O principal papel da coagulação é a agregação de colóides e pequenas partículas, e adsorção de matéria orgânica dissolvida a esses agregados, para posterior remoção através de sedimentação ou flotação e filtração. Conforme Di Bernardo (1993), os mecanismos envolvidos na coagulação dependem fundamentalmente das características das águas, avaliadas em termos de pH, alcalinidade, cor, turbidez, temperatura, mobilidade eletroforética, força iônica, sólidos totais dissolvidos, distribuição de tamanhos das partículas em estado coloidal e em suspensão, pode-se ter uma sensibilidade ou conhecimento dos prováveis mecanismos que possam ocorrer durante o processo. Para Richter (2009), sem o envolvimento de produtos químicos auxiliares o processo de coagulação, usado na maioria das estações de tratamento, não poderia ter êxito. Jiang e Graham (1998) destacam o cloreto férrico ou sulfato de alumínio como os coagulantes mais utilizados. Ressalta-se, porém, que as espécies de hidróxidos metálicos envolvidas na coagulação somente são formadas durante ou logo após a mistura desses sais na água a ser tratada. Quando adicionados à água os íons de alumínio ou ferro se hidrolisam formando espécies monoméricas e poliméricas ou
precipitados sólidos. Al13O4(OH)247+ é a espécie polimérica considerada mais estável e efetiva
para a neutralização de cargas. O uso de sulfato de alumínio ou cloreto férrico apresenta como principal dificuldade a impossibilidade de se controlar as espécies coagulantes formadas. A pré-hidrolisação parcial dos sais permite a otimização da formação de espécies poliméricas que são efetivas em uma ampla faixa de pH e para diversas características da água bruta.
Libânio (2005) explica que a coagulação é obtida pela conjunção de ações físicas e reações químicas durando poucos segundos, entre o coagulante – usualmente um sal de alumínio ou de ferro - a água e as impurezas presentes, provocando a desestabilização das partículas coloidais e suspensas consistindo essencialmente na coagulação. Os íons metálicos de ferro e alumínio, positivamente carregados, quando se fazem presentes na solução aquosa, formam fortes ligações com os átomos de oxigênio podendo coordenar até seis moléculas de
água ao redor, liberando os átomos de hidrogênio (aumentando a concentração de íons H+) e
reduzindo o pH da suspensão. Esse processo denomina-se hidrólise, e os produtos formados constituem-se as espécies hidrolisadas de ferro e alumínio, podendo culminar, em virtude da
dosagem, no precipitado de hidróxido do metal. Posteriormente, verifica-se o transporte dessa espécie para o contato com as impurezas presentes, etapa denominada de mistura rápida, causando – devido à magnitude da dosagem e ao pH de coagulação – sua desestabilização ou envolvimento nos precipitados. Em seguida, com a aproximação e colisão das partículas desestabilizadas, há formação dos flocos, os quais podem ser removidos por sedimentação, flotação ou filtração. Desta forma, a turbidez é especialmente removida seguida da matéria orgânica coloidal, substâncias tóxicas de origem orgânica e inorgânica, e outras passíveis de conferir odor e sabor à água, micro-organismos em geral e os precursores da formação de trihalometanos elevando-se a qualidade da água distribuída.
Richter (2009) enfatizou duas fases intercaladas compreendendo o processo de coagulação. Numa se tem a coagulação, propriamente dita, onde a adição de coagulantes químicos tem a finalidade de reduzir as forças que mantêm separadas as partículas em suspensão e, num segundo momento da fase da coagulação, a floculação, onde é promovida a colisões entre as partículas previamente desestabilizadas na coagulação, por efeito de transporte de fluido, dando origem a partículas maiores, visíveis a olho nu, que são os flocos. Na Figura 3 estão resumidos de forma esquemática os mecanismos predominantes na coagulação com sulfato de alumínio, representando a adsorção das espécies hidrolíticas solúveis pelo colóide e sua desestabilização, bem como a coagulação por arrasto, na qual o colóide é entrelaçado pelo precipitado de hidróxido.
Figura 3 - Reações de coagulação com sais de Al.
A ação de quatro mecanismos distintos: compressão da camada difusa, adsorção neutralização de cargas, varredura e adsorção-formação de pontes compreende a coagulação. Existem algumas espécies químicas capazes de serem adsorvidas na superfície das partículas coloidais e, se estas possuírem carga contrária à da superfície dos colóides, poderá haver uma desestabilização dos mesmos. Tal mecanismo é muito importante quando o tratamento é realizado por meio das tecnologias de filtração direta, pois não há a necessidade da produção de flocos para posterior sedimentação e sim de partículas desestabilizadas, que serão removidas no meio filtrante (DI BERNARDO et al., 2002; DI BERNARDO, 1993). Os mecanismos adequados adsorção-neutralização de cargas e, quando se utiliza polímero, o da adsorção-formação de pontes estão presentes nas tecnologias de tratamento por filtração direta (DI BERNARDO et al., 2003).
De acordo com Di Bernardo (1993), em função da dosagem de coagulante, do valor do pH da mistura e da concentração de alguns tipos de íons da água, a formação de precipitados vai ocorrer. As partículas coloidais presentes comportam-se como núcleos de condensação para esses precipitados, que, desta forma, são removidas por sedimentação. Na coagulação com sais de alumínio e ferro, podem ser formadas, entre outras, as seguintes
espécies de precipitados gelatinosos: Al(OH)3 (p) e Fe(OH)3 (p).
Sulfato de alumínio, cloreto férrico e sulfato férrico têm características ácidas que causam alterações no valor do pH após a adição do coagulante. O nível de variação depende da alcalinidade, que é uma medida do tamponamento do pH de uma solução. Este tamponamento é dominado pelas espécies de carbonos inorgânicos dissolvidos (carbonatos e bicarbonatos). Uma água com alta alcalinidade será efetivamente tamponada e exibirá um limitado decaimento dos valores de pH após a adição do coagulante, enquanto uma fonte com baixa alcalinidade terá os seus valores de pH sensivelmente alterados (BUDD et al., 2004).
Budd et al. (2004) realizaram ensaios de “jar-test” com diversas amostras de água bruta de estações de tratamento de água dos Estados Unidos. A aferição da eficiência na formação dos flocos foi medida em termos de turbidez remanescente do sobrenadante. De acordo com Licskó (1997 apud SALES, 2005), a eficiência da coagulação e da floculação nos processos de tratamento de águas de superfície depende basicamente do tipo e da velocidade
de interação entre os íons Fe3+ e Al3+ e os produtos da hidrólise dos sais coagulantes com as
estabilidade da dispersão coloidal é o resultado, em princípio, de um dos seguintes processos, ilustrados pela Figura 4 para o caso de um sal de alumínio:
a) os íons Fe3+ e Al3+ adicionados à água são atraídos para a superfície dos
colóides, carregados negativamente, diminuindo as forças de repulsão eletrostática e permitindo a agregação das partículas;
b) a hidrólise parcial dos íons Fe3+ e Al3+ produzem hidróxidos metálicos
complexos carregados positivamente que se ligam às partículas dissolvidas carregadas negativamente, reduzindo a carga superficial dos colóides virtualmente a zero.
c) a hidrólise dos íons Fe3+ e Al3+ produzem durante um breve período de tempo
sais de hidróxidos metálicos que contém água e apresentam carga positiva. Durante parte de sua formação, em que os sais são menores que as partículas coloidais, ocorrem a adsorção dos hidróxidos pelos colóides, diminuindo a carga elétrica negativa da superfície das partículas dissolvidas.
d) os produtos da hidrólise dos íons Fe3+ e Al3+ agregam-se rapidamente,
formando flocos que, devido ao seu tamanho, aprisionam e arrastam as partículas coloidais a serem removidas (coagulação por varredura).
Figura 4 - Mecanismos da coagulação
O processo de mistura rápida tem papel fundamental na desestabilização das partículas, pois leva a dispersão rápida e uniforme do coagulante químico, anteriormente, introduzido à água a ser tratada. Ressalta-se, porém, que na floculação, deve ser promovida a mistura lenta, por proporcionar choques entre os coágulos formando aglomerados ou flocos, que podem sedimentar, flotar ou serem retirados por filtração (JOHNSON et al., 1983).