2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

INSTITUTO POLITÉCNICO - CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

SANEAMENTO BÁSICO

CARVÃO ATIVADO

Uso no tratamento de água

Geraldo da Conceição Marques Junior

Belo Horizonte

Maio de 2010

3

Geraldo da Conceição Marques Junior

CARVÃO ATIVADO

Uso no tratamento de água

Trabalho apresentado na disciplina

de Saneamento Básico do curso de

Engenharia Civil da Pontifícia

Universidade Católica de Minas

Gerais.

Orientador: Geraldo Tadeu Rezende

Belo Horizonte

Maio de 2010

4

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.......................................................................................................................... 5

INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 6

CARVÃO ATIVADO ......................................................................................................................... 7

Propriedades Físicas ................................................................................................................ 10

Temperatura da água e o pH................................................................................................... 11

Tempo de Exposição ............................................................................................................... 11

Contaminantes Não Removidos Pelo Processo ...................................................................... 11

O Problema das bactérias ....................................................................................................... 12

PROCESSO DE FILTRAGEM DE CARBONO ATIVADO .........................Erro! Indicador não definido.

Seleção do Filtro ...................................................................................................................... 22

APLICAÇÕES DO CARVÃO ATIVADO .................................................Erro! Indicador não definido.

Tratamento de água .....................................................................Erro! Indicador não definido.

Tratamento de ar .........................................................................Erro! Indicador não definido.

Resíduos industriais ......................................................................Erro! Indicador não definido.

Indústria farmacêutica .................................................................Erro! Indicador não definido.

Indústria química ..........................................................................Erro! Indicador não definido.

Adsorção de gases ........................................................................Erro! Indicador não definido.

Catálise .........................................................................................Erro! Indicador não definido.

Tratamento de efluentes .............................................................Erro! Indicador não definido.

Indústria alimentícia .....................................................................Erro! Indicador não definido.

QUALIDADE DA ÁGUA ......................................................................Erro! Indicador não definido.

Potabilidade .................................................................................Erro! Indicador não definido.

Padrões de potabilidade ..............................................................Erro! Indicador não definido.

Parâmetros de potabilidade da água ...........................................Erro! Indicador não definido.

Parâmetros físicos ........................................................................Erro! Indicador não definido.

Parâmetros químicos ...................................................................Erro! Indicador não definido.

5

Parâmetros biológicos ..................................................................Erro! Indicador não definido.

Portaria ministerial .......................................................................Erro! Indicador não definido.

CONCLUSÃO ................................................................................................................................ 24

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 25

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Carvão Ativado .............................................................................................................. 7

Figura 2 - Carvão Comum x Carvão Ativado .................................................................................. 9

Figura 3 – Processo de filtragem ................................................................................................. 17

Figura 4 - Filtro de Carvão Ativado .............................................................................................. 21

Figura 5 - Uso de Carvão Ativado na ETA .................................................................................... 22

6

INTRODUÇÃO

O carvão ativado cresceu muito após a Primeira Guerra Mundial, onde

o mesmo foi usado contra gases tóxicos. Até o final da guerra, pesquisadores

desenvolveram importantes aplicações para o carvão ativo, tais como

recuperação de solventes, extração de benzeno de fabricação de gases e

eliminação de odor. Atualmente, o uso do carvão ativado cresceu muito.

Para que um determinado problema de odor e sabor em águas de

abastecimento possa ser solucionado ou, pelo menos, minimizado, é

fundamental que o mesmo seja estudado de modo a permitir que as suas

causas possam ser identificadas e, consequentemente, haja condições de

serem definidas as melhores alternativas técnicas para a sua solução.

dois fatores foram os grandes responsáveis pelo aumento dos

problemas associados a odor e sabor em águas de abastecimento. O primeiro

deles foi a adoção do cloro como agente desinfetante e oxidante no começo do

século como parte integrante do processo de tratamento de água. O segundo

foi o rápido avanço do crescimento da indústria química após a Primeira

Grande Guerra Mundial, o que aumentou os problemas de poluição em corpos

d’água pelo fato de inúmeros segmentos industriais simplesmente lançarem

seus efluentes sem qualquer tratamento prévio.

Tais fatos deram origem aos problemas de odor e sabor ocasionados

pela presença de cloro livre (HOCL e OCL-) em excesso em águas de

abastecimento, odor e sabor ocasionados pela presença de compostos

orgânicos sintéticos lançados em corpos d’água resultantes do lançamento de

efluentes industriais ou, finalmente, pela reação do desinfetante, no caso o

cloro, com estes mesmos compostos podendo acentuar a gravidade do

problema (geração de clorofenóis, por exemplo)

7

CARVÃO ATIVADO

O carvão ativado é uma substância carbonácia inerte, obtido de

sustâncias com alto teor de carbono e submetido a tratamento especial para

criar poros, sendo considerado o mais econômico agente de filtração devido à

suas propriedades adsorventes. Pode remover diversas substâncias nocivas da

água como o cloro livre (HOCL e OCL-) em excesso em águas de

abastecimento, odor e sabor ocasionados pela presença de compostos

orgânicos sintéticos lançados em corpos d’água e resultantes do lançamento

de efluentes industriais ou ainda, pela reação do desinfetante, no caso o cloro,

com estes mesmos compostos acentuando a gravidade do problema (geração

de clorofenóis, por exemplo).

Figura 1 - Carvão Ativado

Fonte: www.madecarbo.com.br/carvao.php

O carvão ativado possui um papel fundamental na purificação de

águas, seja para fins potáveis ou industriais. Elimina cor, odor, mau gosto e

remove substâncias orgânicas dissolvidas através do mecanismo de adsorção.

Além disso, o carvão ativado remove compostos orgânicos, fenólicos e

substâncias que diminuem a qualidade da água, como pesticidas,

micropoluentes, podendo atuar como barreira a bactérias e vírus. Pode

também ser utilizados no pré-tratamento da água utilizada nas indústrias de

alimentos, bebidas, farmacêuticas e na osmose reversa.

8

Características do carvão ativado

O carvão ativado trabalha atraindo e mantendo determinadas

substâncias químicas enquanto a água passa por ele. Carvão ativado é um

material altamente poroso e, portanto, tem uma área superficial que varia de 10

à 15 m²/g. Durante a ativação a área superficial aumenta com a oxidação dos

átomos de carbono, podendo o carvão apresentar área superficial superior a

800 m2/g, após ativação.

As matérias-primas utilizadas para obtenção do carvão ativado são

quase exclusivamente de origem vegetal e possuem alto poder de carbono, tais

como:

Casca de coco (produzem um carvão ativado com poros de

menor diâmetro);

Carvão mineral (antracito, betuminoso e lignito - extraídos de

extensas jazidas subterrâneas, resultado de camadas de

matéria orgânica enterrada em eras anteriores);

Madeira de alta e baixa densidade (pinus - produzem um carvão

ativado muito poroso, acácia etc);

Turfa;

Resíduos de petróleo;

Ossos de animais;

Resíduos agroindustriais;

Açúcar;

Caroço de azeitona;

Casca de noz;

9

Caroço de pêssego, entre outros.

Dependendo de sua origem, o carvão (mesmo o ativado) pode conter

substâncias nocivas, principalmente fosfatos. Por esse motivo é recomendável

sua imersão antecipada (2 a 3 semanas) em água limpa, trocada

freqüentemente, antes de sua colocação nos filtros.

Figura 2 - Carvão Comum x Carvão Ativado

Fonte: http://www.tratamentodeagua.com.br/R10/Biblioteca_Detalhe.aspx?codigo=838

Abaixo estão descritas as capacidades de adsorção do carvão ativado

em relação às diversas substâncias:

Alta à Muito Boa: Antimônio, Arsênico, Bismuto, Branqueadores,

Cloraminas, Cloretos, Cloro, Cromo, Corantes, Ouro, Peróxido de

Hidrogênio, Inseticidas, Monocloramina, Odores, Pesticidas, Fenóis,

Tanino, Tri-halometanos, Compostos orgânicos (aromáticos, éteres,

cetonas, glicóis, halogenados, esteres, aldeídos, aminas), Gases em

geral.

10

Boa à Moderada: Ácido Acético, Cobalto, Detergentes, Sulfeto de

Hidrogênio, Mercúrio, Ozônio, Permanganato de Potássio, Prata, Sabão,

Solventes, Vinagre, Zircônio.

Fraca: Cobre (complexos), Ferro (Fe3+), Chumbo, Níquel, Titânio,

Vanádio.

Baixa a Nenhuma: Amônia, Bário, Berilo, Cádmio, Dióxido de Carbono,

Cobre, Ferro (Fe2+), Manganês, Molibdênio, Nitratos, Selênio,

Tungstênio, Zinco.

O processo de adsorção depende dos seguintes fatores:

1) as propriedades físicas da Carvão Ativado, como a distribuição de

tamanho dos poros e a superfície;

2) a natureza química da fonte de carbono, ou a quantidade de

oxigênio e o hidrogênio a ele associados;

3) composição química e concentração do contaminante;

4) a temperatura e o pH da água;

5) o fluxo ou tempo de exposição da água ao carvão ativado.

Propriedades Físicas

Forças de atração física ou adsorção de contaminantes para as

paredes dos poros é o processo de filtração mais importante do carvão ativado.

A quantidade e distribuição de poros desempenham papéis-chave na

determinação de quão bem os contaminantes são filtrados. A melhor filtragem

ocorre quando os poros são grandes o suficiente para admitir que a molécula

de contaminantes passe. Contaminantes de tamanhos diferentes são atraídos

de forma diferente, dependendo do tamanho dos poros do filtro. Em geral,

filtros de carvão ativado são mais eficazes na remoção de contaminantes, que

têm moléculas relativamente grandes. O tipo de material de carbono e seu

método de ativação irá afetar os tipos de contaminantes que são absorvidos,

devido à influência da matéria-prima.

11

Temperatura da água e o pH

Adsorção geralmente aumenta com o pH e a diminuição da

temperatura. As reações químicas e as formas dos produtos químicos estão

intimamente relacionados ao pH e temperatura. Quando o pH e temperatura

são reduzidos muitos produtos químicos e orgânicos são em geral, mais

adsorvíveis.

Tempo de exposição

O processo de adsorção é também influenciado pela quantidade de

tempo que o carvao ativado está em contato com o contaminante na água. O

aumento do tempo de contato permite que maiores quantidades de

contaminante sejam removidos da água. O tempo de Contato é melhorado

através do aumento da quantidade de Carvão Ativado no filtro, reduzindo a

taxa de fluxo de água através do mesmo.

Contaminantes não removidos pelo processo

12

Semelhante a outros tipos de tratamento de água, a filtração por carvão

ativado é eficaz para alguns contaminantes. Desta forma, filtração não remove

micróbios, sódio, nitratos e fluoretos. Chumbo e outros metais pesados são

removidos somente por um tipo muito específico de filtro de carvao ativado.

O problema das bactérias

É comum com o correr do uso o carvão ativo ser contaminado por

microorganismos que por ventura estejam presentes na água a tratar. Assim

sendo, a maneira ideal de 'regenerar' o carvão é através de injeção de vapor.

Nestes casos o filtro é fornecido com uma válvula especial para tanto e o

revestimento deverá ser compatível com a alta temperatura do vapor.

Processo de Fabricação do Carvão Ativado

A fonte de carbono-prima é aquecida lentamente na ausência de ar

para produzir um material de alto carbono. O carbono é ativado pela passagem

de gases oxidantes através do material a temperaturas extremamente altas. O

processo de ativação produz os poros que resultam em tais propriedades de

alta adsorção.

Reatores

13

Operando a uma temperatura constante de 1.200 graus centigrados a

fonte principal para obter a performance do carvão ativado através de jatos de

vapor com baixo teor de oxigênio na matéria prima. Rigorosamente controlado

tendo como objetivo não ocorrer a queima total da casca do dendê, mantendo

assim sua porosidade, proporcionando ao produto qualidade e performance

para suas devidas aplicações.

Operando em circuito fechado, dando ao produto maior poder de

adsorção aumentando sua capacidade em suas devidas aplicações

Caldeiras

Injetando vapor nos reatores garantindo uniformidade e pressão

adequada

14

Esteira de Resfriamento

Após a descarga do forno é então levada a esta esteira de

resfriamento.

Moinho

Na seqüência é encaminhada para o setor de beneficiamento,

conforme solicitação do cliente, para então a separação granulometrica

desejada.

15

Pode-se realizar analises do produto, verificando se sua porosidade

está ou não em condições de saturação

Silos de Armazenagem

Dispomos de silos para melhor armazenar nossos produtos antes de

embalar, deixando-os completamente protegidos

Embalagem:

16

Sacos de Politileno Interno e Sacos de Ráfia Externo, hermeticamente

fechados.

Filtro de Carvão Ativado

O Filtro de Carvão Ativado é um equipamento responsável pela

remoção de cloro livre e de matéria orgânica na água, evitando a oxidação das

resinas de troca iônica utilizadas no tratamento da água e garantindo que a

mesma seja incolor e insípida.

O filtro é constituído por um vaso metálico à pressão com uma camada

de carvão ativado, disposto internamente sobre um fundo falso, possuindo

escotilha de inspeção, quadro de manobras de válvulas, manômetro e carga

filtrante padrão, constituída por camadas de quartzo de rio, que retém materiais

particulados.

17

Figura – esquema do filtro

Vantagens de uso

1) Remove eficientemente o cloro livre da água, eliminando o sabor

desagradável;

2) Adsorve os possíveis traços de detergentes e substâncias oleosas

ocasionadas por vazamentos de bombas e outros equipamentos;

3) Adsorve os elementos corantes, que provocam a turbidez da água

como ácidos húmicos e outras matérias corantes;

4) Remove os ozonidos e os traços fenólicos (gosto fenólico), que

transmitem à água e posteriormente às bebidas, gostos e odores

desagradáveis.

18

O tempo de residência, ou seja, o tempo de contato da água com o

carvão ativo é um fator de grande importância na adsorção de impurezas. A

grosso modo calcula-se pela fórmula:

Tc = V/Q

Onde:

Tc = tempo de contato (em minutos);

V = volume de carvão ativo (em m³);

Q = vazão de água (em m³/minutos)

O tempo de contato deve estar sempre entre 3 a 5 minutos.

Outro fator de importância é a altura do manto de carvão ativo que se

relaciona com o tempo de contato. Este manto nunca deve ser inferior a 600

mm.

Taxas de percolação superficiais e volumétricas também são

importantes para o bom funcionamento de um filtro de carvão ativo.

A taxa superficial se calcula pela fórmula:

Txs = Q/S

E a taxa volumétrica:

Txv=Q/V

Onde:

Txs = taxa superficial (em m³/m²/hora);

Txv = taxa volumétrica (em m³/m³/hora);

Q = vazão de água (em m³/hora);

S = área do vaso (em m²)

19

V= volume de carvão ativo (em m³)

As taxas máximas recomendadas, levando-se em consideração o

tempo de contato e altura do manto situa-se em torno de 15 a 16 m³/m²/hora.

Taxas acima destas podem ocasionar a quebra dos grânulos do carvão ativo

prejudicando a adsorção devido ao atrito provocado pela água em alta

velocidade

A água de processo quando vem de um reservatório ou de uma

estação de tratamento, contém, dentre outras impurezas, um excesso de cloro

livre, que é adicionado na mesma como agente esterilizante. No entanto este

cloro modifica o gosto da água, prejudicando as bebidas produzidas nas

fábricas de refrigerantes, cervejas, sucos naturais e artificiais, indústrias

alimentícias e outras, além de contaminar as resinas de troca iônica quando a

água deve passar por um processo de desmineralização ou abrandamento.

Para tanto deve-se remover todo o cloro e materiais orgânicos contaminantes,

para que se tenha uma água pura e inodora, com um filtro de carvão ativo.

Processo de purificação

A água deverá ter passado por um tratamento adequado (filtração) e

estar livre de matérias em suspensão, pois caso contrário, estas impurezas

podem obstruir os poros do carvão ativo, reduzindo a sua eficiência.

O filtro de carvão-ativo recebe a água em sua parte superior, onde a

mesma se distribui pelo manto filtrante através de um defletor. Na parte inferior

do filtro encontra-se um coletor/distribuidor de água provido de crepinas de

discos plásticos sobrepostos, que têm a finalidade de coletar a água já

purificada e distribuir uniformemente a água de retrolavagem, bem como

impedir a fuga do carvão ativo ou mesmo de partículas pequenas. O

revestimento interno destes filtros é muito importante, visto que o cloro residual

existente na água ao ser adsorvido pelo carvão ativo libera ácido clorídrico que

ataca violentamente as paredes do vaso, caso o revestimento não seja

adequado.

Tempo de saturação

20

O tempo de saturação do carvão ativo depende da quantidade de

substâncias contaminantes, ou seja, o teor de impurezas e cloro livre na água,

que varia de local para local. Para tanto, aconselha-se fazer um teste prático,

para verificar o tempo exato quando não se tem ideia do teor de

contaminantes. Normalmente para um tratamento de água de processo o

tempo de saturação varia desde 6 meses à 2 anos, conforme a quantidade de

carvão ativo utilizada no filtro, com a vazão diária de água.

Cuidados necessários

A vazão de água é um fator de extrema importância. Muitas vezes

ocorre que sendo mal dimensionado o vaso para o volume de carvão ativo,

com limites superiores ao correto, faz com que a água passe entre o leito do

adsorvente e as paredes do filtro, portanto não entra em contato com o carvão

ativo, logo o teor de cloro e outras impurezas não serão totalmente eliminados.

Quando a água requer um tratamento para a eliminação de componentes

minerais feito através de resinas catiônicas e/ou aniônicas, o carvão entra

como um elemento importantíssimo na adsorção de cloro e matérias orgânicas,

pois estes elementos degradam rapidamente as resinas trocadoras de íons,

reduzindo a vida útil de 5 a 10 anos, para 3 anos ou menos (as resinas têm

preços elevados em relação ao investimento feito com o carvão ativo).

Recomenda-se que, se não uma vez por dia, seja feita pelo menos a

cada dois dias (dependendo da vazão utilizada), uma contra lavagem com a

água já filtrada no sentido contrário ao fluxo normal, para que seja removida

toda a matéria orgânica que obstruiu os poros de carvão ativo, e principalmente

para destruir os canais preferenciais formados durante o dia de trabalho.

Lembramos ainda que quanto mais próximo do pH neutro (7,0) estiver

a água tanto mais eficiente se tornará o carvão. Para o cálculo dimensional do

vaso, deve-se prever um espaço de no mínimo 50% do volume de carvão ativo

para a expansão do leito durante as retrolavagens.

É comum com o correr do uso o carvão ativo ser contaminado por

microorganismos que por ventura estejam presentes na água a tratar. Assim

sendo, a maneira ideal de 'regenerar' o carvão é através de injeção de vapor.

21

Nestes casos o filtro é fornecido com uma válvula especial para tanto e o

revestimento deverá ser compatível com a alta temperatura do vapor.

O melhor lugar para instalar o filtro está no início do sistema de água.

Desta forma, você terá um filtro que controla toda a água de entrar e você não

vai precisar instalar vários filtros para cada torneira.

É importante que o filtro seja profundo o suficiente para ser mais eficaz.

As características físicas e químicas da água também podem influenciar o

desempenho. Se a água tem uma temperatura mais baixa e maior acidez,

então o filtro deverá funcionar ainda melhor.

Figura 4 - Filtro de Carvão Ativado

Fonte: www.desmi.com.br/filtro_de_carvao_ativado.htm

22

Figura 5 - Uso de Carvão Ativado na ETA

Fonte: www.meiofiltrante.com.br/materias_ver.asp?act...

Seleção do Filtro

Para a sistema de purificação adequado, recomenda-se uma análise

da água antes da instalação do filtro, possibilitando conhecer as não

conformidades da mesma, pois a escolha do filtro não é feita somente pela

vazão volumétrica, mas também pela afinidade química do carvão ativado com

o gás ou o odor que se quer retirar, e a concentração destes em relação à

temperatura de operação e, por fim, os estágios de filtragem que antecedem o

filtro de carvão.

Fatores considerados na seleção do filtro

Vazão (em m³/h)

Deve ser o suficiente para permitir uma perda de carga pequena e uma

velocidade de passagem que facilite a afinidade química.

Afinidade química

A afinidade química ou reatividade está em função do nº de átomos de

carbono e do tamanho da cadeia carbônica do gás ou odor.

Concentração do gás ou odor (PPM, PPT, mg/l)

23

Gases como metano e etileno têm pouca reatividade química em

função da ligação química entre os átomos de carbono de sua cadeia. Gases

como hidrocarboneto e voláteis (gasolina, querosene) e de cadeia carbônica

elevada têm mais afinidade com o carvão ativado. Produtos como hidrogênio e

monóxido de carbono, não tem afinidade.

Temperatura de operação do processo

A temperatura de operação também é outro fator determinante da

seleção. O carvão ativado opera em uma faixa de temperatura entre 20 e 35ºC.

Acima do valor de 35ºC, a reação química diminui, deixando passar mais gás

ou odor.

Filtros que antecedem o estágio de carvão ativado

São normalmente filtros grossos até absolutos, que devem remover as

partículas grossas, finas ou até mesmo submicrônicas para garantir a

passagem do gás ou odor pelo filtro de carvão ativado. Se essas partículas não

forem removidas, acumularão no filtro, dificultando a reação química ou mesmo

impedindo que ela ocorra, tornando o filtro inútil.

Umidade relativa no processo

O carvão ativado tem “preferência” em reagir com o vapor d’água do

aos gáses. Para valores de umidade relativa acima de 70% no processo de

filtragem deverão haver estágios de filtros “demister” ou coalescentes para

retirar o vapor d’água.

24

Obedecendo-se os aspectos técnicos especificados em projeto e

conferidos em campo, o sistema de filtragem com carvão ativado se tornará

eficaz para o requerido sistema de filtragem.

CONCLUSÃO

Contudo, nota-se que o carvão ativado se destaca perante aos demais

processos de filtração devido as vantagens do emprego no tratamento de água

de abastecimento, sendo especialmente importante para os sistemas que

requerem um adsorvente para a maior parte do ano. Figuram como

desvantagem a difícil determinação do ponto de aplicação, tal que a distância

percorrida pela água permite a plena utilização de sua capacidade de

adsorção.

25

BIBLIOGRAFIA

http://www.aquahobby.com/articles/b_filtros3.php

http://ciencia.hsw.uol.com.br/framed.htm?parent=questao209.htm&url=http://ww

w.ext.nodak.edu/extpubs/h2oqual/watsys/ae1029w.htm

http://www.ufv.br/dea/lqa/qualidade.htm

http://www.quimitank.com.br/produtos/53-filtro-de-areia-ou-filtro-de-carvao-

ativado.html

http://pt.mustknowhow.com/index.php/tag/pontas-com-filtro-de-carvao-

ativado?article=593

http://www.tratamentodeagua.com.br/R10/Biblioteca_Detalhe.aspx?codigo=838

http://www.aquafil.com.br/filtros.htm

Peregrini Carbon, Fabricação e comercialização do carvão ativado – Informações sobre o

produto. Disponível em: http://www.pelegrinicarbon.com.br/informacao.htm. Acesso em:

terça-feira 17 de maio de 2011, 16:15hs

Hidro Solo > Soluções > Tratamento de água > Filtros de carvão ativado

http://www.pluvitec.com.br/?pg=tratamentos_agua_filtro_carvao