Avaliação da formação de tri-halometanos em processos de cloração de água e estudo do efeito do pré tratamento fundamentado no uso de radiação ultravioleta

Abstract

Resumo: As operações de desinfecção de água são necessárias para garantir a segurança sanitária da distribuição. Contudo, a reação entre os desinfetantes químicos e a matéria orgânica natural, presente nas águas de captação, leva à geração de subprodutos indesejáveis, alguns dos quais de reconhecido efeito tóxico. No caso da desinfecção fundamentada no uso de cloro destaca-se a geração de tri-halometanos (THM), espécies detectadas na água de consumo desde a década de 1970. Em função desta constatação, grandes esforços têm sido dedicados à proposta de métodos alternativos de desinfecção, incluindo sistemas de pré-tratamento fundamentados no uso de radiação, tipicamente ultravioleta. O principal objetivo deste trabalho consistiu em estudar a formação de THM em processos de cloração envolvendo um substrato modelo (ácido húmico) e verificar o efeito de pré-tratamentos fundamentados no uso de radiação ultravioleta (UVC). O efeito de variáveis de relevância (concentração de ácido húmico e hipoclorito de sódio, presença de brometo, temperatura e pH) na geração de THM foi preliminarmente avaliado por um sistema de planejamento fatorial fracionário (25-1), estudo multivariado que permitiu verificar um efeito diferenciado destas variáveis na formação de cada um dos THM monitorados, assim como importantes efeitos de ordem superior que demonstram a complexidade destes tipos de reações. Nos estudos de cloração realizados na ausência de brometo foi constatada a formação de elevadas concentrações de clorofórmio (aproximadamente 80 g L-1), enquanto que na sua presença a formação de THM bromados foi preferencial, particularmente de bromofórmio (aproximadamente 50 g L-1). Os resultados observados na caracterização espectroscópica do ácido húmico durante a cloração sugerem que a reação é iniciada com o ataque do oxidante às estruturas aromáticas condensadas, o que provoca desestabilização da estrutura, quebra de anéis e formação de estruturas alifáticas mais estáveis. Um efeito similar foi observado nos pré-tratamentos fundamentados no uso de radiação UVC. Neste caso, entretanto, os resultados sugerem que a radiação promove a modificação das estruturas aromáticas, sem formação de estruturas alifáticas, e sim de estruturas condensadas, provavelmente com até 7 anéis. Esta modificação parece propiciar a diminuição de THM em processos de cloração realizados na ausência de brometo. Entretanto, parece favorecer a geração de THM bromados em processos realizados na presença de brometo. Em função destes resultados é possível concluir que os sistemas de potabilização de água não devam ser universalizados, em razão da geração de subprodutos de desinfecção ser extremamente dependente da natureza química das águas submetidas a tratamento. Palavras-chave: Ácido Húmico; Tri-halometanos; Planejamento fatorial; Radiação Ultravioleta; Pré-tratamento.

Abstract: Several disinfection procedures are necessary to warrant the sanitary security in potable water. However, some by-products with known potential toxicity are formed in the reaction between chemical disinfectants and natural organic matter present in water. The trihalomethanes (THM), which are formed during the chlorination (chemical disinfection based on oxidation with chlorine) were first detected in water in 1970. From these statements, alternative disinfection methods have been proposed including pretreatment systems based on radiation, typically ultraviolet. The aims of this work used to study the formation of four THM (chloroform, bromodichloromethane, dibromochloromethane and bromoform), during chlorination process using humic acid as model substrate and to verify the UVC radiation effect applied in chlorination pretreatment. Five variables' effects were studied in the formation of THM (humic acid and sodium hypochlorite concentration, bromide ion influence, temperature and pH) by a factorial fractional design (25-1). This multivariate study allowed the observation of some important superior-order-effects in each THM formation, showing the complexity of the process. It was observed that in the chlorination assays with the absence of bromide ion, chloroform was formed in high concentrations (about 80 g L-1). However, in the presence of bromide ion, bromated THM species were majority formed, particularly bromoform (about 50 g L-1). The spectroscopic characterization suggested that chlorination reaction begins with the attack of the oxidizing agent to the condensed aromatic structures, which are modified and the ring is destabilized, originating more stable aliphatic structures. A similar effect was observed in UVC radiation pre-treatment, although in this case the radiation promotes the modification of the aromatic structures and form condensed aromatics structures with up to seven rings. This modification provided the reduction of THM formation on assays carried out in the absence of bromide ion, whereas in the presence of bromide ion, it was observed the improvement of bromated THM formation. Accordingly, it was concluded that water treatment systems should not be universalized, due to dependence the generation of disinfection by-products on water's chemical nature. Key-words: Humic Acid; Trihalomethanes; Factorial Design; Ultraviolet Radiation; Pretreatment.