Filtração de Agua com Resinas de Troca Iônica
O tratamento de agua quer para uso humano quer para uso industrial, requer tratamentos ou filtrações variaveis, de acordo com a necessidade. Alguns usos industriais exigem tratamentos mais cuidadosos e completos que o tratamento para uso humano (potabilidade). Empresas como a indústria farmacêutica demandam agua de alta qualidade e necessitam agua de alta pureza, com um polimento final e tirando todos os sais presentes. Em alguns casos se necessita retirar um metal pesado especifico dificilmente conseguido com tratamento usual. Agua de caldeira, por exemplo, precisa de retirada de dureza (calcio e magnésio) que poderia entupir a tubulação e reduzir a capacidade de funcionamento. Para estas aplicações mais específicas se desenvolveram as resinas de troca iônica (aniônica e catiônica) que retira estes íons da agua, seletivamente.
Resinas de troca iônica são grânulos que têm em sua estrutura molecular radicais acidos ou basicos passíveis de troca por outros íons em solução. Os íons positivos ou negativos fixos nestes radicais são substituídos pelos íons contaminantes na solução. A operação de troca iônica é a troca entre estes íons presentes (contaminantes) e íons sólidos presentes na resina.
As resinas de troca iônica podem ser tipo gel ou macro poros. A estrutura molecular é obtida por polimerização e a diferença apenas em porosidade. O tipo gel tem porosidade reduzida à distância intermolecular (micro poro) e o tipo macroporo é formada adicionando uma substância que produz o efeito.
As resinas de troca iônica podem ser monofuncionais, se tiverem apenas um tipo de radical, ou polifuncionais se a molécula tiver varios tipos de radicais intercambiaveis.
Resinas catiônicas de acido forte: são produzidas por sulfonação do polímero com acido sulfúrico, o grupo funcional é o acido sulfônico, -SO3H, estas resinas trabalham em qualquer pH, separam todas as sais e requerem de uma quantidade elevada de regenerante. Esta é a resina que é escolhida para quase todas as aplicações de abrandamento de agua.
A resina catiônica forte (em ciclo sódio) habitualmente utilizada nos abrandadores pode remover ferro e manganês quando presentes sob a forma iônica (dissolvida). No entanto, só se deve utilizar este método se as concentrações presentes forem reduzidas, tendo sempre o cuidado de eliminar qualquer contato com o ar (para evitar formação de precipitados). O sistema deve ser regenerado antes que atinja a exaustão da capacidade de troca iônica do leito de resinas. Existem dados de fabricantes que colocam o limite em 5ppm de ferro dissolvido (ou de ferro mais manganês).
Resinas catiônicas de acido fraco: O grupo funcional é um acido carboxílico -COOH, presente em um dos componentes, principalmente o acido acrílico ou metacrílico. Este tipo de resina é altamente eficiente e não precisa de uma quantidade elevada de regenerante, estas resinas tem uma menor capacidade de troca iônica devido à variação na velocidade do fluxo e a baixas temperaturas
Resinas aniônicas de base forte: São obtidas a partir da reação de estireno-DVB com aminas terciarias. O grupo funcional é uma sal de amônio quaternario. Os dois grupos principais destas resinas podem ser Tipo 1 (tem três grupos metilo) e as de tipo 2 (um grupo etanol substitui um dos grupos metil)
Resinas aniônicas de base fraca: Resinas funcionalizadas com grupos de amina primaria (NH4), secundaria(NHR), e terciaria (NR2). Podem ser aplicadas na adsorção de acidos fortes com boa capacidade, mas sua cinética é lenta. Resinas Quelantes, são seletivas, mas são pouco utilizadas por ser custosas e cineticamente lentas.
As resinas catiônicas e aniônicas fortes de leitos mistos
• polimento final da agua desmineralizada;
• reter os cations e os ânions que passam pelo sistema de osmose reversa;
• garantir os limites de especificações da agua para caldeiras.
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Tipos de Resinas:
- Catiônicas:
- Acido Forte: Contém grupos acidos sulfônicos e é utilizado para abrandamento de agua.
- Acido Fraco: Contém acido carboxílico (acido acrílico ou metacrílico) e é eficiente com menor necessidade de regenerante.
- Aniônicas:
- Base Forte: Contém grupos de amônio quaternario e é usado para remover ânions.
- Base Fraca: Funcionalizadas com grupos de amina primaria, secundaria e terciaria, aplicadas na adsorção de acidos fortes.
- Leitos Mistos:
- Resinas catiônicas e aniônicas fortes de leitos mistos são utilizadas para polimento final, retenção de cations e ânions após osmose reversa, e garantia de especificações para caldeiras.
- Catiônicas:
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Processo de Abrandamento:
- Utiliza resina catiônica forte em ciclo sódio.
- Troca íons de calcio e magnésio por íons de sódio, reduzindo a dureza da agua.
- A regeneração é necessaria quando a resina atinge a saturação.
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Regeneração:
- Estagios: Exaustão, Expansão, Regeneração e Enxague.
- Na regeneração, íons de calcio e magnésio captados são substituídos por íons de sódio.
Monitoramento e Manutenção:
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Detecção e Testes:
- Controle microbiológico.
- Determinação da capacidade de troca e eficiência de regeneração.
- Detecção de resina catiônica no leito de resina aniônica.
- Remoção de contaminação por óleo.
- Determinação da capacidade de retenção de agua.
- Avaliação da quebra de esferas de resinas.
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Vida Útil e Manutenção:
- Resinas de troca iônica podem durar mais de 10 anos com operação adequada.
- Deterioração natural e acelerada por agentes externos.
- Boas praticas operacionais são cruciais para a qualidade da agua produzida.
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Dimensionamento:
- O calculo do sistema de troca iônica depende das características da agua a ser tratada e da finalidade desejada.
- Parâmetros importantes para o dimensionamento incluem concentrações em mg/litro.
Abrandador e Abrandamento de Agua
Equipamentos utilizados para redução dos teores de calcio e/ou magnésio em agua dura. É um processo parcial de troca iônica, denominado de abrandamento; é obtido, quando a agua bruta (potavel) passa em um leito de resina catiônica forte, no ciclo sódio. Os íons calcio e magnésio, Ca2+ e Mg2+, solúveis na agua, são retidos no grupamento do acido sulfônico e os íons sódio, (Na+), da resina, liberados para a agua. Quando todos os íons sódio presos ao grupamento do acido sulfônico foram trocados por calcio e magnésio, a resina se encontra no estado saturado e necessita, então, ser regenerada.
A regeneração das resinas do abrandamento compreende quatro estagios:
• Exaustão: saturação da resina com íons calcio e magnésio;
• Expansão: contra-lavagem do leito saturado da resina, expandindo-a até a parte superior do vaso. A finalidade da expansão ou contra-lavagem é soltar as impurezas sólidas presas aos cristais e descompactação;
• Regeneração: é a rejeição dos íons de calcio e magnésio (Ca2+ e Mg2+) captados da agua, por meio da passagem de uma salmoura a 10% substituídos por íons de sódio que voltam a se prender ao grupamento do acido sulfônico;
• Enxague: o enxague lento completa a regeneração da resina e o enxague rapido final remove todo o excesso da salmoura regenerante do leito.
As resinas de troca iônica são utilizadas ha décadas em processos de desmineralização de agua, abrandamento, polimento de condensado, pré-tratamento de agua para caldeiras, processos industriais etc.. Resinas trocadoras se deterioram naturalmente com o uso, mas o processo pode ser acelerado por agentes externos tais como oxidantes ou outros contaminantes. Praticas inadequadas de operação também podem acelerar a deterioração da resina e diminuem a qualidade da agua produzida.
A detecção de contaminantes microbiológicos, determinação da capacidade total de troca e eficiência de regeneração para resinas catiônicas e aniônicas, detecção de resina catiônica no leito de resina aniônica, remoção de contaminação por óleo, determinação da capacidade de retenção de agua, determinação da capacidade total de troca de cisão salina em resinas aniônica forte e basica, determinação da porcentagem de quebra de esferas de resinas. Uma resina de troca iônica pode ter sua vida útil superior a 10 anos, desde que o projeto e a operação dos sistemas estejam adequados. Para o calculo da resina, da quantidade e do sistema de regeneração é preciso conhecer a agua que se vai tratar e a finalidade ou uso a que se destina. As características mais importantes requeridas para dimensionamento em mg/litro.
