5 permuta ionica-tecnologia-quimica

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5 permuta ionica-tecnologia-quimica

  1. 1. Fernando Sayal
  2. 2. É um método comum e flexível de tratamento de água (desmineralização, amaciamento), para uso comum ou uso industrial É um processo de separação baseado na velocidade de transferência de massa e implica o contacto íntimo entre duas fases (sólido-líquido) entre as quais os constituintes se distribuem indiferentemente A permuta iónica consiste numa troca estequiométrica de catiões ou aniões duma fase líquida (Ca 2+ , Mg 2+ , SO4 2- , NO3 -) por catiões ou aniões de uma resina permutadora de iões.
  3. 3. H+ OH- Resina Catiónica Resina Aniónica Saída de Água Água de Alimentação Leito de Resinas H2O H2O Na+ Ca2+ Na+ H2O CO3 2- Mg2 + OH- Cl- Ca2+ SO4 2- K+ HCO3 - H+ H+ H+ OH- OH- H+ H+ H+ OH- OH- OH- OH- OH- H2O H2O H2O H2O H2O Cl- H2O Representação do processo de troca iónica
  4. 4. Resina iónica Resina catiónica Resina aniónica. As dimensões das esferas variam de 0,2 mm a 1 mm A catiónica geralmente é mais escura do que a aniónica. Resina iónica
  5. 5. A resina é oca.  A troca iónica é feita no núcleo A superfície externa é porosa
  6. 6.  A troca de iões faz-se por adsorção (física) - fenómeno superficial, em que os iões da fase fluida são reversivelmente retidos na superfície de um sólido (adsorvente) por forças de Van der Waals, formando uma camada (monocamada) ou multicamadas de iões.  Uma vez que a adsorção é um fenómeno de superfície, é importante que os adsorventes proporcionem uma grande área superficial externa e interna associada à sua estrutura porosa. A capacidade de adsorção depende, portanto, do tipo e tamanho dos poros, bem como da sua distribuição, e da natureza da superfície do adsorvente.
  7. 7. Segundo a IUPAC (1982), os poros num adsorvente são classificados em função do diâmetro como - Macroporos: Φ > 50 nm - Mesoporos: 2 < Φ < 50 nm - Microporos: Φ < 2 nm
  8. 8. Classificação das resinas iónicas Pela sua natureza: • Resinas orgânicas (sintéticas ou naturais) • Resinas Inorgânicas (sintéticas – Naturais) Pela sua estrutura: • Tipo Gel • Resinas porosas Pelo grupo Funcional: • Resinas Catiónicas de Ácido forte (grupo –HSO3 ou Na+) • Resinas Catiónicas de Ácido fraco (grupo -COOH • Resinas Aniónicas de Base Forte (grupo –N-OH-) • Resinas Aniónicas de Base fraca (grupo amina –NH2)
  9. 9. Resumindo: Classificação de resinas de permuta iónica mais comuns Tipo de resina Grupo funcional Catiónica do tipo ácido forte Sulfónico: R-SO3 H ou R-Na+ Catiónica do tipo ácido fraco Carboxilíco: R – COOH Aniónica do tipo I base forte Aniónica do tipo II base forte Aniónica do tipo base fraca Amino: R-N + (CH 3 )3 Cl – R-N + (CH 3 )2 (CH 2 )2 OH Cl R-N + (CH 3 )2
  10. 10. Resina catiónica - permuta de catiões Resina aniónica - permuta de aniões
  11. 11. Preço das Resinas (dólar/m3) • Resinas Catiónicas Ácido forte .......... 1950-3300 • Resinas Catiónicas Ácido fracas ......... 4200-5600 • Resinas Aniónicas de Base Forte...... 5000-7000 • Resinas Aniónica de Base Fracas........ 5000-5600 Nota-dólar1997
  12. 12. Permuta Catiónica GERAL: Amolecimento da água 2R-Na+ + Ca2+(HCO3)2 -  R2 -Ca2+ + 2NaHCO3 FORTE: R-H+ + Na+Cl-  R-Na+ + H+Cl- FRACA: RCOOH + Mg(OH)2  (RCOO)2Mg + 2H2O RCOOH + Ca(OH)2  (RCOO)2Ca + 2H2O REACÇÕES DE PERMUTA IÓNICA Permuta Aniónica GERAL: R+Cl- + Na+NO3 -  R+NO3 - + Na+Cl- FORTE R+OH- + H+Cl-  R+Cl- + H2O R+OH- + CO2  R+HCO3 - FRACA RN(CH3)2 + H+Cl-  RNH(CH3)2 +Cl-
  13. 13. Permuta catiónica )(2)()(2 2 2 aqNaCaRaqCaNaR  
  14. 14. Capacidade de Permuta: • Quantidade de iões que uma resina pode trocar em determinadas condições experimentais • Depende da quantidade de sítios activos • É expressa em equivalente/litro de resina ou grama de resina. • Esta quantidade de sítios activos depende também do nível de regeneração das resinas; • Quanto mais concentrada for a solução de regeneração maior será a capacidade de permuta das resinas Capacidade especifica teórica: • Número máximo de sítios activos da resina por grama. • Este valor pode ser maior que a capacidade de permuta, já que nem todos os sítios activos são acessíveis aos iões em dissolução. CAPACIDADE DE PERMUTA DAS RESINAS
  15. 15. SELECTIVIDADE DAS RESINAS: - Maior ou menor afinidade da resina para os iões existentes na água - A resina preferirá os iões com os quais forma uma ligação mais forte Selectividade Relativa Resina Catiónica Fortemente Ácida Resina Aniónica Fortemente Básica Catião ai/Na+ Anião ai/Cl- Ra2+ 13,0 CrO4 2- 100,00 Ba2+ 5,8 SeO4 2- 17,00 Pb2+ 5,00 SO4 2- 9,10 Sr2+ 4,80 HSO4 - 4,10 Cu2+ 2,60 NO3 - 3,20 Ca2+ 1,90 Br- 2,30 Zn2+ 1,80 HAsO4 2- 1,50 Fe2+ 1,70 SeO3 2- 1,30 Mg2+ 1,67 HSO3 3- 1,20 K+ 1,67 NO2 - 1,10 Mn2+ 1,60 Cl- 1,00 NH4 + 1,30 HCO3 - 0,27 Na+ 1,00 CH3COO- 0,14 H+ 0,67 F- 0,07
  16. 16. SELECTIVIDADE DAS RESINAS • Catiónica H+, Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca 2+ • Aniónica OH-, HCO3 -, HSiO3 -, CO3 2-, Cl-, SO4 2- SAC- strong acid cationic (R-SO3H+ ou R-Na+) SBA- strong basic anionic (R-Cl- ou R-OH-) WAC- weak acid cationic (R-COOH) WBA- weak basic anionic R-N(CH3)2
  17. 17. Abrandamento por resinas catiónicas A eficiência depende da concentração de SDT na água e do nível de regeneração de resina; O nível de regeneração da resina é então determinado pela dureza da água a ser obtida e da concentração de SDT; SDT- sólidos dissolvidos totais Concentração do regenerante
  18. 18. Ciclo da Permuta iónica PRODUÇÃO REGENERAÇÃO LAVAGEM
  19. 19. UNIDADE DE PRODUÇÃO Constituída por: •Filtro de areia (impurezas sólidas diversas) •Filtro de carvão activado (matéria orgânica) •Filtro de resina catiónica •Filtro de resina aniónica •Filtro de leito misto (resinas catiónica e aniónica)
  20. 20. •Filtro de carvão •Filtro de areia
  21. 21. •UNIDADE LABORATORIAL •Água desionizada •Água desmineralizada •Abrandadores de água
  22. 22. UNIDADE INDUSTRIAL •Resinas Aniónica,Catiónica, etc
  23. 23. a b c Coluna Industrial de Permuta Iónica a) Distribuidor; b)Resina; c)Colector
  24. 24. Diâmetro das colunas • Laboratório: varia de centímetros até 1 metro. • Unidades industriais - 0.8m - 3,6 m • Altura da resina de 10 cm - 3.5 metros.
  25. 25. EQUIPAMENTO. ADSORVENTES RESINAS PERMUTADORAS DE IÕES MAIS COMUNS A unidade tecnológica mais correntemente usada à escala industrial para processos de adsorção e permuta iónica consiste em colunas cilíndricas como se mostra na Figura com enchimento de partículas esféricas de adsorvente ou resina (fase estacionária), através das quais passa o fluido a tratar (fase móvel).
  26. 26. O ciclo de funcionamento baseia-se normalmente em duas colunas ou leitos fixos em paralelo, de forma que enquanto uma está a ser saturado, uma segunda está a ser regenerada. Durante a fase de saturação, a fase móvel a tratar atravessa a coluna e os solutos nela contidos são retidos pela fase estacionária.  Após a saturação, é necessário regenerar o adsorvente (resina) utilizando um electrólito forte, permitindo deste modo, que este seja novamente reutilizado.
  27. 27. Os adsorventes mais comuns utilizados à escala industrial são o carvão activado, a sílica-gel, a alumina activada e os peneiros moleculares. Os três primeiros, usualmente designados por adsorventes amorfos, apresentam áreas específicas entre 200 e 1200 m2/g e uma distribuição de tamanhos de poros alargada. Os peneiros moleculares apresentam tamanhos de poros exactos definidos pela sua estrutura cristalina. O carvão activado foi um dos primeiros adsorventes conhecidos e é um dos mais utilizados actualmente. Geralmente é produzido a partir da decomposição térmica controlada de material carbonáceo (casca da madeira, de coco, de arroz, carvão, ossos de animais, etc.), a temperaturas inferiores a 600 ºC, seguida pela activação que visa submeter o material carbonizado a reacções secundárias, tendo como finalidade o aumento da área superficial. A activação física é feita com vapor de água, ar ou outro agente oxidante, enquanto que a activação química envolve a impregnação de agentes desidratantes como ácido fosfórico, hidróxido de potássio e cloreto de zinco a temperaturas superiores a 300 ºC. As principais características são as seguintes: área específica = 600 – 1200 m2/g, massa específica = 0.4 g/cm3, porosidade = 0.6 -0.85 e diâmetro médio dos poros = 29 .
  28. 28. CAPACIDADE DE OPERAÇÃO: Proporção da capacidade total de permuta iónica usada durante o tempo de funcionamento da operação. Depende de:  concentração e tipo de iões que são absorvidos.  velocidade de passagem do fluido  temperatura de funcionamento  altura do leito de resina  duração do ciclo de produção  eficiência da regeneração
  29. 29. Direcção do Fluido Resina saturada Resina parcialmente saturada Resina não saturada
  30. 30. Permuta Ca++ Mg++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Mg++ Mg++ Mg++ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Ca++ Na+ Na+
  31. 31. DESMINERALIZAÇÃO • Podem ser utilizados leitos individuais, leitos mistos ou a combinação destes; • Um aspecto importante na desionização é a elevação concentração de CO2 na água após a passagem pelo leito catiónico; • Isto pode exigir a utilização de um equipamento adicional, descarbonatador.
  32. 32. Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização Arranjo Aplicação Qualidade da Água Vantagens e Desvantagens 1 4 Quando não há necessidade de remover CO2 e nem Sílica. > Condutividade elétrica: 10 a 30 S/cm > Sílica não removida Baixo custo de equipamentos e de regeneração. 1 4 6 Quando não há necessidade de remover sílica. > Condutividade elétrica: 10 a 20 S/cm > Sílica não removida Baixo custo de equipamentos e de regeneração, porém requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 1 3 Água bruta com baixa alcalinidade, com necessidade de remoção de sílica. > Condutividade elétrica: 5 a 15 S/cm > Sílica: 0,02 a 0,10 mg/L Baixo custo de equipamentos.
  33. 33. 6 31 1 3 Água bruta com alta alcalinidade e alto teor de sódio. Água desmineralizada de alta pureza. > Condutividade elétrica: 1 a 5 S/cm > Sílica: 0,01 a 0,05 mg/L Alto custo de equipamentos e baixo custo de regeneração. Requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 5 Água bruta com baixa salinidade. Água desmineralizada de alta pureza. > Condutividade elétrica: menor que 1,0 S/cm > Sílica: 0,01 a 0,05 mg/L Baixo custo de equipamentos e médio custo de regeneração. 6 31 5 Água bruta de alta alcalinidade e alto teor de salinidade. Água desmineralizada de alta pureza. > Condutividade elétrica: menor que 1,0 S/cm > Sílica: 0,01 a 0,05 mg/L Alto custo de equipamentos e baixo custo de regeneração. Requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 1 - Leito catiônico de resinas fortemente ácidas 2 - Leito catiônico de resinas fracamente ácidas 3 - Leito aniônico de resinas fortemente básicas 4 - Leito aniônico de resinas fracamente básicas 5 - Leito misto (Resinas catiônicas e aniônicas) 6 - Torre de descarbonatação. Arranjo Aplicação Qualidade da Água Vantagens e Desvantagens Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização
  34. 34. Arranjo Aplicação Qualidade da Água Vantagens e Desvantagens 61 3 Água bruta com alta alcalinidade, com necessidade de remoção de sílica. > Condutividade elétrica: 5 a 15 S/cm > Sílica: 0,02 a 0,10 mg/L Baixo custo de equipamentos, porém requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 6 31 4 Água bruta com alta alcalinidade, sulfatos e cloretos, com necessidade de remoção de sílica. > Condutividade elétrica: 5 a 15 S/cm > Sílica: 0,02 a 0,10 mg/L Médio custo de equipamentos e requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 6 42 1 3 Água bruta com alta dureza, alcalinidade, sulfatos e cloretos, com necessidade de remoção de sílica. > Condutividade elétrica: 5 a 15 S/cm > Sílica: 0,02 a 0,10 mg/L Alto custo de equipamentos e baixo custo de regeneração. Requer bombeamento após a torre de descarbonatação. 6 31 1 3 Água bruta com alta alcalinidade e alto teor de sódio. Água desmineralizada de alta pureza. > Condutividade elétrica: 1 a 5 S/cm > Sílica: 0,01 a 0,05 mg/L Alto custo de equipamentos e baixo custo de regeneração. Requer bombeamento após a torre de descarbonatação. Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização
  35. 35. Regeneração Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Ca++ Mg++ Mg++ Mg++ Mg++ Mg++ Mg++ Mg++ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+
  36. 36. Contra-corrente- em sentido oposto ao fluxo da água durante a produção Co-corrente- no mesmo sentido que o fluxo da água durante a produção Regenerante •Solução de NaCl a 10%, •Solução de HCl a 4-8% •Solução de NaOH a 2-4% Caudal de regenerante baixo para permitir bom contacto com a resina Tempo de contacto entre 15 e 60 min
  37. 37. Opção de tratamento com o fluxo de regeneração no mesmo sentido do abrandamento
  38. 38. 1- Lavagem lenta o regenerante é arrastado pela água com um baixo caudal inicialmente para garantir remoção do regenerante 2- Lavagem rápida remoção de vestígios de regenerante 3- Lavagem final antes de entrar em operação até de atingir a condutividade de especificação LAVAGEM
  39. 39. Quem quer aceitar um desafio?
  40. 40. Fazer uma coluna de Permuta iónica 1º Traduzir 2º Preparar material 3º Construir http://www.dartmouth.edu/~chemlab/ chem3-5/ionx1/full_text/procedure.html
  41. 41. Para Ver

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