Clarificação de águas por eletrocoagulação alimentada por sistema fotovoltaico | Water clarification by electrocoagulation powered by photovoltaic system

O objetivo geral deste trabalho foi implementar o uso de ferramentas estatísticas na otimização do processo de eletrocoagulação para o tratamento de águas superficiais; comparar os mecanismos de coagulação dominantes na eletrocoagulação com eletrodos de alumínio e no tratamento convencional com sulfato de alumínio; e avaliar técnica e economicamente o uso da eletrocoagulação baseada em energia fotovoltaica como tratamento complementar à remoção de poluentes de águas para consumo humano. Inicialmente os modelos e condições ótimas de operação para a eletrocoagulação foram baseados na metodologia de “superfície de resposta” usando o delineamento composto central. A função “desejabilidade” foi utilizada para encontrar as condições operacionais que levassem ao aumento da remoção de cor aparente, da demanda química de oxigênio (DQO) e da turbidez, de maneira simultânea. Foi possível cumprir o padrão estético/organoléptico estipulado para esta etapa do processo (cor < 15 uH, DQO < 18 e turbidez < 5 uT) considerando três amostras de água (turbidez inicial baixa, média e alta). Em uma segunda etapa, gráficos de isoeficiência para remoção de poluentes foram utilizados para determinar e comparar os mecanismos de coagulação atuantes na coagulação convencional e na eletrocoagulação. Para águas com turbidez inicial baixa o mecanismo de adsorção de cargas mostrou eficiências de remoção maiores nos dois tratamentos estudados. Para águas com turbidez inicial média e alta, o mecanismo de varredura mostrou-se eficiente nas duas tecnologias utilizadas. Na terceira fase, a metodologia de superfície de resposta foi utilizada para desenvolver modelos matemáticos considerando os efeitos dos parâmetros intensidade de corrente e tempo de eletrólise (i.t) sobre a remoção da cor aparente e turbidez de uma amostra de água proveniente do rio Turvo Sujo. As condições de desenho e operação para o sistema integrado eletrocoagulação-sistema fotovoltaico (EC-SF) foram estabelecidas assumindo o conceito de reprodutibilidade das condições quando conhecidos os parâmetros de uma única célula eletrolítica. A metodologia estatística utilizada mostrou-se eficiente para a previsão dos melhores valores do binômio i.t, permitindo o cumprimento do padrão estético/organoléptico (cor < 15 uH e turbidez < 5 uT). O desenho de um sistema EC-SF que suprisse a necessidade de consumo de 50 pessoas foi realizado para avaliação do custo do tratamento. Para isto foram considerados o custo do material do eletrodo e o custo de energia elétrica, obtendo-se um custo de R$ 0,70 m -3 de água clarificada. A correlação existente entre as respostas analisadas permitiu encontrar condições especificas dos parâmetros, auxiliando a determinação de pontos de trabalho seguros na operação. A eletrocoagulação mostrou-se eficiente para clarificar águas naturais com diferentes características de turbidez inicial. No que diz respeito aos mecanismos de coagulação encontrados, para águas com turbidez inicial média e alta, o mecanismo de varredura mostrou-se eficiente nas duas tecnologias utilizadas. No entanto, a amplitude de eficiência de remoção, quando utilizada a coagulação convencional, abrange uma área maior do que quando utilizada a eletrocoagulação. Isto implica em uma maior segurança operacional quando ocorrem eventuais flutuações das características da água bruta, bem como no controle da dosagem de coagulante empregado. A metodologia de superfície de resposta permitiu encontrar condições ótimas para os parâmetros de operação, auxiliando na determinação dos parâmetros relativos às necessidades energéticas e de dimensionamento de um sistema fotovoltaico integrado à célula eletrolítica. Assim é possível instalar o sistema EC-SF em qualquer localização onde existam níveis satisfatórios de irradiação como uma alternativa inovadora que ao mesmo tempo ofereça uma opção sustentável ao tratamento de águas em zonas rurais utilizando energias renováveis.

The general objective of this work was to implement the use of statistical tools in the optimization of the electrocoagulation process in surface waters. Also, to compare the dominant coagulation mechanisms in electrocoagulation with aluminium electrodes and in the conventional treatment with aluminium sulphate. Even, technically and economically evaluate the use of electrocoagulation based on photovoltaic energy as a complementary treatment to pollutants removal from water for human consumption. Initially the models and optimal operating conditions for electrocoagulation were based on the response surface methodology using the central composite design. The desirability function was used to find the operating conditions that lead to increased apparent color removal, Chemistry Oxygen Demand (COD) and turbidity simultaneously. It was possible to comply with the aesthetic / organoleptic standard stipulated for this stage of the process (color <15 uH, COD <18 and turbidity <5 uT) considering the three types of studied waters (initial turbidity; low, medium and high). In a second step, isoefficiency plots for pollutants removal were used to determine and compare the coagulation mechanisms acting on conventional coagulation and electrocoagulation. For waters with low initial turbidity, the adsorption mechanism showed higher removal efficiencies in both studied treatments. For water with medium and high initial turbidity, the scanning mechanism was common in both used technologies. In the third step, the response surface methodology was used to develop mathematical models considering the effects of the current intensity and electrolysis time (i.t) parameters on the apparent colour and turbidity removal of a dirty river water sample. The design and operation conditions for the EC-SF integrated system were established assuming the reproducibility concept of the conditions when the parameters of a single electrolytic cell were known. The used statistical methodology proved to be efficient for predicting the best values of the “i.t” binomial, allowing compliance with the aesthetic / organoleptic standard (colour <15 uC and turbidity <5 Ut). The design of an EC-SF system that met the need for consumption of 50 people was conducted to evaluate the cost of treatment. To this, were considered the cost of the electrode material and the cost of electricity for determining a rate of R$ 0,7 m -3 of clarified water. The correlation between the analysed answers allowed to find specific conditions of the parameters, helping to determine safe working points in the operation. Electrocoagulation was efficient to clarify natural waters with different characteristics of initial turbidity. Regarding the coagulation mechanisms found for water, with medium and high initial turbidity, the scanning mechanism was common in both used technologies. However, the breadth of removal efficiency, when using conventional coagulation, covers a larger area than when using electrocoagulation. This may imply greater operational safety, when eventual fluctuations in the raw water characteristics occur, as well as in the dosage control of the employed coagulant. The response surface methodology allowed finding optimum conditions for the operation parameters, helping to determine the parameters related to the energy requirements and the design of a photovoltaic system integrated to the electrolytic cell. Thus, it is possible to install the EC-SF system in any location where irradiation satisfactory levels are reached. Becoming it in an innovative alternative that offers a sustainable option to the water treatment in rural areas using renewable energies.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior