Sais de cálcio comuns em soluções aquosas e tecnologias para a sua remoção e purificação
Os compostos de cálcio dissolvem-se ou dissociam-se na água consoante a sua composição química. Em correntes aquosas diluídas, o cálcio encontra-se principalmente sob a forma de iões de cálcio dissolvidos (Ca2+) e de espécies aquosas associadas, e não sob a forma de moléculas de sal intactas. O cálcio ocorre naturalmente na água e também é introduzido por processos industriais e produtos químicos de tratamento de água.
Precisa de gerir a dureza, incrustações de cálcio ou uma salmoura rica em cálcio? O tratamento adequado depende de uma análise completa da água, incluindo cálcio, magnésio, alcalinidade, sulfato, pH, temperatura e recuperação de água pretendida. A concentração de cálcio, por si só, não determina se ocorrerão incrustações.
Compostos de cálcio comuns e onde são encontrados
| Composto de cálcio | Fórmula | Aplicação / indústria / local de utilização típicos | Correntes aquosas típicas onde é encontrado |
|---|---|---|---|
| Bicarbonato de cálcio (espécies carbonatadas dissolvidas) | Ca(HCO3)2 | Usado frequentemente como forma abreviada para o cálcio e o bicarbonato que ocorrem em conjunto na química das águas naturais; normalmente não é manuseado como sal seco isolado e estável. | Águas subterrâneas e superficiais que dissolveram dióxido de carbono e estiveram em contacto com calcário ou outras rochas carbonatadas; águas com dureza carbonatada. |
| Carbonato de cálcio (calcite, cré, calcário) | CaCO3 | Materiais de construção, processamento de minerais, neutralização e tratamento de água à base de cal; também é um depósito de incrustação comum. | Águas subterrâneas e de processo em contacto com minerais carbonatados; sólidos precipitados em processos de abrandamento, neutralização e formação de incrustações. |
| Sulfato de cálcio (gesso / anidrite) | CaSO4·2H2O / CaSO4 | Produção de gesso, mineração, cimento e processamento de minerais; um sal com potencial para formar incrustações em processos de concentração. | Águas subterrâneas em contacto com gesso, drenagem de minas, águas residuais industriais, salmouras derivadas da água do mar e concentrados de membranas. |
| Cloreto de cálcio | CaCl2 | Descongelamento, controlo de poeiras, operações de petróleo e gás, processamento de alimentos e fabrico de produtos químicos. | Águas de escorrência contendo sal rodoviário, salmouras de campos petrolíferos, águas de processo e correntes em que o cloreto de cálcio é usado como produto químico de tratamento ou de processo. |
| Nitrato de cálcio | Ca(NO3)2 | Fabrico e utilização de fertilizantes, aditivos para betão e determinados processos químicos. | Drenagem agrícola, águas de escorrência associadas a fertilizantes e águas de processo industriais. |
| Fluoreto de cálcio (fluorite) | CaF2 | Extração e processamento de fluorite e tratamento de fluoretos por precipitação. | Águas subterrâneas com fluoretos e águas provenientes de minas ou do processamento de minerais; também pode ocorrer como precipitado do tratamento. |
| Hidróxido de cálcio (cal hidratada) | Ca(OH)2 | Ajuste do pH de águas e águas residuais, abrandamento com cal e neutralização. | Correntes às quais foi adicionada cal; o tratamento pode formar sólidos de carbonato de cálcio ou de hidróxidos metálicos que têm de ser separados. |
| Fosfatos de cálcio | CaHPO4, Ca3(PO4)2 e fases relacionadas | Remoção e recuperação de fosfatos, produção de fertilizantes e tratamento biológico ou químico. | Águas residuais contendo fosfatos e lamas de tratamento; a precipitação depende do pH e das concentrações de cálcio e fosfato. |
| Hipoclorito de cálcio | Ca(OCl)2 | Desinfeção de água potável, piscinas e águas de processo. | Água durante e após a dosagem de hipoclorito; o cálcio resultante pode contribuir para a dureza ou para a formação de depósitos em alguns sistemas. |
Solubilidade e química do cálcio
A solubilidade dos compostos de cálcio varia consideravelmente. O cloreto de cálcio e o nitrato de cálcio são facilmente solúveis, enquanto o carbonato de cálcio, o fluoreto de cálcio e muitos minerais de fosfato de cálcio são pouco solúveis em condições normais. O sulfato de cálcio tem solubilidade limitada, que varia com a temperatura e a composição da solução. Estas são comparações gerais, não limites fixos para águas de processo reais.
Nas águas naturais, o dióxido de carbono pode ajudar a dissolver minerais carbonatados, produzindo cálcio e bicarbonato em solução. Alterações do pH, da temperatura, da pressão ou do dióxido de carbono dissolvido podem deslocar este equilíbrio e provocar a precipitação de carbonato de cálcio. A concentração de uma corrente de água também pode aproximar o sulfato de cálcio ou outros minerais da saturação. Nas salmouras, a força iónica e as interações entre iões afetam as atividades relevantes, pelo que os valores de solubilidade em água pura, por si só, não são suficientes para prever a formação de incrustações.
A dureza cálcica é frequentemente expressa em miligramas por litro, em equivalente de carbonato de cálcio (mg/L as CaCO3). Trata-se de uma convenção para expressar a dureza em termos equivalentes, não de uma afirmação de que todo o cálcio dissolvido se encontra sob a forma de carbonato de cálcio. A calculadora de incrustação e solubilidade do carbonato de cálcio e a calculadora de incrustação e solubilidade do sulfato de cálcio fornecem comparações ilustrativas; não substituem uma análise completa da água nem um modelo de processo validado.
Soluções de separação, purificação e concentração
A Lenntech pode avaliar opções de tratamento para águas que contêm compostos de cálcio. O processo adequado depende da composição da água, da qualidade pretendida, do objetivo de recuperação, do potencial de formação de incrustações e da gestão dos resíduos. As opções abaixo são abordagens possíveis; nenhuma tecnologia é adequada para todas as correntes.
| Desafio no tratamento de água | Possível opção de processo | Considerações para a seleção |
|---|---|---|
| Dureza da água de abastecimento público, de serviços auxiliares ou de processo | Abrandamento com cal ou permuta iónica | O tratamento com cal pode precipitar carbonato de cálcio; a permuta iónica no ciclo do sódio troca cálcio e magnésio por sódio e gera uma salmoura de regeneração. |
| Cálcio e outros iões dissolvidos na água de alimentação | Nanofiltração (NF), osmose inversa (RO) ou eletrodiálise reversa (EDR) | A NF reduz frequentemente de forma preferencial os iões divalentes, enquanto a RO e a EDR apresentam características de separação diferentes. A recuperação é limitada pela saturação, pelo pré-tratamento, pelas condições de operação e pela gestão do concentrado. |
| Risco de formação de incrustações de carbonato de cálcio ou sulfato de cálcio | Análise da água e avaliação do risco de incrustação, seguidas, quando adequado, de abrandamento, ajuste do pH ou da alcalinidade, dosagem de anti-incrustante ou uma estratégia de operação com menor recuperação | A medida de controlo adequada depende da fase mineral e da composição química da corrente. Um índice de incrustação, por si só, não constitui uma avaliação completa para o projeto. |
| Precipitados que contêm cálcio ou correntes ricas em fosfato | Precipitação seletiva seguida da separação dos sólidos; a cristalização pode ser avaliada quando a recuperação for apropriada | É necessário avaliar a química da precipitação, as propriedades das lamas, as concentrações residuais e a qualidade do produto para a corrente específica. |
| Salmouras concentradas ou correntes residuais | Concentração adicional por membranas ou opções de descarga líquida zero (ZLD) e cristalização | A procura de energia, o controlo das incrustações, a seleção dos materiais e a qualidade e o manuseamento dos sólidos recuperados influenciam a viabilidade. |
Impacto operacional e requisitos
O cálcio dissolvido contribui para a dureza da água. Dependendo da alcalinidade, do pH, da temperatura e de outros iões, o cálcio pode contribuir para a formação de depósitos em tubagens, permutadores de calor, caldeiras e sistemas de membranas. A dureza também pode afetar o consumo de sabão e as especificações da água de processo. O cálcio é um nutriente essencial e a água potável pode contribuir para a sua ingestão alimentar; os requisitos aplicáveis dependem da jurisdição e da utilização prevista.
Para a rega e a reutilização industrial, o cálcio deve ser considerado em conjunto com a salinidade, o sódio, o magnésio e a aplicação prevista. Nos sistemas de tratamento, a remoção de cálcio pode exigir atenção ao controlo da corrosão, à estabilização, à gestão do concentrado ou das lamas e ao efeito do tratamento noutros parâmetros de qualidade da água.
Desenvolvimento de uma solução de tratamento
Uma análise representativa da água ajuda a identificar as espécies de cálcio, os riscos de incrustação e as vias de tratamento adequadas. Quando apropriado, os ensaios laboratoriais e a validação à escala piloto permitem avaliar o desempenho em condições de operação representativas antes da escolha de um projeto à escala real. A avaliação da viabilidade do processo da Lenntech descreve esta abordagem de avaliação.
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Para discutir a composição de uma água ou salmoura específica, contacte a Lenntech através de info@lenntech.com.
Fontes e leituras complementares
- U.S. Geological Survey: Dureza da água.
- U.S. Geological Survey: Constituintes e propriedades das águas subterrâneas.
- U.S. Geological Survey: Solubilidades da calcite, aragonite e vaterite em soluções de CO₂–H₂O.
- PubChem: Cloreto de cálcio.
- PubChem: Sulfato de cálcio.
- Organização Mundial da Saúde: Dureza da água potável.