Reator Gerador de Flocos - RGF : concepção e desenvolvimento básico

Abstract

O objetivo geral do presente trabalho foi a concepção e o desenvolvimento de um sistema compacto de floculação em linha, em escala semipiloto, com o aproveitamento da energia cinética do fluxo hidráulico para promover a agitação necessária à dispersão de um polímero floculante e a geração dos flocos ao longo de um reator tubular helicoidal. O sistema denominado de Reator Gerador de Flocos (RGF), foi desenvolvido para a geração de flocos aerados ou não (com o uso de um colóide de Fe(OH)3, como modelo) e uma poliacrilamida catiônica de alto peso molecular (Mafloc 490C). Foram testados 5 modelos diferentes de RGFs (variação no comprimento/volume) para a geração dos flocos em diferentes vazões de alimentação e foi selecionado o reator mais eficiente em termos de separação sólido/líquido. Os estudos de avaliação da eficiência de floculação do RGF foram realizados comparativamente através da caracterização dos flocos formados e do comportamento dos flocos numa etapa posterior de separação sólido/líquido. Nos ensaios de geração de flocos não aerados foram medidos o tempo de sedimentação, a turbidez do sobrenadante e o volume sedimentado em cone Imhoff. Ainda, análise fotográfica possibilitou a medição do tamanho dos flocos não aerados e através da correlação logarítmica com a massa dos mesmos, foi possível determinar a dimensão fractal (dF) destes flocos de Fe(OH)3. A eficiência na geração de flocos aerados no RGF com o emprego de microbolhas (diâmetros inferiores a 70 mm) foi avaliada através da velocidade de ascensão dos flocos em uma célula cilíndrica fixa à uma coluna de flotação posterior ao RGF. Estudos de caracterização do regime hidráulico do reator com o emprego de traçadores (azul de metileno) e a determinação do gradiente de velocidade (G) e do número de Reynolds (Re) foram realizados. A curva de resposta do traçador apresentou um pico intenso e estreito, no perfil de velocidade investigado (3L.min-1), caracterizando um fluxo do tipo pistão para o RGF. Ainda, um regime turbulento (Re > 5000) e um G de 1420 s-1 foram determinados. O RGF 3 (modelo 3, com 12m/1,2 L) apresentou a melhor eficiência na geração dos flocos, com e sem o emprego de microbolhas. Nos ensaios de sedimentação, os melhores resultados em termos de velocidade de separação foram obtidos nas seguintes condições experimentais: 4 L.min-1 de vazão de alimentação, 5 mg.L-1 de Mafloc 490C, atingindo velocidade da ordem de 19 m.h-1, turbidez residual de 1 NTU, e volume de sólidos sedimentáveis de 7 mL.L-1. As análises fotográficas permitiram estimar flocos com diâmetros num intervalo entre 400 e 2000 mm. A partir do emprego da equação de sedimentação para fluxo laminar de Stokes, foi constatado o decréscimo da densidade flocos de Fe(OH)3 com o aumento do tamanho dos mesmos, atingindo um valor médio de 1019 kg.m-3. Um dF de 2,98 foi obtido, caracterizando um floco esférico, de baixa porosidade e com estrutura densa. Os melhores resultados na velocidade de ascensão dos flocos aerados foram obtidos com os seguintes parâmetros: vazão de alimentação de 2 L.min-1, concentração de 5 mg.L-1 de Mafloc 490C, sendo obtidas velocidades na ordem de 112 m.h-1. Esses flocos aerados ascendem com velocidades equivalentes à bolhas com diâmetros entre 185 e 240 mm (D50 entre 30-70 mm para as microbolhas individuais e isoladas). A alta velocidade de separação sólido/líquido obtida nos estudos com flocos aerados comparativamente com os flocos não aerados mostram claramente a viabilidade de emprego das microbolhas na separação por floculação- flotação (flutuação). Os resultados obtidos permitem prever um elevado potencial de aplicação em nível industrial do RGF, principalmente por apresentar um baixo tempo de residência, ausência de partes móveis (agitadores), pequena área ocupada, uma mistura do tipo pistão (ideal para floculação), ausência de curto-circuitos ou zonas mortas e um crescimento uniforme com elevada cinética na geração dos flocos.