Saturacao de O2

XIX Simpsio Brasileiro de Recursos Hdricos 1

EFICINCIA DE TRANSFERNCIA DE MASSA GS-LQUIDO POR AR

DIFUSO.

Ariel Ali Bento Magalhes1; Paulo Srgio de Andrade Junior2; Marcio Ricardo Salla3

RESUMO --- Neste artigo estudou-se a eficincia de transferncia de massa de ar difuso no meio lquido em uma coluna com taxa de aplicao superficial de 63,69 a 254,70 m3/m2.h. As bolhas foram geradas por um difusor plstico microporoso, instalado na base da coluna de aerao. A coluna possui seo transversal circular de 100 mm de dimetro, com altura de 4 m. O processo de aerao conduziu determinao do coeficiente de transferncia de massa global KLa (s-1). Variou-se o nvel lquido entre 1 m a 4 m e a vazo de 500 L/h a 2000 L/h. Com o auxlio de medidor de oxignio, foram registrados os valores da concentrao de OD na gua. Obteve-se a equao KLa(20) = 5,3.10-5.Q0,84, sendo a vazo Q em L/h, que permite prever o valor de KLa(20) em funo da vazo afluente para estudos realizados em colunas de aerao com esta configurao, onde todas as configuraes estudadas forneceram um intervalo de KLa entre 0,0026 s-1 at 0,0493 s-1. Independente do nvel lquido estudado, a vazo de aerao prxima a 1000 L/h gera maior eficincia de transferncia de massa de oxignio, evidenciando a importncia das coalescncias das bolhas no processo de transferncia de massa. ABSTRACT --- In this article was studied the mass transfer efficiency of diffused air in liquid medium in a column with surface application rate of 63.69 until 254.70 m3/m2.h. The bubbles were generated by an air diffuser microporous plastic, located in the base of aeration column. The column utilized in the study has a circular section with the diameter of 100 mm, with 4 m high. The aeration process leads to the determination of mass transfer coefficient KLa (s-1). The liquid level ranged from 1 m up to 4 m and the air flow from 500 L/h to 2000 L/h. With the dissolved oxygen meter, samples were collected in order to determinate the dissolved oxygen concentration. It was found the equation KLa (s-1)= 5,3.10-5.Q0,84 in which the air flow Q in L/h, allows the prevision of the KLa(20) parameter ranging the air flow in the diffuser for studies with the same configuration, where the results achieved for all the conformations analyzed ranged from 0.0026s-1 until 0.0493s-1. For all the liquid levels studded, the results achieved showed up that the air flow near to 1000 L/h generates higher oxygen mass transfer efficiency, pointing out the importance of the bubbles coalescence at the mass-transfer process.

PALAVRAS-CHAVE: transferncia de massa gs-lquido, difusor, oxignio dissolvido. _____________________________ 1 Graduanda em Engenharia Civil, FECIV/UFU, Avenida Joo Naves de vila, 2121, CEP: 38400-902. Uberlndia/MG. E-mail [email protected] 2 Graduando em Engenharia Civil, FECIV/UFU, Avenida Joo Naves de vila, 2121, CEP: 38400-902. Uberlndia/MG. E-mail [email protected] 3 Professor Adjunto II, FECIV/UFU, Avenida Joo Naves de vila, 2121, CEP: 38400-902. Uberlndia/MG. E-mail [email protected]


INTRODUO

Nos tempos atuais, com lanamento desgovernado de efluentes domsticos e industriais nos

corpos de gua, apenas a autodepurao no tem a capacidade de devolver as caractersticas iniciais

do rio. Portanto, necessrio o devido tratamento dos efluentes antes do lanamento no rio, para

evitar a poluio ou at mesmo a morte deste. O tratamento dos efluentes nada mais do que uma

autodepurao acelerada, com as caractersticas hidrodinmicas e de qualidades dos efluentes

controladas.

Nos processos ou etapas de tratamento de esgoto sanitrio, a aerao est inserida na etapa do

tratamento biolgico, uma vez que o oxignio transferido ao efluente atravs da aerao de bolhas

primordial para a sobrevivncia de todos os organismos aerbios que decompem aerobicamente a

matria orgnica. Sendo assim, de extrema importncia o conhecimento dos processos de

transferncia de oxignio massa lquida atravs da aerao de bolhas ascensionais de oxignio.

Em geral, as concentraes de oxignio e de outros gases em meio lquido depende da presso

parcial do gs no meio externo, da temperatura da gua e da quantidade de substncias dissolvidas

(BRAGA et al., 2007).

No sistema de tratamento de esgoto sanitrio, o fenmeno de aerao pode acontecer atravs

de trs mtodos: por meio de difusores, por meio de agitadores mecnicos ou por meio da

combinao dos processos anteriores (JORDO et al., 2005). Neste trabalho utilizou-se apenas o

mtodo de ar difuso, atravs de difusor plstico microporoso que gerou bolhas finas de 0,3mm a

1,0mm, fundamental para a otimizao do processo de transferncia de massa gs-lquido, em

virtude da elevada rea interfacial de contato gs-lquido.

Alm da importncia do tamanho das bolhas ascensionais, a literatura da rea descreve que a

eficincia dos difusores est tambm extremamente ligada profundidade do difusor no tanque ou

coluna de aerao. Afirma-se que, quanto maior a profundidade, maior o tempo de deteno das

bolhas, aumentando, com isso, a eficincia de transferncia de massa. Todavia, mantendo-se o nvel

lquido fixo, o aumento da vazo afluente de ar aumentar a velocidade ascensional das bolhas e a

ocorrncia de coalescncia, diminuindo o tempo de contato gs-lquido. Objetivando avaliar a

profundidade e vazo tima para a eficincia de transferncia de massa que este artigo foi

realizado.

PROCESSOS DE AERAO E DEAERAO DE GASES NA GUA

No processo de aerao, de acordo com Adeney et al. (1919) apud Schulz (2003), o fluxo de

massa por unidade de rea proporcional ao dficit da saturao do gs no lquido, como ilustrado

na equao (1).


J = (1/A).dM/dt = kL.(Cs- Cb) (1)

Onde: J o fluxo de massa por unidade de rea, [M/L2t]; A a rea da interface lquido-gs,

[L2]; M a massa do gs dissolvido, [M]; t a tempo, [t]; KL o coeficiente de transferncia de

massa, [L/t]; Cs a concentrao de saturao do lquido, [M/L3]; Cb a concentrao do gs

dissolvido no lquido em um determinado tempo, [M/L3].

Aps realizados os devidos clculos e correlaes, a equao (2) descreve o processo de

absoro do gs no meio lquido.

C = Cs (Cs- Co)e(-KLa.t) (2)

Onde: C a concentrao do gs no meio lquido no tempo t, [M/L3]; Cs a concentrao de

saturao do lquido, [M/L3]; Co a concentrao inicial do gs no meio lquido, [M/L3]; KLa o

coeficiente de transferncia de massa global no meio lquido, [1/t]; a corresponde relao entre a

rea de contato interfacial A[L2] e o volume lquido V [L3] na coluna de aerao.

J no processo da deaerao, tem-se a equao (3).

C = Cs.e(-KT,t) (3)

Onde: C a concentrao do gs no meio lquido no tempo t, [M/L3]; Cs a concentrao de

saturao do lquido, [M/L3]; KT o coeficiente de deaerao do oxignio no meio lquido, [1/t]. De acordo com Schulz (2003), os coeficientes de aerao e de deaerao dependem das

caractersticas hidrulicas do corpo de gua, das temperaturas do ar e da gua, entre outras

caractersticas. No presente artigo foi dado enfoque apenas na influncia da vazo de ar e do nvel

lquido na eficincia de transferncia de massa global.

TEMPERATURA E COEFICIENTE DE TRANSFERNCIA DE MASSA

O esgoto sanitrio possui diversas caractersticas que influenciam na qualidade final do

efluente tratado, entre estas se destaca a temperatura. De acordo com Von Sperling (2005), a

variao da temperatura da gua residuria afeta tanto positivamente quanto negativamente na

remoo fsica, qumica e biolgica da matria orgnica. De modo positivo, o aumento da

temperatura da gua faz com que a viscosidade do meio lquido diminua, promovendo rpida

sedimentao dos slidos presentes na gua, otimizando o tratamento primrio. Alm disso, o

aumento da temperatura quase sempre aumenta a velocidade das reaes qumicas. Afirma-se

negativamente que o aumento da temperatura diminui a solubilidade dos gases no lquido, isso

porque as partculas esto em grande agitao, tornando-as mais difceis de dissolver, alm do que o


aumento da temperatura influencia negativamente no metabolismo dos microorganismos

responsveis pela converso da matria orgnica. Portanto a variao da temperatura influencia na

transferncia de massa gs-lquido.

De acordo com Jordo et al. (2005), atravs da equao (4), o coeficiente de transferncia de

massa global obtido em uma temperatura qualquer no meio lquido relacionado com o coeficiente

temperatura ambiente (20C).

KLa(T) = KLa(20). (T-20) (4)

Onde: KLa(T) o coeficiente de transferncia de massa gs-lquido global a uma certa

temperatura T; KLa(20) o coeficiente de transferncia de massa gs-lquido a 20oC; o fator de

correo que varia entre 1,015 e 1,040.

MATERIAIS E MTODOS

Os materiais utilizados e suas respectivas disposies no aparato experimental esto

ilustrados na Figura 1.

Coluna de Aerao

A coluna de aerao utilizada constitui-se de uma tubulao de PVC de 100 mm de dimetro

interno e 4 m de altura. Essa coluna foi fixada no Laboratrio de Saneamento da Faculdade de

Engenharia Civil Universidade Federal de Uberlndia - utilizando braadeiras especficas e uma

estrutura em ao na base para sustent-la.

A base da coluna formada por uma reduo excntrica 150 mm x 100 mm em PVC, com o

difusor de ar e uma flange de instalados na base, que permitiu a recirculao e esvaziamento do

lquido na coluna. O difusor de ar de material plstico microporoso capaz de gerar bolhas finas (1

mm a 3 mm de dimetro). A parte superior da coluna permaneceu aberta a fim de permitir o escape

das bolhas de ar no transferidas para o meio lquido. Na lateral da coluna foi instalada uma

mangueira de silicone que funcionou como um piezmetro para a visualizao do nvel lquido na

coluna.

Tambm foi instalado um tee 100 mm com reduo para 50 mm para permitir a colocao do

medidor de oxignio dissolvido porttil dentro da coluna. A fixao de apenas um medidor est

fundamentada em testes hidrodinmicos com o corante azul de metileno como traador realizados

por Salla (2002). Nestes testes, atravs da injeo de uma concentrao no controlada do corante

em diversos pontos em coluna com seo transversal quadrada com 19 cm de lado e 2 m de altura,

em duas vazes diferentes de ar comprimido afluente ao difusor (1 L/min e 5 L/min), comprovou-se


que, em menos de 30 segundos de aerao em escoamento descontnuo ou batelada, ocorreu mistura

completa do corante.

Figura 1 Esquema da montagem experimental utilizada, sendo: A: Reservatrio com capacidade de 250 litros; B: Conjunto motor-bomba de 1/3 cv; C: Tubulao de ar comprimido; D: Rotmetro; E: Difusor de ar microporoso; F: Coluna de Aerao; G: Piezmetro; H: Trecho de recalque para deaerao; I: Redutor de presso; J: Medidor de oxignio dissolvido porttil. Sistema elevatrio

Para o processo de deaerao utilizou-se um conjunto motor-bomba de 1/3 cv para promover

a mistura de sulfito de sdio anidro (Na2SO3) no meio lquido. O sistema elevatrio promoveu a

recirculao satisfatoriamente.

Tubulao de ar comprimido

De acordo com a literatura da rea, sabe-se que a eficincia de transferncia de massa gs-

lquido utilizando o oxignio puro como gs da aerao e aproximadamente 4 vezes maior do que a

utilizao do ar proveniente de compressores (GULLIVER, et. al.1993). Isso faz com que a taxa de

transferncia de massa gs-lquido em gua limpa seja muito rpida, inviabilizando seu estudo.

Com isso, escolheu-se ar comprimido como gs afluente coluna, aproveitando a rede de ar

comprimido existente no Laboratrio de Saneamento da FECIV/UFU. importante salientar que a


rede de ar comprimido possui um filtro de ar necessrio para impedir o entupimento dos poros do

difusor no decorrer dos trabalhos experimentais.

Rotmetro e Redutor de Presso

O rotmetro teve a funo de medir a vazo de ar comprimido afluente coluna, graduado de

200 L/h at 2000 L/h. Para o controle adequado da entrada de oxignio no difusor foi instalado um

redutor de presso na rede de ar comprimido, no danificando assim o difusor de ar.

Medidor de oxignio dissolvido

De acordo com a ASCE Standard (1984), a concentrao de oxignio dissolvido em guas

limpas ou guas de abastecimento publico pode ser medida atravs de sonda com eletrodo de

membrana (medidor porttil) ou atravs do Mtodo Winkler.

Neste artigo foi utilizado um medidor porttil, que consiste de um eletrodo ligado a um

sistema de amplificao de sinal. A sonda (eletrodo) separada do meio lquido por uma membrana

permevel ao oxignio. Quando a sonda est em contato com o lquido, o oxignio dissolvido

presente no lado lquido difunde-se atravs da membrana, sendo reduzido eletroquimicamente aps

passar por um ctodo de potencial eltrico constante, gerando uma corrente eltrica (MOMESSO,

1996).

Foi realizado um teste de confiabilidade do medidor de OD, no qual inicialmente encheu-se

um bquer com capacidade de 2 litros com gua da rede pblica de abastecimento e posteriormente

deaerou-se a amostra com 0,42 g Na2SO3/L atravs de homogeneizao manual. Na seqncia, com

a instalao de um difusor de aqurio conectado ao fluxo de ar atravs de uma bomba vcuo

adaptada, iniciou-se a aerao da gua com vazo desconhecida. A sonda do medidor de oxignio

dissolvido foi fixada prxima ao turbilhonamento ocasionado pelas bolhas ascensionais, uma vez

que se evitou posicionar a sonda em guas paradas, tomando o devido cuidado para impedir que

bolhas ascensionais ficassem aderidas membrana da sonda, o que camuflaria o valor real da

concentrao de oxignio dissolvido.

O teste realizado apresentou resultado satisfatrio, garantindo ao medidor de oxignio

dissolvido a confiabilidade desejada.

Deaerao

A operao de deaerao consiste na retirada do mximo possvel da concentrao de

oxignio dissolvido da gua. De acordo com Salla (2002), existem trs mtodos de deaerao da

gua, sendo: mtodo mecnico, gs de arraste e mtodo qumico.

O mtodo mecnico consiste em um sistema fechado de recirculao, onde, no trecho de

suco, cria-se uma regio com alta velocidade e baixa presso, por intermdio de uma passagem


com seo transversal menor que a seo do trecho de suco. Neste mtodo, quando o oxignio

dissolvido passa pela regio de baixa presso (menor que a presso atmosfrica), o oxignio deixa a

soluo na forma de bolha, sendo, da, liberado para a atmosfera. Trata-se de um mtodo pouco

eficiente, visto que se alcana Co = 4,00 mg/L aps 6 horas de bombeamento.

O mtodo de gs de arraste (stripping) impe apenas o borbulhamento de um gs puro, por

exemplo, nitrognio, na gua que contem oxignio. Como a presso parcial do oxignio menor

dentro das bolhas do que no lquido, h passagem deste gs para as bolhas que, finalmente, se

perdem na atmosfera atravs da superfcie.

J o mtodo qumico, o qual utiliza sulfito de sdio anidro (Na2SO3), sugerido pela ASCE

Standard (1984) e foi utilizado neste artigo. Pode gerar interferncia na determinao do oxignio

dissolvido devido presena em excesso do produto qumico. Apesar desse inconveniente, a

deaerao total (Co = 0,0 mg/L) atingida em apenas alguns minutos, de acordo com a ASCE

Standard (1984), Salla (2002) e Schulz (1989).

Neste trabalho, na operao de deaerao, o Na2SO3 foi pr-diludo em 1 litro de gua. Na

seqncia, esta pr-diluio foi lanada no reservatrio e, posteriormente, iniciado a mistura atravs

da recirculao pelo sistema elevatrio. Em todos os experimentos realizados a recirculao para

deaerao do meio lquido durou aproximadamente 10 minutos.

Aerao

As caractersticas da coluna de aerao e do difusor de ar responsveis pela gerao das

bolhas ascensionais j foram citadas anteriormente. Utilizou-se ar comprimido como gs da

aerao, uma vez que a transferncia de massa mais lenta, permitindo melhor avaliao da

transferncia de massa gs-lquido.

Na sada da tubulao de ar comprimido, este passou, na seqncia, por um redutor de

presso, um rotmetro e, finalmente, entrou no difusor microporoso. A transferncia de massa gs-

lquido ocorre pela rea interfacial total formada pelas bolhas ascensionais, onde, neste trabalho, a

evoluo da concentrao de oxignio dissolvido foi determinada prximo base da coluna at que

fosse alcanada a saturao da concentrao de oxignio dissolvido.

Configuraes analisadas

A Tabela 1 ilustra as configuraes estudadas, seguindo os mesmos intervalos dos trabalhos

cientficos encontrados na literatura da rea, onde a temperatura do meio lquido no foi controlada.


Tabela 1 Configuraes analisadas.

Determinao do coeficiente de transferncia de massa global KLa (s-1)

As configuraes estudadas permitiram encontrar uma curva no-linear de concentrao C

(mg/L) de oxignio dissolvido em funo do tempo t (s). O valor do coeficiente de transferncia de

massa global KLa foi obtido atravs da linearizao da equao (2), resultando na equao (5). Com

o lanamento dos dados de -ln(Cs-C)/(CsCo) na ordenada e do tempo t na abscissa, a tangente da

reta formada corresponde ao coeficiente de transferncia de massa global KLa.

-ln(Cs-C)/(CsCo) = KLa.t (5)

Onde: C a concentrao de oxignio dissolvido no tempo t qualquer, em mg/L; Cs a

concentrao de saturao do oxignio dissolvido, em mg/L; Co a concentrao de oxignio

dissolvido no tempo zero, em mg/L (para este artigo Co = 0,0 mg/L para a maioria dos

experimentos, devido deaerao por processo qumico); t o tempo, em minutos; kLa o

coeficiente de transferncia de massa global, em s-1; a relao entre a rea interfacial total das

bolhas (A) e o volume total ocupado pelas bolhas (VL), em m-1.

Eficincia de transferncia de oxignio na gua

Neste artigo foi estimada a eficincia da transferncia de oxignio na gua, cujos resultados

foram comparados com os valores obtidos por Innocentini (1996) e Salla (2002), os quais

trabalharam com os mesmos intervalos de vazo, mas com sees transversais quadradas e menores

Ensaio Na2SO3(g) Nvel lquido

(m) Vazo(L/h)

1 500 2 1000 3 1500 4

3,30 1,0

2000 5 500 6 1000 7 1500 8

4,95 1,5

2000 9 500

10 1000 11 1500 12

6,59 2,0

2000 13 500 14 1000 15 1500 16

9,89 3,0

2000 17 500 18 1000 19 1500 20

13,19 4,0

2000


nveis lquidos. A eficincia de transferncia de massa de oxignio na gua foi definida pela

relao entre a massa de O2 transferida pela massa de O2 fornecida coluna. De acordo com

Innocentini (1996), a equao da eficincia de transferncia de massa com aerao de bolhas

atravs de difusor poroso resulta na equao (6).

( )aeraoarO

L0S

t..X.QV.CC

2

= (6)

Onde: eficincia de transferncia de massa de oxignio na gua, em %; Cs a concentrao de saturao do oxignio na gua, em mg/l; Co a concentrao de oxignio

dissolvido no incio da aerao, ou seja, concentrao igual a zero ou prximo a zero em todas as

configuraes aqui estudadas; VL o volume de gua contido na coluna, em litros; Q a vazo de

aerao, em L/min; XO2 a frao mssica de oxignio no ar atmosfrico, igual a 0.209; ar a

massa especfica do ar atmosfrico, em kg/m3; taerao o tempo de aerao em cada ensaio, em

minutos.

Neste trabalho considerou-se ar = 1,0 kg/m3 em todos os ensaios e, tambm, o tempo de

aerao como sendo o tempo em que a concentrao de oxignio dissolvido leva para sair de C0 at

alcanar a saturao.

RESULTADOS E DISCUSSES

Para melhor entendimento, so apresentados os resultados dos coeficientes de transferncia de

massa global KLa para cada nvel lquido separadamente, seguido pela variao de KLa com a vazo

para todos os nveis lquidos estudados, finalizando com a determinao da eficincia de

transferncia de massa global e comparao com outros autores. Todos os experimentos foram

realizados mantendo-se a presso do ar comprimido em 10 N/cm2 na entrada do difusor. Alm

disso, as diferentes concentraes de saturao Cs do oxignio dissolvido para as vazes estudadas

esto diretamente relacionadas s diferentes temperaturas do meio lquido, conforme observadas na

Tabela 2.

Determinao do coeficiente de transferncia de massa global KLa

- Nvel lquido h = 1,0 m

A Figura 2 apresenta os resultados obtidos no estudo de transferncia de massa global KLa

para o nvel lquido h = 1,0 m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h.

A evoluo da concentrao de oxignio dissolvido ao longo do tempo para as vazes

estudadas (Figura 2a), evidencia que a saturao de OD do meio lquido alcanada mais

rapidamente para as maiores vazes, deixando claro que a velocidade ascensional para as maiores


vazes no influencia na transferncia de massa global, provavelmente pelas poucas coalescncias

existentes na trajetria ascensional das bolhas.

Atravs da linearizao da equao de absoro de oxignio obtm-se o coeficiente de

transferncia de massa global atravs da tangente formada pela reta, conforme ilustrado pela Figura

2b, mostrando que o aumento do KLa diretamente proporcional ao aumento da vazo de gs

afluente, alcanando 0,0029 s-1, 0,019 s-1, 0,0405 s-1 e 0,0436 s-1, respectivamente para vazo de 500

L/h, 1000 L/h, 1500 L/h e 2000 L/h. As pequenas oscilaes observadas na evoluo da

concentrao de OD ao longo do tempo para a vazo de 500 L/h so decorrentes das aderncias de

bolhas isoladas junto membrana da sonda do medidor porttil de oxignio dissolvido.

Figura 2 Estudo de transferncia de massa global KLa para o nvel lquido h = 1,0 m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h, sendo: (a) evoluo da concentrao de OD em funo do tempo para todas as vazes analisadas; (b) linearizao da equao de absoro de oxignio para obteno dos valores de KLa e R2 (coeficiente de determinao - para verificar o bom ajuste dos dados medidos e estimados).


- Nvel lquido h = 1,5 m

Os resultados obtidos no estudo de transferncia de massa global KLa para o nvel lquido h =

1,50m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h, esto apresentados na Figura 3. A Figura 3a

apresenta a evoluo da concentrao de oxignio dissolvido ao longo do tempo para as vazes

estudadas, evidenciando tambm que a saturao de OD do meio lquido alcanada mais

rapidamente para as maiores vazes.

J a Figura 3b ilustra que o aumento do KLa diretamente proporcional ao aumento da vazo

de gs afluente. No entanto, o KLa foi ligeiramente menor para vazo de 2000 L/h quando

comparado com a vazo de 1500 L/h, o que pode ser explicado pelas bolhas maiores formadas para

a vazo de 2000 L/h, em virtude de possveis coalescncias ocorridas no movimento ascensional.

As bolhas maiores formadas, alm de diminuir o tempo de contato em funo do aumento da

velocidade ascensional, tambm diminuem a rea interfacial de contato gs-lquido. Os valores de

KLa obtidos foram 0,0045 s-1, 0,0092 s-1, 0,0279 s-1 e 0,0251 s-1, respectivamente, para vazo de 500

L/h, 1000 L/h, 1500 L/h e 2000 L/h.

As pequenas oscilaes observadas na evoluo da concentrao de OD ao longo do tempo

para a vazo de 500 L/h e 2000 L/h so decorrentes das aderncias de bolhas isoladas junto

membrana da sonda do medidor porttil de oxignio dissolvido.


Figura 3 Estudo de transferncia de massa global KLa para o nvel lquido h = 1,5 m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h, sendo: (a) evoluo da concentrao de OD em funo do tempo para todas as vazes analisadas; (b) linearizao da equao de absoro de oxignio para obteno dos valores de KLa e R2 (coeficiente de determinao - para verificar o bom ajuste dos dados medidos e estimados). - Nvel lquido h = 2,0 m

A Figura 4a apresenta a evoluo da concentrao de oxignio dissolvido ao longo do tempo

para as vazes estudadas, evidenciando que a saturao de OD do meio lquido alcanada mais

rapidamente para as maiores vazes, igual constatao observada para o nvel lquido 1,5 m e 2,0 m.

Para o nvel lquido de 2,0 m no foi observada a influncia direta das coalescncias do

processo de transferncia de massa, como observado na Figura 3b, onde o aumento do KLa

diretamente proporcional ao aumento da vazo de gs afluente, alcanando 0,0044 s-1, 0,0213 s-1,

0,0242 s-1 e 0,026 s-1, respectivamente para vazo de 500 L/h, 1000 L/h, 1500 L/h e 2000 L/h.

No entanto, pequenas oscilaes na evoluo da concentrao de OD ao longo do tempo

foram observadas para a vazo de 500 L/h, similar ao ocorrido em nveis lquidos inferiores.



A Figura 5 apresenta os resultados obtidos no estudo de transferncia de massa global KLa

para o nvel lquido h = 3,0 m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h.


para as vazes estudadas. Pode-se notar que, conforme ocorrido no nvel lquido de 1,5 m, a vazo

de 2000 L/h apresentou resultados diferentes dos esperados. Na Figura 5b, o coeficiente de ajuste da

reta (KLa) para a vazo de 2000 L/h menor, alcanando 0,0127 s-1, 0,0236 s-1, 0,0269 s-1 e 0,0157

s-1, respectivamente para vazo de 500 L/h, 1000 L/h, 1500 L/h e 2000 L/h.




para as vazes estudadas, evidenciando que a saturao de OD do meio lquido alcanada mais

rapidamente para as maiores vazes.

O aumento do KLa diretamente proporcional ao aumento da vazo de gs afluente,

resultando em 0,0153 s-1, 0,0256 s-1, 0,0332 s-1 e 0,0533 s-1, respectivamente, para vazo de 500 L/h,

1000 L/h, 1500 L/h e 2000 L/h, conforme Figura 6b. A influncia da coalescncia no foi observada

para este nvel lquido. Alm disso, a tendncia das curvas exponenciais observadas na Figura 6a

ilustra que no houve aderncia das bolhas na sonda do medidor porttil de OD utilizado.


Figura 6 Estudo de transferncia de massa global KLa para o nvel lquido h = 4,0 m, variando a vazo de 500 L/h at 2000 L/h, sendo: (a) evoluo da concentrao de OD em funo do tempo para todas as vazes analisadas; (b) linearizao da equao de absoro de oxignio para obteno dos valores de KLa e R2 (coeficiente de determinao - para verificar o bom ajuste dos dados medidos e estimados).

Variao do coeficiente de transferncia de massa em funo da vazo

Os resultados apresentados anteriormente, para as diversas vazes e nveis lquidos estudados,

esto agrupados em uma nica planilha, conforme ilustrado na Tabela 2. Utilizou-se a equao (4)

para o ajuste do coeficiente de transferncia de massa global KLa para a temperatura ambiente de

20C. Uma anlise simples na Tabela 2 mostra que houve interferncias das coalescncias apenas

nos nveis lquidos 1,5 m e 3,0 m, para a vazo de 2000 L/h.


Tabela 2 KLa medido e KLa(20) obtidos para as diversas vazes e nveis lquidos estudados.

Nvel lquido (m)

Vazo (L/h )

Temperatura (oC)

KLa medido (s-1)

KLa(20) (s-1)

500 26,6 0,0029 0,0026 1000 27,0 0,0190 0,0171 1500 27,7 0,0405 0,0361 1,0

2000 28,2 0,0436 0,0385 500 29,0 0,0045 0,0039

1000 27,7 0,0092 0,0082 1500 27,8 0,0279 0,0248 1,5

2000 27,0 0,0251 0,0226 500 27,0 0,0044 0,0039

1000 26,0 0,0213 0,0194 1500 27,6 0,0242 0,0216 2,0

2000 28,2 0,0260 0,0230 500 26,7 0,0153 0,0138

1000 27,0 0,0256 0,0230 1500 27,7 0,0332 0,0296 3,0

2000 25,9 0,0157 0,0143 500 25,3 0,0153 0,0141

1000 24,4 0,0256 0,0239 1500 24,4 0,0332 0,0310

4,0

2000 25,2 0,0533 0,0493

Objetivando o melhor entendimento da evoluo de KLa com a vazo de aerao, a Figura 7

ilustra KLa(20) em funo da vazo para os nveis lquidos estudados, observando-se que existe uma

mesma tendncia de acrscimo do KLa para todos os nveis lquidos estudados at a vazo de 1500

L/h. Para a vazo de 2000 L/h, independente do nvel lquido, esta tendncia de acrscimo

quebrada, evidenciando as interferncias reais das coalescncias.

Figura 7 Valores de KLa(20) em funo da vazo para os nveis lquidos estudados.

Foi realizada uma comparao dos resultados aqui obtidos com Salla (2002), o qual trabalhou

com o mesmo tipo de difusor microporoso, as mesmas vazes, nvel lquido de 0,5 m at 1,8 m e


coluna de aerao com seo transversal quadrada de 0,19 m de lado. De acordo com Salla (2002),

para nveis lquidos entre 1,4 m e 1,8 m, o coeficiente de transferncia de massa global KLa variou

entre 0,25 min-1 0,60 min-1. Neste artigo, para este mesmo intervalo de nvel lquido, obteve-se

KLa(20) entre 0,0026 s-1 0,0493 s-1, conforme observado na Tabela 2. Os maiores valores obtidos

para este artigo est fundamentado na menor rea transversal da coluna. Enquanto que Salla (2002)

trabalhou com uma coluna de 0,0361 m2 de rea transversal, aqui trabalhou-se com 0,00785 m2 de

rea transversal, resultando em um volume de coluna aproximadamente 4,60 vezes menor,

logicamente para o mesmo nvel lquido. Considerando-se a mesma rea interfacial de contato gs-

lquido, o menor volume lquido possibilita uma melhor eficincia de transferncia de massa,

lembrando que o termo a do coeficiente KLa refere-se relao entre a rea interfacial de contato e

o volume lquido na coluna.

A mesma tendncia de acrscimo do KLa para todos os nveis lquidos estudados at a vazo

de 1500 L/h, observada na Figura 7, permitiu que fosse ajustada uma equao potencial que

relaciona KLa com a vazo de aerao. Para isso, para cada vazo de aerao, determinou-se um

coeficiente KLa mdio para todos os nveis lquidos, conforme ilustrado na Figura 8. Na seqncia,

utilizando a ferramenta Solver do Excel, ajustou-se os parmetros a e b da equao potencial

KLa = a.Qb, utlizando a minimizao dos mnimos quadrados entre os dados mdios medidos e os

estimados. A equao final resultou em KLa (s-1)= 5,3.10-5.Q0,84, sendo a vazo Q em L/h. Esta

equao pode ser utilizada em trabalhos que utilizam colunas de aerao com configuraes

similares esta e neste intervalo de vazo. A Tabela 3 ilustra a somatria dos mminos quadrados

entre dados medidos e estimados.

Figura 8 KLa(20)mdio e KLa estimado em funo da vazo.


Tabela 3 Somatria dos mminos quadrados entre dados de KLa medidos e estimados.

Q (L/h) X Y (X - Y)

2

500 0,0077 0,0099 4,93E-06

1000 0,0184 0,0178 3,52E-07 X KLa(20)mdio em s-1

1500 0,0287 0,0250 1,34E-05 Y KLa estimado em s-1

2000 0,0296 0,0318 5,08E-06 2,37E-05

Eficincia de transferncia de massa de oxignio

Utilizou-se a equao (6) para o clculo da eficincia de transferncia de massa de oxignio.

A Figura 9 ilustra a eficincia de transferncia de oxignio (% massa) em funo da vazo de

aerao (L/h), utilizando os 5 (cinco) nveis lquidos na coluna. Fica claro que a mxima eficincia

alcanada para a vazo de 1000 L/h e nvel lquido de 3,0 m.

Figura 9 Eficincia de transferncia de oxignio (% massa) em funo da vazo de aerao (L/h), utilizando os 5

(cinco) nveis de gua na coluna.

Uma anlise comparativa com os resultados obtidos por Salla (2002) e Innocentini (1996) foi

realizada. Antes da comparao preciso informar as configuraes experimentais para os trabalhos

realizados por estes dois pesquisadores. Como j informado anteriormente neste artigo, Salla (2002)

trabalhou com uma coluna de aerao de seo transversal quadrada de 0,19 m de lado, nvel

lquido entre 0,5 m at 1,8 m, vazo de aerao entre 400 L/h e 2000 L/h e utilizando gua limpa,

ou seja, sem a presena de matria orgnica. J Innocentini (1996) trabalhou com um reator de

seo transversal quadrada de lado 0,6 m, vazo de aerao entre 800 L/h e 1800 L/h, nvel lquido

entre 0,5 m at 1,5 m e utilizando tambm gua limpa.

Independente do nvel lquido estudado, tanto os resultados de eficincia aqui obtidos quanto

os resultados obtidos por Salla (2002) e Innocentini (1996), mostram que vazo de aerao prxima


a 1000 L/h gera maior eficincia de transferncia de massa de oxignio, evidenciando a importncia

das coalescncias das bolhas no processo de transferncia de massa.

Agora, para os nveis lquidos de 1,0 m e 1,5 m, as comparaes da eficincia de transferncia

de massa apontam valores de eficincia de 0,4% - 2,2%, 0,2% - 0,7% e 2% - 7,5%,

respectivamente, para o trabalho realizado por Salla (2002), Innocentini (1996) e o presente artigo

(Figura 9). As diferenas obtidas nos trs estudos podem ser explicadas pelas diferenas de volumes

lquidos estudados, mostrando que o aumento do volume lquido inversamente proporcional

eficincia de transferncia de massa.

CONCLUSES

Neste artigo foi possvel estudar a transferncia de massa de ar na gua para as bolhas geradas

por um difusor de ar microporoso, em diversos nveis lquidos e diversas vazes de aerao, para o

aparato experimental aqui adotado.

Os resultados obtidos geraram uma equao potencial que relaciona o coeficiente de

transferncia de massa global KLa com a vazo de aerao, podendo esta equao ser utilizada em

trabalhos que utilizam colunas de aerao com configuraes similares esta e para o intervalo de

vazo estudado.

Uma anlise comparativa com outros trabalhos encontrados na literatura da rea mostra que

existe um regio restrita nos intervalos de vazes estudados que gera maior eficincia de

transferncia de massa de oxignio, evidenciando a importncia das coalescncias das bolhas no

processo de transferncia de massa. Tambm, nesta comparao, as diferenas nas eficincias de

transferncia de massa esto relacionadas com as diferenas de volumes lquidos estudados,

mostrando que o aumento do volume lquido inversamente proporcional eficincia de

transferncia de massa.

BIBLIOGRAFIA a) Livro BRAGA, B. et al. (2005). Introduo Engenharia Ambiental. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005, 320 p. JORDO, E. P.; PESSA, C.A.(2005). Tratamento de Esgotos Domsticos. Rio de Janeiro, 932p. SCHULZ, H.E. (2003). O Essencial em Fenmenos de Transporte. EESC/USP So Carlos- SP, 382 p.


VON SPERLING, M. (2005). Introduo qualidade das guas e ao tratamento de esgotos. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitria e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 452p. b) Artigo em revista AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS (1984). ASCE STANDARD Measurement of oxigen transfer in clean water, p. 39. GULLIVER, J.S.; RINDELS, A.J. (1993). Measurement of air-water oxygen transfer at hydraulic structures. Journal of Hydraulic Engineering, v. 119, n 3, p. 327-349. c) Dissertaes e Teses INNOCENTINI, C.K.Z. (1996). Estudo da transferncia de oxignio da fase gasosa para a fase liquida usando difusor cermico poroso. So Carlos. Dissertao (Mestrado em Hidrulica e Saneamento). Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 86p.

MOMESSO, A.M. (1996). Absoro e dessoro de gases atravs da interface ar-gua em sistemas de agitao mecnica. So Carlos. Dissertao (Mestrado em Hidrulica e Saneamento). Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 145p.

SALLA, M. R. (2002). Bases hidrodinmicas para processos de transferncia de gases em colunas com difusores. So Carlos. Dissertao (Mestrado em Hidrulica e Saneamento). Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 154p. SCHULZ, H.E. (1989). Investigao do mecanismo de reoxigenao da gua em escoamento e sua correlao com o nvel de turbulncia junto superfcie. So Carlos. Tese (Doutorado em Hidrulica e Saneamento). Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, 516p.

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