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TROCA IÔNICA LORGIO VALDIVIEZO GONZALES OPERAÇÕES UNITÁRIAS P ONTIFÍCIA U NIVERSIDADE C ATÓLICA DO RIO DE JANEIRO.

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1 TROCA IÔNICA LORGIO VALDIVIEZO GONZALES OPERAÇÕES UNITÁRIAS P ONTIFÍCIA U NIVERSIDADE C ATÓLICA DO RIO DE JANEIRO

2 TROCADOR IÔNICO A operação de troca iônica é a troca entre íons presentes numa solução (contaminastes) e íons sólidos presentes na resina.

3 CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES IÔNICOS Por sua natureza: Trocadores orgânicos (sintéticos –Naturais) Tocadores Inorgânicos (sintéticos – Naturais) Pela sua estrutura: Tipo Gel. Resinas Macro porosas. Resinas iso porosas. Pelo grupo Funcional: Resinas Catódicas de Ácido forte Resinas Catódicas de Ácido fraca Resinas Aniônicas de Base Forte Resinas Aniônicas de Base fraca. Resinas quelantes

4 Resinas Orgânicas Naturais Quitina: É um polímero linear de elevado peso molecular, que existe nas paredes celulares de alguns fungos e na crosta de crustáceos. Chitosan: É um polímero natural derivado da quitina, obtido pela hidrólises desta, é utilizado como um polímero quelante de metais. Ácido algínico: É um componente da estrutura das algas marrons, é um polímero forte (dá suporte) e ao mesmo tempo flexível. Pode ser ou não solúvel em água Celulose: A celulose natural tem propriedades de troca iônica devido aos grupos carboxilas que tem na sua estrutura.

5 Resinas Inorgânicas Naturais: Alumino silicatos (zeolitas) Argilas minerais Feldespatos Sintéticas: Óxidos metálicos hidratados (óxido de titânio hidratado) Sais insolúveis de metais polivalentes (fosfato de titânio) Sais insolúveis de heteropoliácidos (molibdofosfato amônico). Zeolitas sintéticas.

6 Estrutura da rede polimérica Tipo gel Conhecidas como resinas micro porosas (tamanho de poro pequeno 1 nm) são polímeros homogêneos, e seus sítios ativos estão distribuídos de maneira igual através de toda a esfera. Resinas macro porosas Chamadas também macro reticulares (100 nm) ou de poros fixos, são fabricadas através de um processo que deixa uma rede com grandes poros que permitem o ingresso até os sítios interiores, estas resinas tem uma aparência esponjosa, o que permite uma boa interação entre os íons e os sítios ativos, mas também significa que a resina tem uma menor capacidade porque as esferas contem uma menor quantidade de sítios ativos, já que os poros podem ocupar entre o 10 e 30% do espaço da resina, o que reduz a sua capacidade de troca iônica.

7 Grupo funcional Resinas catiónicas de ácido forte : São produzidas por sulfonação do polímero com ácido sulfúrico. O grupo funcional é o ácido sulfônico, -SO 3 H, 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 água.pH Resinas catiónicas de ácido fraco: O grupo funcional é um ácido carboxílico -COOH, presente em um dos componentes, principalmente o ácido acrílico o 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.

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9 Resinas aniônicas de base forte: São obtidas a partir da reação de estireno-DVB com aminas terciárias. O grupo funcional é uma sal de amônio quaternário. 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 primária (NH4), secundária(NHR), e terciária (NR2). Podem ser aplicadas na adsorção de ácidos fortes com boa capacidade, mas sua cinética é lenta. Resinas Quelantes,são seletivas, mas são pouco utilizadas por ser custosas e cineticamente lentas.Quelantes Grupo funcional

10 Preço das Resinas Resinas Cost($/ft 3 ) Resinas Catiónicas Ácido forte.......... 70-120 Resinas Catiónicas Ácido fracas......... 150-200 Resinas Aniônicas de Base Forte...... 180-250 Resinas Aniônica de base Fracas........ 180-200 Quelantes…………………………….. 330-600 Note.--1997 dollar.

11 Funcionamento Os Trocadores iônicos são matrizes sólidas que contém sítios ativos.

12 Matriz poli métrica (Resina Catiônica)

13 Difusão

14 Cinética Extração Ca ++ Mg ++ Ca ++ Mg ++ Na + Ca ++ Na +

15 Etapas da Troca iônica 1. Extração 2.Descompactação 3.Regeneração 4.Enxuage.

16 Cinética regeneração Na + Ca ++ Mg ++ Na +

17 Parâmetros característicos do trocadores: Capacidade de Troca: Quantidade de íons que uma resina pode trocar em determinadas condições experimentais, depende do tipo do sitio ativo. É expresso em equivalente/litro de resina ou grama de resina. Capacidade especifica teórica: Número Máximo de sítios ativos da resina por grama. Este valor pode ser maior que a capacidade de Troca, já que nem todos os sítios ativos são acessíveis aos íons em dissolução. Seletividade: Propriedade da resina de mostrar maior afinidade pôr um íon que por outro, a resina preferirá os íons com os que forme um enlace mais forte.

18 APLICAÇÕES Tratamento de águas. Resíduos nucleares. Industria Alimentícia. Industria Farmacêutica. Agricultura. Hidro metalúrgica.

19 a b c Coluna Industrial de Troca Iônica a) Distribuidor; b)Resina; c)Coletor

20 Tratamento de águas Data básica. Análises de água. Deve de ser feito em detalhe e ser balanceado ionicamente. Requerimento de qualidade. Expressada Ne términos de condutividade da electrólito de uma solução tratada. Ratio do fluxo do sevicio. Tipo e quantidade regenerante. Fluxo regeneração. Temperatura de regeneração.

21 Considerações Gerais: TSD. Total sólidos suspendidos (ânions e Cátions). Cátions com unes. Ânions com unes. Sustâncias orgânicas presentes em água se coincidiram em e lado aniônico por se principalmente ácidas e são concentrações que se expressa em quantidade de permanganato de potássio necessário para oxidar essas sustâncias (mg de KMnO4 por litro de solução.. A quantidade matéria orgânica determina a seleção da resina de intercambio.

22 Diâmetro de colunas Varia de um centímetro (laboratório) até 5 metros. Unidades industriais - 0.8m - 3,6 m Altura da resina de 10 cm - 3.5 metros.

23 1. Ponha alguns mL da água destilada em um cilindro graduado 10 mL e anote o nível de água. Usando uma colher ou um espátula, transfira com cuidado a resina da troca de íon ao cilindro. Fazendo uma coluna da troca de íon (http://www.dartmouth.edu/~chemlab/chem3-5/ionx1/full_text/procedure.html)

24 Fazendo uma coluna da troca de íon 2. Adicione bastante resina para fazer o nível de água levantar- se por aproximadamente 1.0 mL

25 Fazendo uma coluna da troca de íon 3. Roda o cilindro graduado para pôr a resina em uma pasta. Derrame rapidamente a pasta na coluna de vidro.

26 Fazendo uma coluna da troca de íon 4. A resina fica no fundo da coluna de vidro.

27 Fazendo uma coluna da troca de íon 5. Uma camada de areia é adicionada ao alto da resina para manter-se dentro no lugar.

28 Fazendo uma coluna da troca de íon 6. A areia deve ter aproximadamente 1/4 de polegada grossa.

29 Carregando uma coluna e testar o efluente: 7.Adicione o eluante ao alto da coluna lentamente e com cuidado, de modo a para não perturbar a cama da resina. Você pode derramar a solução lentamente abaixo o lado da abertura da coluna ou adicionar a solução dropwise, com um dropper plástico.

30 Carregando uma coluna e testar o effluent 8.Teste o pH com papel de indicador fazendo exame de uma gota do efluente à parte de papel em um vidro de relógio. O efluente ácido pode significar que os cátions estão deslocando íons na resina da troca

31 Altura da faixa azul do cu2+ 10. A cor azul de íons do cobre (ii) é visível na resina na coluna.

32 1. Problema de aplicação Determine a massa e o volume requerido da resina para tratar 1200 m 3 de água contendo 20 mg/L do íon Nitrato Considerar Capacidade de resina 300 meq/Kg. Densidade de resina 720 kg/m 3 quantidade de íon Presente

33 Quantidade de massa requerida Volume requerido da resina

34 2. Problema de aplicação Especificações Água tratada: menos do 10 ppm sólidos ionizáveis. (leakage). Fluxo 30 gpm -24 h/d. Relação de fluxo da 2 gal/ft 3.min (usualmente usadas). Regeneração cada 8 horas Calcular o total de água tratada em coluna Catiônica Calcular Volume da resina Catiônica.

35 Análises Assumido. Cátions : 29,25 g/gal Anions : 29,25 g/gal

36 Capacidade Resina Catiônica Capacidade g /ft 3 = 11 000 Acido sulfúreo lb/ft 3 = 5 Enxuage gal/ft 3 = 125 Capacidade Resina aniônica Capacidade g /ft 3 = 20 000 Soda lb/ft 3 = 5,3 Enxuage gal/ft 3 = 75 Dados fabricante

37 solução Mínimo de resinas requerido será : 30/2 =15 ft 3.(fluxo total / relação da resina). Água tratada antes regeneração (8 horas)= 30*60*8=14 400 gal (Fluxo total * fatores conversão).

38 A coluna catiônica não somente deve tratar esta quantidade de água sino suficiente para enxaguar a coluna aniônica. Logo, a quantidade a ser produzida em renegação es : 14,400+ (15*75)= 15 525 gal [Água tratada antes renegação +(volume da resina anionica * enxágüe)]

39 Neto de Água/ft 3 –cátion (11,000/29.25 )- 125 = 250 gal. [Capacidade de resina catiônica /catiônica total – Água de enxágüe ] Resina catiônica Requerida = 15 525/250 =62 ft 3 [Quantidade de água total produzida de cátion / Neto de água]

40 Gráfico aniônica 30 gpm 14 400 gal 8 horas catiônica Enxuage (15 * 75) 1125 gal 15 525gal

41 Bibliografia Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry Ion Exchangers 2001,sixth edition. http://www.rohmhaas.com/index.html http://www.tecnociencia.es/especiales/intercam bio_ionico/htmhttp://www.tecnociencia.es/especiales/intercam bio_ionico/htm http://www.remco.com/ix.htm


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