Evaluation of the morphology and particle size distribution for distinct points of coagulation/flocculation diagram

Coagulation and flocculation are essential steps in the water treatment for public supply for the impurities removal. The knowledge of flocculent particle size distribution (PSD) and morphological characteristics is of great value to the understanding of the mechanisms that involve the flocs aggregation and subsequent removal. In this context, the present study has an objective the size distribution evolution and flocs structure monitoring formed in different chemical configurations (several pairs of pH of coagulation and coagulant dosage) during flocculation process in water with apparent high color (100 ± 5 uH), using aluminum sulphate as coagulant, from the laboratory simulation in Jar Test equipment submitted to eight shear rates (20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 and 120 s-1). Particle measurement was performed by digital image analysis technique obtained by non-intrusive and non-destructive method, consisting of light plane generated by a laser and high-resolution camera, enabling the direct assessment of growth and rupture flocs dynamics. The results of particles distribution by size range indicated that the chemical coagulation condition interferes in the PSD evolution, stating that the larger aggregates formation occurs faster in regions acknowledged by the charges neutralization mechanism. The gradual shear rate increase promoted the flocs breakage, carrying in the more concentrated distribution in the size ranges smaller, which was practically unchanged for flocculation gradients higher than 60 s-1. The fractal dimension (Df) varied between 1.49 and 1.95. The speed gradient increase in flocculation has tended to reduce the Df value, promoting less compact and more branched flocs. It was observed a Df gradual increase in the initial flocculation minutes for lower aluminum dosages settings and more acidic pH, suggesting that particles morphological structure is directly linked to the coagulation mechanism.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)A coagulação e floculação são etapas essenciais no tratamento de água para abastecimento público para a remoção das impurezas contidas. O conhecimento acerca da distribuição do tamanho de partículas (DTP) e suas características morfológicas é de grande valia para a compreensão dos mecanismos que envolvem a agregação e posterior remoção dos flocos. Neste contexto, o presente estudo teve como finalidade o acompanhamento da evolução da distribuição de tamanho e estrutura dos flocos formados em diferentes configurações químicas (diversos pares de pH de coagulação e dosagem de coagulante) durante o processo de floculação em águas com cor aparente elevada (100 ± 5 uH), utilizando-se sulfato de alumínio como coagulante, a partir da simulação laboratorial em equipamento de Jar Test submetida à oito gradientes de velocidade médio (20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 e 120 s-1). A mensuração das partículas foi realizada pela técnica de análise de imagens digitais obtidas por método não intrusivo e não destrutivo, constituído de plano de luz gerado por um laser e câmera fotográfica de alta resolução, possibilitando a avaliação direta da dinâmica de crescimento e ruptura dos flocos. Os resultados de distribuição de partículas por faixas de tamanho indicaram que a condição química de coagulação interfere na evolução da DTP, constatando que a formação de agregados maiores ocorre mais rapidamente em regiões compreendidas pelo mecanismo de varredura do que pela neutralização de cargas. O aumento gradual da taxa de cisalhamento promoveu a ruptura dos flocos, acarretando na distribuição mais concentrada nas menores faixas de tamanho, que foi praticamente inalterada para gradientes de floculação superiores a 60 s-1. A dimensão fractal (Df) variou entre 1,49 e 1,95. O aumento do gradiente de velocidade na floculação tendeu a diminuir o valor de Df, promovendo flocos menos compactos e mais ramificados. Foi observado um aumento gradual de Df nos minutos iniciais de floculação para configurações de dosagens de alumínio mais baixas e pH mais ácidos, sugerindo que a estrutura morfológica das partículas está diretamente ligada ao mecanismo de coagulação