The effect of SDS surfactant on surface reaeration coefficient : a laboratory scale approach

Abstract

Surface reaeration coefficient (K2), which represents the transfer of oxygen at the air-water interface, is an important variable in aquatic ecosystems. K2 is influenced by several factors, including surfactants; furthermore, this coefficient is used in water-quality models, which requires its correct estimation. This study evaluated the effects of the surfactant Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) on K2 in two different experimental systems. In a cylindrical reactor with a turbine-type mechanical stirrer, 15 reaeration experiments were carried out with SDS concentrations of 0.0; 0.25; 0.5; 1.0 and 1.5 mMol L-1 and stirrer rotation velocities of 25, 50 and 100 rpm. In a circular hydraulic channel, 8 reaeration experiments were carried out, in triplicate, with SDS concentrations of 0 and 1.5 mMol L-1 and agitation levels of Reynolds 4,500, 37,500; 49,200 and 54,000. In the reactor, regardless of the rotation velocity, the surfactant reduced K2 by 20%, due to a superficial film formation at the interface that made oxygen transfer difficult, due to a phenomenon known as “barrier effect”. In the channel, an approximate K2 reduction of 15% occurred at higher levels of water agitation. In the presence of surfactants, and at low levels of agitation, phenomena that increase K2 (i.e., Marangoni effect) may coexist with those that reduce K2 (i.e., barrier effect). We concluded that the presence of SDS in aquatic environments should be considered when estimating the surface reaeration coefficient, because this surfactant can contribute to uncertain K2 estimation.

O coeficiente de reaeração superficial (K2), que representa a transferência de oxigênio na interface ar-água, é uma importante variável dos ecossistemas aquáticos. O K2 é influenciado por diversos fatores, entre eles as substâncias surfactantes, além disso, tal coeficiente é utilizado em modelos de qualidade da água, o que demanda a sua correta estimativa. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do surfactante Dodecil Sulfato de Sódio (SDS) sobre o K2. Em um reator cilíndrico com agitador mecânico tipo turbina, 15 experimentos de reaeração foram realizados com concentrações de SDS (0,0; 0,25; 0,5; 1,0 e 1,5 mMol L-1) e velocidades de rotação do agitador (25, 50 e 100 rpm). Em um canal hidráulico circular, 8 experimentos de reaeração foram realizados, em triplicata, com concentrações de SDS (0 e 1.5 mMol L-1) e níveis de agitação (Reynolds 4.500, 37.500, 49.200 e 54.000). No reator, independentemente da velocidade de rotação, o surfactante reduziu o K2 em 20%, devido à formação de um filme superficial na interface que dificultou a transferência do oxigênio, fenômeno conhecido como efeito barreira. No canal, a redução de K2 (aproximadamente 15%) ocorreu em maiores níveis de agitação da água. Na presença de surfactantes, e em baixos níveis de agitação, fenômenos que aumentam o K2 (i.e., efeito de Marangoni) coexistem com os que reduzem K2 (i.e., efeito barreira). Conclui-se que a presença de SDS em ambientes aquáticos deve ser considerada na estimativa do coeficiente de reaeração superficial, pois este surfactante pode contribuir para estimativas incertas do K2.