos mecânicos do sistema como
as bombas d´águas e as tubulações, contaminam as águas que são distribuídas. Entretanto, a
contaminação da água por fungicidas, algicidas, resíduos provenientes de depósitos de lixo, a
atividade vulcânica e algumas atividades industriais, agrícolas e de mineração também podem
ocorrer, aumentando significantemente a concentração desse metal (WINTER, 2009).
O contato recorrente com o cobre agrava os problemas de insuficiência renal
principalmente dos pacientes que lidam com diálise (MISAEL, 1996). Essas exposições
podem ocasionar distorções no transporte tubular ao alterar sua capacidade de excretar esse
elemento (VANHOLDER et al., 2002). Desconfia-se também que os mecanismos oxidativos
sejam alterados devido ao excesso de cobre no organismo, podendo, por exemplo, aumentar
os riscos de doenças cardíacas (VANHOLDER et al., 2002). Outros problemas que podem
estar associado são os que ocasionam anemia, danos hepáticos, alterações no sistema
imunológico, redução das células precursoras na medula óssea, e atraso do crescimento e do
desenvolvimento (URIU-ADAMS & KEEN, 2005).
3.1.2. Alumínio
Diferente do cobre, o alumínio não possui nenhuma função fisiológica conhecida.
Segundo MILLER et al., (1984) a concentração de alumínio na água tratada para o consumo
humano vem do uso de sulfato de alumínio usado nos tratamentos na etapa de decantação.
Como o cobre, o alumínio também traz problemas para os pacientes renais crônicos.
Ele pode causar demência nesses pacientes que precisam ser submetidos ao tratamento de
hemodiálise (HSIEH et al., 2006). Essa demência é causada devido à degeneração dos
astrócitos (SUAREZ-FERNANDEZ et al.,1999) e à interferência na manutenção do
citoesqueleto em neurônios. Esses pacientes ainda podem sofrer a encefalopatia, patologias no
15
encéfalo (ANDRADE et al., 2005). Isso tudo fica potencializado, pois a excreção de alumínio
em pacientes renais é bastante reduzida, implicando, possivelmente, no acúmulo em tecidos
como ossos, rins, cérebro e músculos (WILHELM et al., 1988).
São vários os problemas que podem estar associado ao alumínio, por exemplo,
desordens mentais, como esclerose lateral amiotrófica, demência associada à doença de
Parkinson (VAN DER VOET et al.,1999), osteomalacia (LORENZO, 2008), Alzheimer (MIU
& BENGA, 2006), alterações neurocomportamentais no período embrionário/fetal (EXLEY,
2005) e as desordens imunológicas, como a imunossupressão (GARRUTO et al., 1989).
RIFAT, (1992) alerta para outro agravante. Os complexos alumínio-flúor aumentam
a capacidade de danos neurotóxicos do alumínio. Essa é uma informação que preocupa toda a
população, pois segundo BRUDEVOLD et al., (1972) devido aos processos de tratamento e
fluoretação da água, todos estão expostos a esses complexos.
3.2. ÁGUA DE PISCINA
Atualmente, diversas atividades aquáticas têm sido muito indicadas para a saúde e
preferido por pessoas de ambos os sexos. Essa crescente importância social que as piscinas
vêm ganhando, estabelece também um crescente aumento da importância sanitária.
Diversas patologias podem ser adquiridas ou transmitidas por pessoas que usam as
piscinas para o lazer ou atividades físicas. Para SANSEBASTIANO et al, 2008, as águas de
piscina podem veicular diversos tipos de doenças, desde simples infecções dos olhos até
mesmo desencadear complicações severas.
Visando a saúde pública, as análises físico-químicas para controle da qualidade das
águas de piscinas ganham cada vez mais notoriedade. Por exemplo, a legislação do Estado de
São Paulo possui uma Norma Técnica Especial que não é atualizada desde a década de 1970.
Ela específica os parâmetros cloro residual e pH, limpidez e observação da superfície da água.
Porém hoje, além destes, a literatura e a Associação Brasileira de Normas Técnicas
recomendam vários outros parâmetros tais como turbidez, temperatura, cloretos, nitrato,
nitrito, cor, condutividade, sólidos totais dissolvidos, alcalinidade total, ferro, sulfato, dureza
total, odor e oxidabilidade, tudo para tentar garantir condições mais salutares.
3.3. ADSORÇÃO
A adsorção é um método alternativo de tratamento utilizado normalmente para a
16
remoção de metais tóxicos de efluentes contaminados. Nesse processo, o adsorvente é o
material sobre o qual ocorre a adsorção, e a substância adsorvida é o adsorbato (PORPINO,
2009). O melhor do uso dessa técnica é o fato de ser uma boa técnica, em termos de
flexibilidade, simplicidade de projetos e facilidade de operação, e ter um baixo custo inicial,
quando comparada a outros métodos empregados para reúso de água. Porém, para que o
processo de adsorção seja eficiente, deve-se fazer uma análise preliminar para uma escolha de
um adsorvente eficaz, que apresente alta seletividade, alta capacidade, longa vida, baixo custo
e estar disponível em grandes quantidades (IMMICH, 2006).
3.3.1. Batelada
Os experimentos em batelada são simples de serem desenvolvidos e podem ser
obtidas importantes informações para um experimento em coluna ou até mesmo em escala
piloto. A decisão de manter um modo de adsorção batelada ou coluna em uma escala
industrial está associada ao volume a ser tratado e ao tempo de contato. Nessa metodologia, o
adsorvente e a solução que contêm o adsorvato ficam em contato durante todo o tempo do
experimento sob agitação, sendo possível a obtenção de parâmetros cinéticos e o estudo das
isotermas de equilíbrio (MALVESTIO, 2010).
3.3.2. Coluna de Leito Fixo
A importância dos testes em coluna de leito fixo é devido ser um processo mais
usualmente usado em filtros. Segundo GERENTE et al., 2007, geralmente operações
industriais em grande escala são realizadas em sistemas de coluna de leito fixo. Essa
metodologia permite tratar grandes volumes de efluente, mas devido ao tempo de contato
menor quando comparado com o método de batelada, entrega menor capacidade de retenção,
pois permite um tempo menor de contato entre o adsorvente e adsorbato no sistema (COSTA
e FRANÇA, 1996).
3.4. ADSORVENTES
Os materiais adsorventes geralmente são divididos em três grupos: inorgânicos,
orgânicos sintéticos e orgânicos vegetais (RENGASAMY; DAS; KARAN, 2011). O primeiro
grupo é representado por materiais como vermiculita, zeólita, grafite, diatomita, entre outros.
O segundo grupo por materiais como o polipropileno e espumas de poliuretano, que são
17
comumente comercializadas para sorção em derramamentos de óleo devido as suas altas
hidrofobicidades. A desvantagem desses materiais é a não biodegradabilidade. O terceiro
grupo é representado por biomassas, fibras vegetais, e resíduos agrícolas, como: fibras de
coco, bagaço de cana, algodão, celulose, entre outros. Os materiais vegetais, geralmente,
apresentam baixa flutuabilidade e baixa hidrofobicidade (ADEBAJO et al., 2003;
RENGASAMY, DAS, KARAN, 2011).
3.4.1. Zeólita
Vários adsorventes são aplicados no tratamento de águas, um deles são as zeólitas,
minerais formados por uma estrutura tridimensional de tetraedros de SiO4 e AlO4. As zeólitas
possuem cavidades e canais regulares e de tamanho molecular, nos quais pode haver
movimentação de moléculas de água. O desbalanceamento de cargas provocado pelo Al
estrutural, que é trivalente, é compensado por cátions de metais alcalinos e alcalinos terrosos.
Esta condição confere às zeólitas a propriedade de troca iônica (DAL BOSCO; JIMENSEZ;
CARVALHO, 2004).
As zeólitas têm a capacidade de trocar íons presentes na água, auxiliando na remoção
de íons como cálcio e magnésio, diminuindo a dureza das mesmas. Além disso, são excelentes
para a remoção de íons metálicos, devido às suas propriedades físico-químicas, tais como,
cristalinidade, estabilidade térmica, cadeia bem definida, seletividade iônica, etc. Ao mesmo
tempo, é destacável a possibilidade de reutilização sem perder a capacidade de adsorção
(SOLACHE-RÍOS; GARCÍAMENDIETA; OLGUÍN, 2009; DIMIRKOU; DOULA, 2008;
FONSECA; OLIVEIRA; ARAKAKI, 2006).
As zeólitas naturais têm baixa capacidade de troca-iônica e são comumente tratadas
por métodos químicos ou físicos após serem utilizadas. As soluções de cloreto de sódio são
amplamente empregadas para ativar zeólitas e aumentar a sua capacidade de adsorção
(TAFFAREL; RUBIO, 2009).
3.5. NORMAS E RESOLUÇÕES
3.5.1. Instrução Técnica Normativa
Todas as piscinas de empreendimentos sujeitos a licenciamento ambiental, bem
como as piscinas de habitações unifamiliares, deverão futuramente atender aos parâmetros de
lançamentos determinados pela Instrução Técnica Normativa (ITN) que ainda está em
18
processo de aprovação. Baseada principalmente nas resoluções CONAMA n° 430/11 e
COEMA n° 02/17, essa Instrução Técnica dispõe de informações importantes como, por
exemplo, como deverá ocorrer a destinação das águas residuárias e os critérios para a
destinação ao sistema público de coleta de esgoto de Natal ou os requisitos necessários para a
devida infiltração no solo.
3.5.2. Resolução CONAMA n° 430/11
A resolução CONAMA n° 430/11 dispõe sobre condições, parâmetros, padrões e
diretrizes para gestão do lançamento de efluentes em corpos de água receptores. Ela é
utilizada pela ITN como referência para o limite máximo da concentração do cobre contido
nos efluentes que poderão ser lançados em corpos de água. Assim, o valor máximo da
concentração de cobre para o lançamento em corpos de água é 1,0 mg.L-1
, o mesmo previsto
pela ITN para reúso ou infiltração no solo, ou 10,0 mg.L-1
para disposição no sistema público
de coleta de esgotos.
3.5.3. Resolução COEMA n° 02/17 - Ceará
A resolução COEMA n° 02/17 do Ceará dispõe sobre condições, parâmetros, padrões
e diretrizes para gestão do lançamento de efluentes em corpos receptores e em rede coletora
de esgoto, em atendimento aos princípios e respectivos objetivos da Política Nacional de
Meio Ambiente. Como a CONAMA n° 430/11 não prevê a concentração máxima para o
alumínio, a COEMA n° 02/17 é a referência utilizada pela ITN para esse metal, ficando assim
estabelecido que o limite máximo aceito pela Instrução Técnica é de 10 mg.L-1
, para
lançamento no sistema coletor de esgoto sanitário, reúso e filtração no solo, seguindo a
resolução do Ceará.
19
4. MATERIAIS E MÉTODOS
O estudo foi dividido em três etapas:
Primeira etapa – Foram executados alguns estudos bibliográficos, consultas em
livros técnicos e pesquisas na internet buscando em outros trabalhos informações
essenciais;
Segunda etapa – Nesta etapa, foi realizado o levantamento e a seleção dos
possíveis constituintes que poderiam compor o sistema de filtração a ser
desenvolvido. Após a seleção dos constituintes do sistema, a coluna de filtração foi
criada e montada utilizando o leito filtrante selecionado;
Terceira etapa – Realizada a segunda etapa, com o sistema pronto para o uso,
efetivou-se diversos experimentos em laboratório, utilizando soluções montadas
com concentrações de metais (7,9 a 15,9 mg.L-1
de cobre e de 11,6 a 22,2 mg.L-1
de
alumínio) superiores as médias encontradas nas amostras das piscinas investigadas
pelo Ministério Público em Parceria com o NUPPRAR (2018) (Tabela 1), com a
finalidade de estabelecer a melhor configuração possível de funcionamento.
4.1. ÁREA DE ESTUDO
4.1.1. Natal-RN
O desenvolvimento deste projeto visa o tratamento das águas residuárias
provenientes do descarte das piscinas no município de Natal/RN. A cidade de Natal tem uma
estimativa populacional (2017) de 885.180 habitantes e uma densidade demográfica (2010) de
4.805,24 hab/km², possui uma área total de 167,26 km², correspondendo a 0,32% do estado
(SEMURB, 2014). O clima é o tropical úmido com chuva no inverno e verão seco, possui
uma temperatura média anual de 26,5°C, com uma precipitação pluviométrica média de 156,6
mm/mês (SEMURB, 2014). É composta por 36 bairros, delimitados em quatro regiões ou
zonas administrativas: zona norte, sul, leste e oeste (Figura 1). Sendo estas abastecidas
aproximadamente por 70% de água subterrânea e 30% de águas superficiais (CAERN, 2011).
Onde as populações das Zonas Sul, Leste e Oeste são abastecidas através da exploração de
poços tubulares, aproximadamente 70% e pelo manancial da lagoa do Jiqui, aproximadamente
30%, que pertence à Bacia Hidrográfica Pirangi. O abastecimento de água à população da
Zona Norte de Natal/RN é realizado através da exploração de poços tubulares,
20
aproximadamente 38%, e pelo manancial da lagoa de Extremoz, aproximadamente 62%, que
pertence à Bacia Hidrográfica Doce (CAERN, 2011).
Figura 1 - Divisão administrativa de Natal/RN.
Fonte: SEMURB, 2008.
4.2. REAGENTES, PADRÕES E SOLUÇÕES
Todas as soluções aquosas foram preparadas com água de alta pureza, com resistividade
de 18,2 MΩ cm, obtida pelo sistema Elga Purelab Ultra (Elga Labwater, Reino Unido). Para o
preparo das curvas de calibração, soluções de referência (SpecSol, São Paulo) mono-
elementares de 1000 mg.L-1
de Al, e Cu a 5 % (v / v) de HNO3. Para o preparo das soluções
de cobre e alumínio, utilizou-se sulfato de cobre e alumínio comercial utilizados em
tratamentos algicidas em piscinas.
A zeólita comercial utilizada nos testes foi fornecida pelo fabricante com uma
granulometria que variava de 0,355 a 0,850 mm. Suas propriedades físicas se encontram na
Tabela 2.
21
Tabela 2 – Características físicas da zeólita Comercial.
Parâmetro Zeólita Comercial
Granulometria (mm) 0,355 - 0,850
Coloração Marrom escuro
Forma Granular
Densidade (g.cm-3
) 1,9 - 2,0
Dureza (Moh) 3 - 5
Coeficiente de Uniformidade < 1,60
4.3. DETERMINAÇÃO DE COBRE E ALUMÍNIO POR ESPECTROMETRIA DE
EMISSÃO ÓPTICA COM PLASMA INDUTIVAMENTE ACOPLADO – ICP-OES
Para a quantificação do Cobre e Alumínio, foi utilizada a Espectrometria de Emissão
Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES) (Figura 2). A técnica de ICP-OES
baseia-se na emissão de radiações quando átomos neutros ou íons gasosos são excitados
termicamente. Através das radiações emitidas em cada comprimento de onda, pode-se
identificar o elemento emissor e a partir da medida da intensidade desta radiação determina-se
a concentração do elemento em questão presente na amostra (NÖLTE, 2003). Para a
determinação desses metais foi utilizado um ICP-OES da Figura 2 (Thermo Fisher Scientific,
Bremen, Alemanha), modelo iCAP 6300 Duo, com vista axial e radial, detector simultâneo
CID (Charge Injection Device). Argônio comercial com pureza de 99,996% (Linde) foi
utilizado para, geração do plasma, sendo também utilizado como gás de nebulização e
auxiliar. Os parâmetros instrumentais estão apresentados na Tabela 3.
Figura 2 - Equipamento utilizado nas análises das amostras (ICP-OES).
Fonte: Autor, 2018
22
Tabela 3 – Parâmetros Instrumentais do ICP-OES.
Parâmetro Valores
Potência da fonte de RF 1150 W
Vazão do gás nebulizador 0,8 L.min-1
Vazão do gás auxiliar 0,5 L.min-1
Tempo de estabilização 30 s
4.4. TESTE DE ADSORÇÃO
Os estudos de adsorção, batelada e coluna, foram realizados nos Laboratórios do
NUPPRAR do Instituto de Química da Universidade Federal de Rio Grande do Norte.
4.4.1. Teste de Batelada
O teste de batelada foi realizado inicialmente apenas para o Cobre, empregando 50
mL da solução em contato com variação da massa de 0,1, 0,25, 0,5, 1,0, 2,0 e 5,0 g da zeólita
A comercial. As amostras foram colocadas em erlenmeyers de 150 mL e submetidas a uma
agitação em mesa agitadora orbital numa rotação de 200 RPM, em um período de 60 min. Ao
término do tempo, as amostras foram filtradas, e os líquidos foram analisados por ICP-OES.
As amostras foram preparadas em triplicatas. O branco foi considerado o tempo zero, ou seja,
o qual não houve contato com a peneira molecular. Também se fez o teste com as massas de
2,0 e 5,0g com o tempo de 16 horas de contato com a zeólita, promovida por uma mesa
agitadora orbital funcionando a 200 RPM.
4.4.2. Teste em Coluna
Em escala laboratorial foi construído uma coluna, contendo como material
adsorvente a zeólita comercial, para a remoção simultânea de Cu e Al da solução sintética
previamente preparada. A coluna consiste em um tubo de PEAD de 56 cm de altura e 1,8 cm
de diâmetro. A coluna foi constituída por 52 cm de altura de camada adsorvente e, como
camada suporte, utilizou-se 5 cm de espaço vazio para a drenagem do sistema. A quantidade
de adsorvente na coluna foi calculada baseada nos valores tabelados no manual do usuário da
zeólita comercial.
23
A introdução da solução acontece de forma ascendente, como apresenta a Figura 3. A
solução de Cobre e/ou Alumínio de concentração 8000 mg.L-1
, simulando uma água de
piscina com a presença dos metais, com vazão de entrada de 2000 mL.h-1
. Sendo retiradas
amostras de 50 mL do percolado para análise nos tempos curtos de 1, 10, 20, 30, 40, 50 e 60
min. Em seguida foram realizados testes de longo tempo de 1, 2, 3, 4 e 5 horas. Ao término do
tempo, as amostras foram filtradas, e os líquidos foram analisados por ICP-OES.
Figura 3 – Desenho esquemático do sistema de filtração.
Fonte: Autor, 2018
O para os teste em coluna utilizou-se o fluxo ascendente por meio de uma bomba
peristáltica da marca Lead Fluid, modelo BT100S (Figura 4), a uma vazão controlada e
constante de 2000 mL.h-1
de uma solução contendo uma concentração de 7,9 mg.L-1
de
alumínio e 11,6 mg.L-1
de cobre e com pH 4,29 a 25,1 °C.
Figura 4 – Bomba peristáltica utilizada nos testes.
Fonte: Autor, 2018
24
4.5. TAXA DE REMOÇÃO
As taxas de remoção de cobre e alumínio foram calculadas pela Equação 1.
Equação 1 – Porcentagem de remoção.
Onde:
R%= porcentagem de retenção ou quantidade percentual de Cobre ou Alumínio
removido (%);
Ci= concentração inicial (mg.L-1
);
Ce= concentração de equilíbrio (mg.L-1
).
4.6. VALORES ORIENTADORES PARA COBRE E ALUMÍNIO
O valor máximo permitido (VMP) utilizado nesse trabalho para o Cobre foi de 1
mg.L-1
, segundo a Resolução nº 430/11 do CONAMA. Já para o Alumínio, que não possui
VMP segundo a Resolução nº 430/11 do CONAMA, utilizou-se a concentração de 10 mg.L-1
,
a resolução do COEMA nº 02/17 do Ceará, conforme a Tabela 4.
Tabela 4 – Limites mais restritivos encontrados na Instrução Técnica (Solo).
Substância Concentração (mg.L-1
) Norma
Cobre total 1,0 CONAMA nº 430/11
Alumínio total 10,0 COEMA n° 02/17 CE
25
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. TESTE DE BATELADA
Os testes de batelada foram realizados inicialmente, empregando 50 mL da solução
em contato com variação da massa de 0,1, 0,25, 0,5, 1,0, 2,0 e 5,0 g da zeólita comercial. Para
cada um desses ensaios, obtiveram-se amostras em triplicatas. Por fim, calcularam-se as
médias de cada triplicata e efetuaram-se os cálculos das taxas de remoção (R%) utilizando
essas médias como o valor da concentração de cada ensaio. Os resultados estão apresentados
na Tabela 5 e na Figura 5.
Tabela 5 – Teste de batelada com tempo de 60 min.
Massa
Zeólita
Amostras
Triplicatas
Concentração
pós filtração de
Cu (mg.L-1
)
Média das
concentrações das
triplicatas
Média de R%
0,10g
1A 5,613
5,694 33,12 1B 5,678
1C 5,791
0,25g
2A 5,469
5,752 32,44 2B 5,867
2C 5,921
0,50g
3A 5,090
5,113 39,94 3B 5,095
3C 5,155
1,00g
4A 4,487
4,266 49,89 4B 4,151
4C 4,160
2,00g
5A 0,310
0,319 96,25 5B 0,329
5C 0,319
5,00g
6A 0,220
0,218 97,44 6B 0,204
6C 0,229
26
Figura 5 – Teste de batelada com tempo de 60 min.
Os resultados mostram que com o aumento da quantidade de adsorvente, há o aumento
da taxa de remoção de cobre dissolvido em água. As massas de 0,1, 0,25 e 0,5g não
apresentaram diferenças significativas nas taxas de remoção de Cobre. Já entre 1,0g e 2,0g
houve um aumento de 50% da taxa de remoção, e de 2,0 g para 5,0g não houve aumento
significativo. As massas que apresentaram as melhores taxas de remoção foram testadas
aumentando o tempo de contato para se alcançar uma remoção de 100%. Conseguiu-se uma
taxa de remoção (R%) de 99,07% de Cobre dissolvido, como apresentado na Tabela 6.
Tabela 6 – Teste de batelada com tempo de 16 horas.
Massa
Zeólita
Amostras
Triplicatas
Concentração
pós filtração de
Cu (mg.L-1
)
Média das
concentrações
Média de
R%
2,00g
5A 0,089
0,098 98,86 5B 0,105
5C 0,099
5,00g
6A 0,148
0,079 99,07 6B 0,08
6C 0,01
Os resultados apresentados (Tabelas 5 e 6) mostraram que a zeólita tem potencial de
remoção para o Cobre, sendo possível reduzir a concentração da solução inicial de 8,435
mg.L-1
de Cu para concentração final de 0,079 mg.L-1
de Cu, valor esse inferior ao da
Resolução nº 430/11 do CONAMA (1,0 mg.L-1
). Verificada a eficácia da zeólita na remoção
33,12 32,44
39,94
49,89
96,25 97,44
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 5,0
R%
Massa (g)
27
do cobre através do teste de batelada, o próximo ensaio foi realizado por coluna de leito fixo
utilizando uma solução contendo os dois metais (cobre e alumínio) para verificar a eficiência
do sistema na remoção de ambos.
5.2. TESTE EM COLUNA
Em seguida foram realizados ensaios em coluna com o objetivo de simular as
condições que devem ser empregadas em campo (Figura 6). A coluna foi desenvolvida com a
capacidade de comportar a quantidade de leito filtrante (zeólita) indicada pelo fabricante do
mineral. A coluna comportou cerca de 290g da zeólita atendendo as especificações contidas
no manual da empresa.
Figura 6 - Coluna de leito fixo.
Fonte: Autor, 2018
O teste em tempos curtos, onde as amostras foram coletadas após passar pela coluna
nos tempos de 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60 min, estão apresentados na Tabela 7. Observa-se a
partir dos dados da Tabela 7, que com 1 min, houve remoção total de Cobre e Alumínio, e
com passar do tempo o adsorvente começa a perder eficiência de remoção dos metais.
28
Tabela 7 – Resultados dos ensaios de leito fixo em tempos curtos.
TEMPOS CURTOS
Amostra pH Temperatura
(°C)
Cu
mg.L-1
R %
Cu
Al
mg.L-1
R %
Al
Branco 4,29 25,1 7,906 - 11,580 -
1 min 4,72 25,6 0,000 100,00 0,000 100,00
10 min 4,23 25,6 6,231 21,19 6,360 45,08
20 min 4,11 25,3 7,116 9,99 9,089 21,51
30 min 4,14 25,2 7,352 7,01 9,608 17,03
40 min 4,15 25,5 7,372 6,75 9,793 15,43
50 min 4,16 25,4 7,444 5,84 10,000 13,64
60 min 4,16 25,2 7,503 5,10 10,030 13,39
Observando os gráficos das Figuras 7 e 8, gráficos das concentrações de Cu e Al, do
teste de tempos curtos, observa-se que na primeira amostra no tempo de 1 min, houve redução
total das concentrações dos metais, mas logo em seguida, já com 10 minutos, a zeólita estava
quase saturada, retendo muito pouco dos metais e, ao final dos 60min, já não adsorvia
praticamente nada, comportava-se como um leito filtrante quase completamente saturado, ou
seja, a solução passava pela coluna praticamente inalterada, com a concentração dos metais
próxima a original encontrada no padrão.
Figura 7 - Concentração do Cu no primeiro experimento.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostra
29
Figura 8 - Concentração do Al no primeiro experimento.
Comparando os gráficos da Figura 9, notam-se comportamentos parecidos das
concentrações do Cu e do Al. Porém, quando se faz a relação entre as R% desses metais, Al
sempre superior (Tabela 7), percebe-se que a zeólita teve maior afinidade pelo alumínio.
Além disso, outra interessante observação visível na Figura 9 é que, mesmo após 24h em
processo de saturação, observado desde os primeiros 10 minutos do início do procedimento, o
leito filtrante nunca esteve completamente saturado, sempre esteve adsorvendo.
Figura 9 - Comparação dos comportamentos das concentrações do Cu e do Al.
0
2
4
6
8
10
12
14
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostra
0
2
4
6
8
10
12
14
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostras
Cu
Al
30
Comparando o ensaio de tempo longo (desenvolvido com um novo recheio para
coluna com a zeólita com a finalidade de verificar as taxas de remoção maiores que 1 hora)
com o ensaio de tempo curto, os resultados obtidos foram diferentes e muito promissores,
observando-se que não houve qualquer indício de saturação do leito filtrante (Figuras 10 e
11).
Figura 10 - Concentração do Cu nos teste de longo tempo.
Figura 11 - Concentração do Al nos teste de longo tempo.
Como no ensaio de tempo curto, também se percebe ao analisar o gráfico da Figura
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Padrão 1 hora 2 hora 3 hora 4 hora 5 hora
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostras
Cu
Cu
0
5
10
15
20
25
Padrão 1 hora 2 hora 3 hora 4 hora 5 hora
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostras
Al
Al
31
12 que o comportamento da concentração do cobre é similar a do alumínio. Porém, agora as
taxas de remoção variaram entre 50,55% a 51,94%, média de 51,18% para o Cu e de 50,00%
a 52,65%, média também de 51,18% para o Al. Essas médias iguais apresentadas na Tabela 8
indicam que a afinidade da zeólita foi a mesma para os dois metais.
Figura 12 - Comparação dos comportamentos das concentrações do Cu e do Al.
Tabela 8 – Resultados dos ensaios de Leito Fixo em tempos longos.
TEMPOS LONGOS
Amostra pH Temperatura
(°C)
Cu
ppm
R %
Cu
Al
ppm R % Al
Branco 4,15 25,1 15,860 - 22,240 -
1 hora 4,21 25,1 7,691 51,51 10,530 52,65
2 horas 4,26 25,5 7,754 51,11 10,960 50,72
3 horas 4,26 25,0 7,843 50,55 11,120 50,00
4 horas 4,29 24,9 7,801 50,81 11,040 50,36
5 horas 4,30 24,6 7,623 51,94 10,630 52,20
Médias - - - 51.18 - 51,18
A diferença de comportamento dos ensaios de tempos curtos e longos, além do
tempo, foi a alteração das telas de retenção do leito filtrante (zeólita) que ficam nas
extremidades da coluna. Essas telas foram substituídas no ensaio de tempos longos, pois foi
percebido que elas não eram feitas de material adequado. Isso só foi percebido após o ensaio
de tempo curto, quando a tela foi retirada para a substituição da zeólita no experimento de
tempo longo. Ao retirar a tela, foi verificado que os poros estavam muito mais abertos no
0
5
10
15
20
25
Padrão 1 hora 2 hora 3 hora 4 hora 5 hora
Co
nce
ntr
ação
(p
pm
)
Amostras
Cu
Al
32
centro devido a não suportar o peso da zeólita e nem as tensões sofridas para mantê-la
esticada ao ser colocada no lugar (Figura 13). Isso deve ter influenciando no fluxo, uma vez
que este poderia estar seguindo um caminho preferencial (facilitado) no centro do leito
filtrante.
Figura 13 – Telas utilizadas nos ensaios de tempo curto (a) e de tempo longo (b).
Fonte: Autor, 2018
Dessa maneira, o fluxo próximo a lateral da coluna deve ter sido muito menor,
fazendo com que boa parte do material adsorvente estivesse pouco disponível para a remoção
dos metais. Assim, a porção da zeólita no cerne do leito, que recebia a maior parcela do fluxo,
ficou propícia à rápida saturação (aumento da concentração no gráfico da Figura 9), enquanto
boa parte do leito filtrante sempre esteve adsorvendo, mas contribuindo muito pouco na
redução das concentrações, pois, a parcela do fluxo que passava por essa parte do leito era
muito menor que a que seguia pelo centro do leito filtrante, justificando a lentidão na
completa saturação do material adsorvente vista também nos gráficos da Figura 9. Essa
alteração no sistema, fundamental para os ótimos resultados obtidos no segundo experimento,
também pode, de alguma forma, ter favorecido a melhor equalização na afinidade do leito
filtrante para adsorção do cobre e do alumínio, fazendo com que o alumínio que esteve com
uma taxa de remoção muito maior que o cobre no ensaio de tempos curtos, passasse no
segundo ensaio a ter a mesma taxa de remoção do cobre, pouco mais de 50% de remoção para
ambos.
33
6. CONCLUSÕES
Observado os resultados e feita às análises adequadas, fica evidente que a zeólita
testada neste trabalho, como meio adsorvente, é eficaz na redução das concentrações dos
metais cobre e alumínio não somente nas soluções contendo um ou o outro metal, mas
também nas soluções contendo os dois simultaneamente. Além disso, a presença dos dois
concomitantemente não altera significativamente o comportamento de adsorção de qualquer
um dos dois metais.
Os testes de batelada, executado preliminarmente para a verificação e constatação da
eficiência da zeólita na remoção do cobre, serviram também para dar bons indícios da sua
eficácia na adsorção de outros íons com características parecidas como, por exemplo, o
alumínio. Porém, a eficácia para a adsorção do alumínio já era esperada, pois nas indicações
do manual do fabricante o alumínio é um dos metais presente na lista de eficiência de
adsorção do adsorvente.
Já os testes de coluna, por serem feitos por processos parecidos com os que ocorrem
usualmente nas piscinas, serviram para darem a certeza de que, quando bem dimensionados,
futuros filtros, utilizando essa zeólita comercial como material adsorvente, funcionariam com
uma excelente eficiência na redução dos metais cobre e alumínio, restando apenas a dúvida se
além de eficiente esse filtro também seria economicamente viável.
Assim, a seleção bem sucedida do adsorvente (zeólita) foi fundamental para a
obtenção de um filtro com potencial promissor para remoção dos metais cobre e alumínio, se
mostrando uma boa solução para as águas resíduas de piscinas da cidade de Natal-RN.
Entretanto, novos testes em escala piloto devem ser realizados, a fim de constatar o potencial
de remoção de cobre e alumínio em maiores vazões para aplicação em águas de descartes
após o tratamento das piscinas.
34
7. PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS
Realizar as curvas cinéticas de adsorção da zeólita para Cobre e Alumínio;
Determinar o tempo de saturação da zeólita;
Calcular o custo de implantação de um sistema em escala real;
Caracterizar a zeólita pelas técnicas de DRX, FRX, Microscopia Eletrônica de
Varredura, Termogravimetria e BET.
Testar a variação da vazão de entrada no leito filtrante;
Testar a associação do zeólita com carvão ativado e outros adsorventes comerciais.
35
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