Purificação De Água Através Dos Tempos

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Edição Nº 12 - Janeiro/Fevereiro de 2005 - Ano 3

Demócrito sugeriu que a água, como outras substâncias, era constituida de átomos, entidades pequenas demais para serem vistas, enquanto Aristóteles afirmava que

Demócrito sugeriu que a água, como outras substâncias, era constituída de átomos, entidades pequenas demais para serem vistas, enquanto Aristóteles afirmava que a água era uma das quatro substâncias básicas que compõem a matéria, juntamente com o ar, o solo e o fogo. Durante séculos, acreditava-se que a água fosse um elemento. Em 1781 o cientista inglês Cavendish conseguiu sintetizar água detonando hidrogênio e ar e provando, assim, que a água, de fato, consistia em elementos atômicos menores. Dois anos depois, o químico francês Lavoisier dividiu a água em hidrogênio e oxigênio (Figura 1). Descobriu que as massas combinadas de hidrogênio e oxigênio obtidas durante o experimento eram iguais a massa da água decomposta. Lussac e von Humboldt mostraram em 1804 que ocorria consistentemente na água a relação de 2 hidrogênios para 1 oxigênio. Entretanto, foi só em 1871 que Canizzarro finalmente propôs a famosa fórmula molecular para a água: H2O.

Figura 1: Lavoisier decompôs a água sobre ferro, em um forno de queima especialmente projetado. Com isso, ele isolou os produtos finais: hidrogênio e oxigênio.

Características e Propriedades

Todas as características e propriedades físicas peculiares da água resultam de sua estrutura molecular. A diferença de eletro negatividade entre os átomos de hidrogênio e de oxigênio gera uma separação de cargas. Assim, os átomos ligeiramente positivos de hidrogênio de uma molécula interagem com os átomos parcialmente negativos de oxigênio de outra molécula adjacente, criando a assim chamada ponte de hidrogênio (Figura 2). Essas ligações fracas de hidrogênio criam uma cadeia que pode se rearranjar muitas vezes, permitindo que a água líquida flua em toda parte.

Figura 2: Pontes de hidrogênio entre moléculas de água.

Essas ligações fracas são tão numerosas que elas definem o alto ponto de ebulição da água, sua alta tensão superficial e viscosidade (Tabela 1). Sob baixas temperaturas, essa cadeia se reorganiza no gelo para adotar uma estrutura hexagonal e gerar os flocos de neve com seis pontas simétricas (Figura 3). Devido ao espaço aumentado entre os átomos, o gelo é menos denso que a água, o que faz com que os icebergs flutuem no mar. A cor azul clara da água também se origina dessas pontes de hidrogênio que modificam a freqüência vibracional das moléculas de água e causam uma leve absorção da luz vermelha. Os átomos de hidrogênio e oxigênio podem interagir com tantos tipos de moléculas diferentes que a água é o solvente mais poderoso conhecido, também chamado de solvente universal.

Contaminantes na Água

A água é um dos solventes mais poderosos conhecidos e tem a capacidade de dissolver um grande número de substâncias diferentes.

Durante o ciclo hidrológico os contaminantes penetram na água a partir de várias fontes naturais ou não.

A água influenciou o desenvolvimento das culturas e das ciências através da história e continua essa influência até hoje.
Os modelos moleculares da água continuam a ser investigados e a água pura está envolvida com o desenvolvimento da maioria das ciências, desde a quantificação de minerais a níveis de
ultra-traços até o seqüenciamento de DNA e terapia gênica.

A água tratada para produzir água potável normalmente se origina tanto de águas superficiais (lagos, rios e riachos) como de água subterrânea (de aqüíferos onde a água percolou através de rochas porosas na superfície da Terra). Tipicamente, a água de superfície contém mais material biológico e partículas e uma baixa concentração e íons. A água subterrânea, por outro lado, por ter sido filtrada através de rochas, em geral apresenta baixa concentração de material orgânico e partículas e alta concentração em íons dissolvidos das rochas que atravessou.
Os contaminantes que afetam a qualidade da água podem, portanto, variar de acordo com fatores geográficos, geológicos e até mesmo sazonais.

Os principais contaminantes encontrados na água são os compostos inorgânicos e orgânicos dissolvidos, as partículas em suspensão, microrganismos e gases dissolvidos.

A água potável contém ainda contaminantes em níveis muito altos para ser utilizada em aplicações sensíveis de laboratório, por exemplo. Diversas substâncias são freqüentemente adicionadas durante o tratamento da água para obtenção de água potável, tais como cloro e sulfato de alumínio.

Exemplo de variações sazonais de cloro e partículas em água de rede durante um periodo de 12 meses.

Para produzir água altamente purificada para uso em aplicações críticas, deve-se utilizar uma combinação de tecnologias para reduzir efetivamente os contaminantes até níveis de traços.

Inorgânicos Dissolvidos: Os compostos inorgânicos dissolvidos incluem sais minerais tais como cálcio, magnésio, sais de sódio, silicatos originados de leitos de rios, ferro, sulfatos, nitratos (de fertilizantes), cobre e zinco de encanamentos, etc. Em áreas de "águas duras", grandes quantidades de íons Ca2+ e Mg2+ podem combinar-se com íons carbonato na água formando precipitados que causam incrustações.

Contaminantes Orgânicos: Os contaminantes orgânicos incluem subprodutos da decomposição natural da vegetação, tais como ácidos húmicos e tanino. Incluem também resíduos industriais e domésticos tais como óleos e detergentes e também inseticidas agrícolas.

As partículas em suspensão incluem argila, areia, colóides, géis, etc. Elas aumentam a turbidez da água e podem também causar problemas de obstrução de filtros e válvulas.

Os microrganismos incluem bactérias, vírus, fungos, algas, etc. As bactérias são medidas comumente em unidades formadoras de colônias por mL (ufc/mL). O cloro é adicionado durante o processo de potabilização da água para reduzir substancialmente a contagem bacteriana.

Os gases dissolvidos incluem nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, etc. A água de chuva, tem um pH de 5 a 6, tipicamente, devido a gases dissolvidos e pode, às vezes, atingir pHs de 4 devido ao fenômeno de "chuva ácida".

Purificação de Água através dos tempos

As primeiras tentativas de purificar água
provavelmente foram o resultados da necessidade de se obter água potável não poluída. Cerca do ano 2000 a.C um texto Sânscrito antigo observava que " é bom manter a água em recipientes de cobre, expô-la à luz do sol e filtra-la em carvão".

Por volta de 1500 a.C., de acordo com registros, os egípcios antigos utilizavam alumina para coagular partículas suspensas na água e fazê-las sedimentar para facilitar sua remoção. Mais tarde, em 400 a.C, Hipócrates enfatizou a importância da qualidade da água na saúde e recomendou ferver e coar a água. Entretanto, foi só mais de 2000 anos depois, nos anos 1700, que a filtração ficou estabelecida como um meio efetivo de remoção de partículas da água.
No início dos anos 1800, a filtração lenta em areia estava sendo usada e em 1804 a primeira estação municipal de tratamento de água foi aberta em Paisley, Escócia.
Foi só no final dos anos 1800 que os cientistas constataram que a turbidez da água não era somente um aspecto estético, mas que partículas tais como restos fecais poderiam também disseminar doenças. Durante esse período houve muitos registros de epidemias de cólera, tifo e disenteria disseminados pela água poluída. Então, por volta de 1880, Louis Pasteur desenvolveu sua teoria de que a maioria das doenças infecciosas é causada por germes.
Um dos maiores avanços na produção de água potável foi o uso de cloro como desinfetante, largamente utilizado na Europa e América do Norte já no início dos anos 1900.

Os aperfeiçoamentos e melhorias no tratamento da água potável continuam hoje, incluindo revisões em leis tais como a "USA Safe Drinking Water Act (SDWA)" e diretivas européias recentes sobre a qualidade de água potável. A figura mostra um típico processo de tratamento moderno para a produção de água potável.

Coagulação/floculação envolve a adição de produtos químicos tais como sulfato de alumínio, que provocam a coagulação de partículas em suspensão e a formação de partículas maiores, chamadas "flocos" que tendem a se precipitar no fundo do tanque. A Filtração através de areia e/ou carvão remove os "flocos" e partículas menores. A água é então desinfetada para reduzir os micróbios patogênicos na água, pela adição de cloro ou, alternativamente, cloramina, exposição à radiação UV ou ozônio. A água tratada é então armazenada em um reservatório fechado para utilização quando necessário.

Carvão Ativado

Água para aplicações científicas

A água potável, apesar de considerada "pura" sob o ponto de vista de segurança para ser bebida, ainda contém contaminantes que precisam ser removidos para permitir a realização bem sucedida de experimentos científicos. Foram desenvolvidas tecnologias para remover esses contaminantes e obter água de alta pureza em aplicações sensíveis.

align="justify">Adsorção em carvão tem sido usada a tempos como forma de purificação de água, originalmente com a filtração em carvão por volta de 1500 a 2000 a.C. A eficácia do carvão ativado na remoção de orgânicos, cloro e outros contaminantes, decorre de suas propriedades de adsorção, baseadas no seu tamanho de poro e grande área superficial. Os materiais usados para produzir carvão ativado influem nas propriedades adsortivas do material produzido.

Destilação é uma das formas mais antigas de purificação de água, tendo sido usada por mais de 500 anos. A água é aquecida até vapor, esse vapor sobe e é então resfriado e condensado. Quando a água é vaporizada, muitos contaminantes são deixados para trás já que eles têm um ponto de ebulição maior que o da água.

1 = Alimentação
2 = Água Purificada Membrana de osmose reversa (OR)

O fenômeno de troca iônica foi primeiramente estudado cientificamente no século 19. As primeiras resinas sintéticas de troca iônica foram desenvolvidas no início do século 20, utilizando trocadores de cátions de aluminosilicato de sódio, denominados zeólitos, usados principalmente para abranda-mento da água. Hoje, a maioria das resinas sintéticas de troca iônica são constituídas por um copolímero de estireno com ligação cruzada com divinilbenzeno (DVB) proporcionando a resistência da matriz também torná-la insolúvel em água. A matriz poliestireno-DVB necessita ser ativada quimicamente pela agregação de grupos funcionais com uma carga elétrica fixa, equilibrada pelo mesmo número de contra-ions, que estão livres para a troca com outros íons de mesma carga.Isto geralmente envolve substituir cátions por íons H+ (resinas catiônicas) ou anions por OH- (resinas aniônicas).

A osmose reversa (OR) pode remover até 99% dos orgânicos, partículas e microrganismos e cerca de 95% dos contaminantes iônicos. Uma membrana de osmose reversa separa uma solução concentrada (contendo contaminantes) de uma solução diluída (água purificada). Uma pressão hidráulica é aplicada, forçando a água através da membrana semipermeável OR, com a retenção dos contaminantes. As membranas sintéticas de osmose reversa foram primeiramente desenvolvidas nos anos 1960.

Eletrodeionização é um aperfeiçoamento do uso de resinas de troca iônica isoladamente, onde essas resinas estão contidas em compartimentos separados por membranas permeáveis a cátions e a ânions. Utiliza-se uma corrente elétrica para regenerar continuamente as resinas de troca iônica, evitando a necessidade de sua regeneração e substituição

Eletrodiálise emprega uma corrente elétrica combinada com membranas semi-permeáveis a cátions e a ânions. Os cátions, positivos, são atraídos para o cátodo negativo e os ânions (negativos) para o anodo positivo, permitindo que esses íons sejam concentrados e rejeitados.

Microfiltração utiliza uma membrana que é uma tela que exclui partículas maiores que o tamanho de poro dessa membrana. Os filtros em tela proporcionam filtração absoluta. Por exemplo, um filtro absoluto de 0,22 µm não permitirá que quaisquer partículas maiores que 0,22 µm o atravessem.

Radiação ultravioleta (UV) no comprimento de onda de 254 nm é efetiva para destruir bactérias. Em 185 nm e 254 nm reduz as impurezas orgânicas através da fotoxidação.

Ultrafiltração é um processo operado por pressão no qual a água e substâncias de baixo peso molecular podem permear uma membrana nas partículas, colóides e macromoléculas são retidos. Os ultrafiltros são construídos com materiais como fibras de polisulfona ou poliamida. As membranas de ultra-filtração com um corte de peso molecular – "cut-off" < 20000 Daltons são suficientes para remover ribunucleases (RNases) e pirogênios.

Desde os anos 1960 têm havido grandes desenvolvimentos em tecnologias de purificação de água para o laboratório, apesar do fato de que uma única tecnologia isoladamente não produzir a água de alta pureza. Em 1973 a Millipore desenvolveu o primeiro sistema de polimento a produzir água ultrapura - o sistema Milli-Q. Hoje a Millipore continua a desenvolver técnicas avançadas de purificação de água e sistemas para fornecer água na qualidade e quantidade requeridas por seu laboratório.