Com a utilização do processo de pré-oxidação em tratamento de águas ocorrem reações de oxidação e redução, onde existe um agente oxidante, com um ou mais átomos, que é reduzido e pelo menos um agente redutor, com um ou mais átomos que se tornam oxidados. A oxidação química é aplicada nesta fase de tratamento com intuito variado como o controlo de compostos causadores de odor e sabor, proteção do processo de tratamento ao crescimento biológico, remoção de ferro e manganês, diminuição da cor, controlar a algas no processo e aperfeiçoar o processo de coagulação. Este processo é utilizado à cabeça do processo de tratamento previamente ou em conjunto com a fase de mistura rápida, observa-se uma influência positiva em alguns casos de tratamento. A causa deste benefício aos processos subsequentes de tratamento, a coagulação, floculação, sedimentação e filtração, ainda não é claro e pode ser devido a varias casos tais como a oxidação de compostos orgânicos em formas mais polares, a oxidação de iões metálicos produzindo complexos insolúveis, tais como complexos de ferro e a mudança na estrutura e tamanho das partículas suspensas [65].
Apesar dos mecanismos envolvidos neste processo ainda não serem totalmente claros, existem vários estudos que comprovam o benefício deste processo de pre-oxidação, contrariamente alguns negam qualquer benefício. A performance dos processos subsequentes à pre-oxidação pode aumentar e é completamente dependente das características da água em causa e das condições de operação que variam de caso para caso. Em alguns tipos de água a pré-oxidação pode melhorar substancialmente a performance da coagulação e floculação [66].
Os pré-oxidantes mais utilizados são o cloro, dióxido de cloro, ozono e permanganato de potássio. Grande parte dos estudos são conduzidos com o uso de ozono e não com cloro devido ao problema relacionado com a formação de subprodutos. O cloro foi o oxidante escolhido para a realização dos ensaios de coagulação floculação com pré-oxidação. A escolha sobre este incidiu devido a vários fatores com a sua facilidade de aplicação e disponibilidade. O cloro é o oxidante e desinfetante amplamente usado na prática de tratamento de águas. Este encontra-se disponível em várias formas tais como: na forma gasosa como Cl2, concentrado em soluções aquosas como hipoclorito de sódio (NaOCl),
No caso da adição de cloro na forma gasosa à água ele rapidamente forma o ácido hipocloroso (HOCl) e o ião cloreto (Cl-) como descrito na Eq. 19. O ácido hipocloroso é um ácido fraco e dissocia-se facilmente no ião hipoclorito (OCl -) representado na Eq. 20.
Eq. 19
Eq. 20
As espécies formadas pela adição de cloro na água são o ácido hipocloroso (HOCl) e o ião hipoclorito (OCl -), a sua distribuição irá ser determinada pelo pH, temperatura e a concentração total de cloro. A soma das três espécies Cl2, HOCl e OCl – é normalmente
referido como o cloro livre disponível e a sua concentração expressa em mg/L como Cl2.
Na Figura 2.16 é visível a distribuição do cloro molecular, ácido hipocloroso e ião hipoclorito em função do pH.
Figura 2.16 – Diagrama de distribuição do cloro molecular, ácido hipocloroso e ião hipoclorito na água em função do pH [2].
O ácido hipocloroso e o ião hipoclorito são ambos agentes oxidantes fortes, mas o ácido hipocloroso consegue ser o mais forte de ambos. Devido a isto as reações de oxidação tendem a ser mais eficazes para valores de pH mais baixos [2].
Um dos resultados indesejados da oxidação da água são os subprodutos produzidos. Alguns destes compostos têm vindo a ser considerados cancerígenos ou causadores de efeitos adversos ao nível do desenvolvimento e de reprodução. Os subprodutos da utilização do cloro incluem uma vasta gama de compostos orgânicos halogenados e não halogenados. Os que apresenta um maior foco da comunidade cientifica são os compostos halogenados, mais concretamente os trihalometanos e os ácidos haloacéticos [67].
A aplicação da pre-oxidação na fase de tratamento em águas superficiais como auxiliar dos processos de coagulação de floculação já foi observada positivamente. Uma dosagem adequada muito contribui para a eficácia da coagulação e floculação, assim como a redução na dosagem do coagulante e auxiliar polimérico [68]. A dosagem total aplicada de pré-oxidante como auxiliar de coagulação deve estar numa faixa ótima de tratamento e estabelecida através de ensaios laboratoriais [66]. Ensaios laboratoriais realizados por West et al (1994) mostram que na utilização de dosagens abaixo de uma faixa ótima não contribui para uma coagulação eficiente, por outro lado uma dosagem acima conduzem a uma reestabilização do material particular e coloidal diminuindo a eficiência de material removido no decantador [66].
O fenómeno benéfico da pré-oxidação parece estar relacionado com o facto da maioria das partículas presentes na água bruta serem carregadas negativamente, isto devido a absorverem na sua superfície material orgânico. Este material orgânico em solução vai requerer uma elevada demanda de coagulante. Os mecanismos de coagulação e de floculação beneficiam com a oxidação de compostos orgânicos para formas mais polares, ficando assim as partículas menos estáveis e favorecendo a agregação, com a desadsorção destes compostos orgânicos. Ainda pode ocorrer a alteração da configuração dos compostos orgânicos adsorvidos e com isto sucede com maior eficácia a ligação do coagulante, tais como o alumínio e o ferro, à superfície da partícula. A oxidação de compostos orgânicos em solução tende a formar grupos funcionais de ácido carboxílico que formam ligações com metais, tal como o cálcio, resultando na precipitação direta. Na oxidação destes compostos também pode ocorrer a libertação de ligações com matais, tal como o ferro, que pode vir a assistir na coagulação de material particulado pelos mecanismos convencionais [2].