O documento descreve o processo de permuta iónica para tratamento de água, incluindo os tipos de resinas utilizadas, como catiônicas e aniônicas, e suas propriedades. Explica também o ciclo de operação com saturação da resina e regeneração.

1. Fernando Sayal

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. 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. 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. A resina é oca.
 A troca iónica é feita no núcleo
A superfície externa é porosa

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. 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. 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)

16. 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

17. Resina catiónica - permuta de
catiões
Resina aniónica - permuta de
aniões

18. 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

19. 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-

20. Permuta catiónica
)(2)()(2 2
2
aqNaCaRaqCaNaR  

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

26. Ciclo da Permuta iónica
PRODUÇÃO
REGENERAÇÃO
LAVAGEM

27. 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)

28. •Filtro de carvão
•Filtro de areia

29. •UNIDADE LABORATORIAL
•Água desionizada
•Água desmineralizada
•Abrandadores de água

30. UNIDADE INDUSTRIAL
•Resinas Aniónica,Catiónica,
etc

31. a
b
c
Coluna Industrial de Permuta Iónica
a) Distribuidor; b)Resina; c)Colector

32. 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.

33. 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).

34. 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.

35. 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
.

36. 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

37. Direcção do Fluido
Resina saturada
Resina parcialmente
saturada
Resina não saturada

38. 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+

39. 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.

45. 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.

46. 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

47. 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

48. 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+

49. 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

52. Opção de tratamento com o fluxo de regeneração no mesmo
sentido do abrandamento

53. 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

54. Quem quer
aceitar um
desafio?

55. 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

56. Para Ver