Como calcular a condutividade elétrica a partir da TDS?

Você sabia que o Mar Morto possui uma condutividade elétrica (CE) de 200.000 µS/cm? É o corpo d'água natural mais condutivo do mundo. A salinidade do Mar Morto ultrapassa os 34%. Os sais presentes no Mar Morto causam altos níveis de sólidos totais dissolvidos (STD) e alta condutividade elétrica (CE), estabelecendo uma estreita relação entre eles. Este artigo explorará como esses termos se relacionam e como os sensores de condutividade elétrica podem calculá-los.

Nosso objetivo é desenvolver uma compreensão profunda da condutividade elétrica (CE) e dos sólidos totais dissolvidos (STD), parâmetros críticos para todas as principais indústrias que utilizam água em seus processos. A medição da CE e dos STD em um ambiente industrial exige uma estimativa rápida que forneça resultados o mais próximos possível dos valores reais. Os sensores de CE oferecem um método confiável e rápido para calculá-los. Em contrapartida, métodos de maior precisão e exatidão são trabalhosos e demorados. Este artigo explorará todas as opções disponíveis para calcular a condutividade elétrica a partir dos STD e vice-versa, começando por como a CE representa a qualidade da água.

1. Relação entre a qualidade da água e a condutividade elétrica

A água é essencial para a vida e um material vital para as indústrias. Os mecanismos da vida humana e da Terra giram em torno da água. Ela é uma fonte de hidratação para todos os organismos vivos e um solvente universal igualmente crucial para os processos químicos.

Considerando a ampla gama de usos da água, a definição de qualidade da água varia de acordo com a aplicação. Enquanto o consumo humano de água com condutividade elétrica entre 100 e 500 ppm é seguro, a fabricação de chips utiliza água com condutividade elétrica de 1 ppm, precisamente controlada por sensores, o que a torna praticamente incondutiva. Este artigo explicará por que a fabricação de chips exige água com condutividade elétrica tão baixa. Primeiramente, precisamos entender as definições básicas.

1.1. Compreendendo os Sólidos Totais Dissolvidos (STD)

O termo TDS (sólidos totais dissolvidos) é mais relevante para a água utilizada por organismos vivos. Organizações como a OMS (Organização Mundial da Saúde) fornecem diretrizes abrangentes sobre água potável segura para consumo humano. Da mesma forma, o uso de sensores de condutividade elétrica para estimar o TDS em aplicações industriais é fundamental para garantir a operação segura e evitar incrustações ou corrosão.

1.1.1. Definição e composição do TDS

O TDS representa a quantidade de sólidos orgânicos e inorgânicos na água. Estes podem ser minerais, sais, metais e outros íons. O TDS é expresso em miligramas por litro (mg/L) ou ppm (partes por milhão).

Um sensor de condutividade elétrica pode fornecer o TDS (sólidos totais dissolvidos) usando uma fórmula de conversão. No entanto, a fórmula varia de acordo com o tipo de líquido, sendo necessária uma avaliação cuidadosa do mesmo. Um método mais preciso e exato consiste em evaporar a água de uma amostra de 0,1 litro e pesar os minerais residuais deixados na superfície.

1.1.2 . Fontes de TDS na água

Existem diversas fontes de TDS (sólidos totais dissolvidos) na água. Algumas ocorrem naturalmente, enquanto outras resultam da poluição industrial ou de processos. Aqui estão os detalhes:

• Escoamento urbano: Durante a estação chuvosa, a água que escoa pelas cidades pode conter derivados de petróleo, fertilizantes, pesticidas, metais, sais e outras substâncias. Esses elementos contribuem para o aumento do TDS (sólidos totais dissolvidos) na água.
• Efluentes industriais: Os processos industriais podem exigir a adição de produtos químicos que aumentam o TDS (sólidos totais dissolvidos) da água. Por exemplo, corantes sintéticos, metais pesados, sais, sólidos em suspensão, ácidos, álcalis e microfibras podem aumentar o TDS em efluentes de fábricas de vestuário.
• Tubulação: Em instalações hidráulicas, os componentes, incluindo tubos e conexões, podem contribuir para o aumento dos níveis de TDS (sólidos totais dissolvidos), especialmente tubulações metálicas, que podem liberar óxidos metálicos devido à natureza corrosiva da água.
• Água do mar: A água do mar é uma vasta massa de água com alto teor de sal. O nível médio de TDS (sólidos totais dissolvidos) na água do mar é de 35.000 ppm.
• Irrigação e Agricultura: Fertilizantes e pesticidas podem adicionar nitratos e fosfatos, comuns em terras agrícolas. Algumas irrigações podem utilizar água de poço, o que pode aumentar o teor de sal no solo, contribuindo assim para o aumento do TDS (sólidos totais dissolvidos) da água.

1.2 . Condutividade Elétrica (CE) Explicada

A condutividade elétrica (CE) também varia conforme a quantidade de sólidos inorgânicos ou orgânicos na água. Um maior teor de sólidos, como metais, sais e íons, pode contribuir para o aumento da CE, tornando-a um método confiável para avaliar a qualidade da água.

1.2.1 . Definição e Medição da CE

A condutividade elétrica é a capacidade de um material conduzir eletricidade. É expressa em microsiemens por metro (mS/m). Materiais que podem conduzir eletricidade são chamados de condutores. A água, em sua forma mais pura, não é condutora. No entanto, a adição de sólidos dissolvidos a torna condutora.

A condutividade elétrica pode ser medida usando sensores de condutividade elétrica (CE), que podem ser portáteis ou instalados em linha para medição contínua. Esses sensores podem ter eletrodos separados por 1 cm e conduzem pequenas correntes através do líquido. O medidor mede a resistência entre as sondas, que está diretamente relacionada à condutividade do líquido.

1.2.2 . Fatores que afetam a CE

O sensor de condutividade elétrica pode fornecer valores variáveis ​​dependendo das condições do líquido. As moléculas e seu comportamento podem mudar devido às diferentes propriedades químicas e físicas. Aqui estão alguns fatores que podem afetar a condutividade elétrica:

• Temperatura: À medida que a temperatura de um líquido, como a água, aumenta, a condutividade elétrica também aumenta. A taxa de aumento é de 2% por °C. Portanto, sensores de condutividade elétrica ou programas de controle incorporam compensação de temperatura para leituras precisas.
• Concentração de íons: A CE pode aumentar se a concentração de íons aumentar devido aos fatores mencionados. Alguns exemplos são a presença de Na⁺, Cl⁻, Ca²⁺, Mg²⁺ e SO₄²⁻ na água.
• Matéria orgânica: A adição de óleo e substâncias orgânicas à água pode diminuir sua condutividade elétrica, pois esses materiais não são condutores.
• Efeitos geológicos: A água que passa por calcário e rochas pode absorver cálcio e bicarbonato, alterando sua condutividade elétrica.
• Limitações do instrumento: A polarização da sonda e a interferência também podem afetar o valor da CE. Os instrumentos modernos eliminam imprecisões utilizando métodos de conversão de frequência.

1.3. Correlação entre TDS e CE

O tema central do nosso artigo é que TDS e EC estão intimamente relacionados. Esses termos podem ser convertidos usando uma fórmula simples. No entanto, o fator de conversão pode variar dependendo de diversos fatores.

1.3.1 . Relação direta: Mais íons, maior CE e TDS

Você pode ter estabelecido uma relação direta entre CE e TDS. À medida que a condutividade elétrica aumenta, o TDS também aumenta. Em casos como águas residuais e escoamento urbano, a matéria orgânica pode aumentar o TDS enquanto a CE começa a diminuir. Na maioria dos ambientes industriais, a adição de sólidos é controlada; portanto, a correlação também está bem estabelecida para resultados precisos.

1.3.2 . Limitações da Correlação (Tipo de Água, Tipos de Íons)

Antes de analisarmos a correlação entre TDS e CE, é fundamental compreender suas limitações. A correlação pode fornecer resultados rápidos e precisos se as limitações não representarem um risco de erro.

• Fator de conversão: O fator de conversão varia de acordo com a presença de íons na água. Portanto, a correlação não se resume a uma simples multiplicação ou divisão pelo mesmo número em todos os casos.
• Nem todos os sólidos conduzem eletricidade: Sólidos solúveis, como açúcares, álcoois, óleos e matéria orgânica, podem aumentar o TDS (sólidos totais dissolvidos), mas podem causar uma diminuição na CE (condutividade elétrica). Portanto, a correlação é válida para cenários específicos.
• A temperatura afeta a condutividade elétrica (CE), mas não o total de sólidos dissolvidos (TDS): Conforme a temperatura de um líquido ou da água aumenta, a CE também aumenta, mas o TDS permanece o mesmo, pois nenhum sólido é adicionado ao líquido.
• Tipos de íons: a presença de diferentes tipos de sólidos pode ter efeitos variados na CE. Alguns íons podem afetar a CE mais do que outros.
• Salinidade e TDS: Em água limpa, o TDS é igual à salinidade, pois os sais são os únicos sólidos presentes. No entanto, em água poluída, a presença de sólidos orgânicos pode alterar os valores de salinidade e TDS.
• Sólidos em suspensão não alteram a CE: Sólidos em suspensão, como sedimentos, argila e plásticos, aumentam a presença de sólidos, mas não afetam a CE, invalidando assim a correlação.

2. Como calcular a condutividade elétrica a partir da TDS?

2.1 . O Fator de Conversão

Converter TDS em condutividade elétrica requer um fator de conversão. Como discutimos anteriormente, essa fórmula tem limitações. A relação permanece válida se a condutividade elétrica e o TDS estiverem diretamente relacionados. No entanto, ainda precisamos ter uma ideia aproximada da natureza da água.

2.1.1 . Compreendendo o Fator K (Valores Típicos)

O fator K na fórmula de conversão utiliza a natureza diretamente proporcional da CE e do TDS. A maioria dos medidores de TDS são sensores de CE que verificam a condutividade elétrica do líquido e aplicam uma fórmula de conversão para fornecer o resultado em ppm ou ml/g.

2.1.2 . Variações no fator K com base no tipo de água

O valor do fator K varia de acordo com o tipo de água. Aqui estão alguns exemplos:

• Água do mar (~0,5 K) → Mais NaCl conduz eletricidade de forma eficiente.
• Água subterrânea (~0,65 K) → Contém Ca e Mg, que conduzem menos eficientemente.
• Água pura (~0,7 K) → Menos sais, mais bicarbonatos e matéria orgânica.

2.2 . A Fórmula

CE (µS/cm) = TDS (ppm) / Fator de Conversão (K)

A fórmula simplesmente divide o TDS por um fator de conversão, resultando na CE. A maioria dos sensores de CE possui essa fórmula incorporada em seu hardware ou software. O software pode ajustar o fator de conversão com base em valores de outros sensores para obter valores mais precisos.

2.3. Considerações para um Cálculo Preciso

Como mencionado anteriormente, alguns fatores podem afetar a conversão. Devemos garantir a compensação adequada das leituras do sensor de condutividade elétrica para um cálculo preciso. Aqui estão os dois principais fatores que podem afetar a precisão:

2.3.1 . Compensação de temperatura

A condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura, enquanto o TDS permanece o mesmo. Nesse caso, o valor do fator de conversão (K) precisa diminuir para garantir que a relação entre TDS e CE seja precisa.

2.3.2 . Calibração de instrumentos de medição

Sensores de condutividade elétrica requerem calibração. Cada fabricante pode usar frequências de calibração diferentes, ou o usuário pode definir uma frequência para garantir a precisão dos resultados. A calibração pode ser feita usando diferentes lotes de solução padrão com condutividade elétrica variável e TDS conhecido. Isso verificará o desempenho e permitirá a calibração do equipamento. O sensor de condutividade elétrica deve fornecer o mesmo valor que a condutividade elétrica da solução conhecida.

3. Processo de Cálculo

3.1 . Medição da Condutividade Elétrica

O primeiro passo para calcular a condutividade elétrica a partir da TDS é medir a CE usando um dos dois métodos:

3.1.1 . Utilizando um medidor de CE

Os medidores de condutividade elétrica (CE) podem ser de uso industrial ou doméstico. Dependendo do modelo, podem ter uma sonda removível ou integrada. Fornecem leituras diretas com um visor. A mistura deve estar homogênea e a amostra deve representar todo o lote. Basta inserir a sonda e seguir as instruções do manual do sensor de CE para obter os resultados.

3.1.2. Utilizando um sensor de condutividade elétrica online

Um sensor de condutividade elétrica online é a maneira mais rápida e eficiente de monitorar e controlar um processo. Os sensores de CE mais modernos possuem compensação de temperatura e utilizam o método de conversão de frequência para resultados precisos. Eles também consideram a polarização do eletrodo e interferências externas que podem afetar as leituras. Suas saídas são geralmente sinais analógicos (4-20 mA) ou digitais (RS485) com uma faixa de detecção de 0 a 200.000 µS/cm. Uma única sonda pode fornecer leituras de CE, salinidade e TDS (sólidos totais dissolvidos). Esses sensores são ideais para plantas de processo, tratamento de efluentes, estações de tratamento de água ou qualquer outra indústria que exija monitoramento e controle online.

3.2 . Selecionando o Fator de Conversão Adequado

Como mencionado anteriormente, selecionar o fator de conversão apropriado garante resultados precisos. Aqui estão os fatores a serem considerados:

3.2.1 . Determinação do tipo de água e da composição iônica

Determine o tipo de água: água do mar, água subterrânea ou água pura. Utilize o fator de conversão adequado com base na observação.

3.2.2 . Consultar tabelas de referência e diretrizes

Consulte a tabela a seguir para obter o fator de conversão correto:

3.3 . Realização do Cálculo e Interpretação

Por fim, você pode aplicar a fórmula para obter o TDS ou EC necessário. Se o seu sensor de EC fornecer condutividade, converta-a em TDS; caso contrário, se o seu medidor de TDS fornecer ppm, você pode convertê-lo facilmente em µS/cm.

4. Usos do sensor de condutividade elétrica/EC

4.1 . Monitoramento da Qualidade da Água

4.1.1 . Avaliação da Qualidade da Água Potável

Os valores de CE e TDS devem ser medidos para garantir a segurança da água potável. A OMS recomenda um TDS de 300 partes por milhão (ppm) e um nível de condutividade elétrica (CE) inferior a 400 microsiemens por centímetro (µS/cm).

4.1.2 . Monitoramento de Efluentes Industriais

Os resíduos industriais podem conter contaminantes perigosos para os seres vivos. O monitoramento online pode ajudar a combater a entrada de poluentes de forma direta. Em indústrias como a de vestuário e mineração, o monitoramento online com sensores de condutividade elétrica (CE) é essencial.

4.1.3 . Monitoramento Ambiental (Rios, Lagos)

No caso de lagos e rios, que se tornam fontes de água para os seres vivos, o monitoramento da condutividade elétrica (CE) e dos sólidos totais dissolvidos (STD) pode fornecer informações úteis. Garantir que a água seja segura para consumo requer medições, que os sensores de CE podem realizar de forma rápida e precisa. No entanto, ainda precisamos considerar os critérios de seleção do fator de conversão.

4.2 . Agricultura e Hidroponia

4.2.1 . Gestão da Solução Nutritiva

Na agricultura, o monitoramento dos nutrientes em uma solução para melhorar o crescimento das plantas pode trazer benefícios financeiros e para a saúde. O uso de TDS (sólidos totais dissolvidos) e CE (condutividade elétrica) para garantir a mistura adequada de nutrientes para o solo agrícola pode resultar em altas produtividades. Sensores e medidores de CE podem ajudar a gerenciá-los de forma eficaz.

4.2.2 . Medição da salinidade do solo

A salinidade do solo é medida usando um medidor de salinidade, um componente inerente aos sensores de condutividade elétrica (CE). O método moderno de conversão de frequência permite que o sensor de CE detecte sólidos totais dissolvidos (STD), CE e salinidade, modificando ligeiramente os métodos e fórmulas de cálculo.

4.3 . Aplicações Industriais

4.3.1 . Monitoramento da água da caldeira

As caldeiras em usinas de energia industrial necessitam de água de alimentação de alta qualidade. Altas concentrações de solventes dissolvidos podem causar a formação de bolhas, prejudicando a eficiência e a vida útil da caldeira. Portanto, sensores de condutividade elétrica (CE) na linha de alimentação de água são essenciais para o monitoramento da saúde da planta.

4.3.2 . Controle de Processos Químicos

Indústrias como a têxtil, de tingimento, de bebidas e de molhos precisam de medidores de CE (condutividade elétrica) e TDS (sólidos totais dissolvidos) para monitorar seus processos. Qualquer alteração nos valores de CE e TDS pode levar a variações na produção, resultando em alto desperdício e operação ineficiente.

Considerações finais: Cálculo da condutividade elétrica (CE) a partir do total de sólidos dissolvidos (TDS) usando sensores de CE.

O cálculo da condutividade elétrica (CE) e dos sólidos totais dissolvidos (STD) requer um medidor de CE ou um sensor de CE online. O valor obtido pode ser convertido em STD e vice-versa. No entanto, o usuário precisa incorporar todos os fatores que podem afetar o fator de conversão na fórmula. Fatores como temperatura, íons, tipo de sólido, tipo de água, matéria orgânica, etc., são vitais para serem considerados antes de se fazer qualquer aproximação. Finalmente, após incluir e compreender todos os fatores, o usuário pode utilizar a fórmula com segurança para obter a conversão desejada de CE a partir de STD usando um sensor de CE simples.

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