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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 Resinas Catiónicas Ácido fracas Resinas Aniônicas de Base Forte Resinas Aniônica de base Fracas Quelantes…………………………… Note 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 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 cu 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 = Acido sulfúreo lb/ft 3 = 5 Enxuage gal/ft 3 = 125 Capacidade Resina aniônica Capacidade g /ft 3 = 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= 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)= 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 = /250 =62 ft 3 [Quantidade de água total produzida de cátion / Neto de água]

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

41 Bibliografia Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry Ion Exchangers 2001,sixth edition. bio_ionico/htmhttp://www.tecnociencia.es/especiales/intercam bio_ionico/htm


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