PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Sistemas de troca iônica e eletrodiálise para tratamento de água

Conceitos básicos O processo de troca iônica possibilita remover da água íons dissolvidos indesejáveis; Os íons presentes na água são substituídos por uma quantidade equivalente de outras espécies iônicas; No processo os íons da água são retidos em uma fase sólida imiscível denominada por resina. Prof. Mierzwa

Representação do processo de troca iônica H + OH - Resina Catiônica Resina Aniônica Saída de Água Água de Alimentação Leito de Resinas 2 O Na Ca 2+ CO 3 2- Mg Cl SO 4 K HCO Representação do processo de troca iônica Prof. Mierzwa

Conceitos básicos Por se tratar de uma fase sólida insolúvel, as resinas apresentam capacidade limitada; Em cada conta de resina existe um número limitado de sítios ativos; Quando todos este sítios ativos são ocupados diz-se que a resina está saturada; Como este processo envolve uma reação de equilíbrio químico, as resinas podem ter a sua capacidade recuperada. Prof. Mierzwa

Classificação das resinas Em função do tipo de íon envolvido no processo, as resinas podem ser: Resinas Catiônicas: Apresentam capacidade para retenção de cátions; Os sítios ativos fixos apresentam carga negativa. Resinas Aniônicas: Têm capacidade para retenção de ânions; Os sítios ativos fixos apresentam carga positiva. Prof. Mierzwa

Reações envolvidas R – representa o polímero que constitui a resina; X, Y, Z e W – são os íons envolvidos no processo de troca. Prof. Mierzwa

Tipos de resina Os dois principais grupos de resina de troca iônica são subdivididos: Resinas catiônicas: Fortemente ácida (CFA); Fracamente ácida (CfA). Resinas aniônicas: Fortemente básica (AFB); Fracamente básica (AfB). Prof. Mierzwa

Resinas CFA e CfA O que distingue este grupos de resina é o grupo funcional ativo: Nas resinas CFA o grupo funcional ativo é o ácido sulfônico (R-SO3-H+); Nas resinas CfA o grupo funcional ativo é um ácido carboxílico (R-COO-H+). Resinas CFA são adequadas para abrandamento de água e também desmineralização, operando em uma ampla faixa de pH; Resinas CfA não são adequadas para abrandamento e atuam em faixa de pH de neutro para alcalino. Prof. Mierzwa

Limitação das resinas CfA para abrandamento Caso a reação acima fosse possível, o ácido clorídrico gerado estaria completamente ionizado; Nesta condição os íons H+ seriam adicionados ao grupo carboxílico; Não há ionização do grupo carboxílico em baixos valores de pH. Prof. Mierzwa

Resinas AFB As resinas AFB são divididas em dois subgrupos: Tipo I e tipo II, cuja diferença é a basisidade que as mesmas apresentam; Resinas do Tipo I têm um caráter básico mais forte, o que resulta em uma menor fuga de íons, principalmente sílica; As resinas do Tipo II também possuem caráter básico forte, porém não possibilitam a remoção de sílica; Como vantagem as resinas do Tipo II irão requer menor quantidade de regenerante; O grupo funcional ativo das resinas AFB são as aminas quaternárias (R-N(CH3)3+). Prof. Mierzwa

Resinas AfB São utilizadas em aplicações onde o objetivo é remover ânions de ácido forte (cloreto, sulfato e nitrato); Não se aplicam para remoção de ânions fracamente ionizáveis (sílica e bicarbonato); São empregadas em faixas de pH ácido; Como vantagem podem ser regeneradas com a quantidade estequiométrica de regenerante. Prof. Mierzwa

Seletividade das Resinas Resina Catiônica Fortemente Ácida¶ Resina Aniônica Fortemente Básica§ Cátion ai/Na+ Ânion ai/Cl- Ra2+ 13,0 CrO42- 100,00 Ba2+ 5,8 SeO42- 17,00 Pb2+ 5,00 SO42- 9,10 Sr2+ 4,80 HSO4- 4,10 Cu2+ 2,60 NO3- 3,20 Ca2+ 1,90 Br- 2,30 Zn2+ 1,80 HAsO42- 1,50 Fe2+ 1,70 SeO32- 1,30 Mg2+ 1,67 HSO33- 1,20 K+ NO2- 1,10 Mn2+ 1,60 Cl- 1,00 NH4+ HCO3- 0,27 Na+ CH3COO- 0,14 H+ 0,67 F- 0,07 Prof. Mierzwa

Capacidade de troca das resinas A capacidade de troca das resinas está relacionada à quantidade de sítios ativos presentes; Esta quantidade de sítios ativos depende também do nível de regeneração das resinas; Este nível de regeneração está associado à concentração da solução regenerante; Quanto mais concentrada for a solução de regeneração maior será a capacidade de troca das resinas. Prof. Mierzwa

Capacidade de troca de resinas catiônicas em função do nível de regeneração (Fonte: DOWEX Ion Exchange Resins) Prof. Mierzwa

Valores típicos para capacidade de troca de resinas Sistema de Regeneração Nível de Regenerante Capacidade Operacional Típica (g/l) (lbs/ft3) (eq/l) (kgr/ft3) Regeneração co-corrente: HCl 80 - 120 5 - 7.5 0.8 - 1.2 17.5 - 26 H2SO4 150 - 200 9.5 - 12.5 0.5 - 0.8 11 - 17.5 NaOH 0.4 - 0.6 8.5 - 13 Regeneração em conta corrente: 40 - 55 2.5 - 3.5 60 - 80 3.75 - 5 30 - 45 2 - 2.8 Fonte: http://www.dow.com/liquidseps/design/ix_guide.htm Prof. Mierzwa

Abrandamento por resinas catiônicas Quando necessário, o abrandamento de água pode ser feito com resinas catiônicas; Nesta aplicação as resinas estão condicionadas na forma sódica; As reações envolvidas são: 2 R-Na + Ca2+  R2-Ca + 2 Na+ 2 R-Na + Mg2+  R2-Mg + 2 Na+ No processo, paca cada átomo de cálcio ou magnésio retidos na resina dois átomos de sódio são liberados para a água: 1 mg de Ca2+ libera para a água 1,15 mg de Na+; 1 mg de Mg2+ libera para a água 1,89 mg de Na+. Prof. Mierzwa

Abrandamento por resinas catiônicas A eficiência de redução da dureza 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; Com estes dados verifica-se nos catálogos das resinas qual deve ser o nível de regeneração. Prof. Mierzwa

Determinação do nível de regeneração de resinas DOWEX Marathon C Prof. Mierzwa

Determinação da capacidade de troca da resina Com o nível de regeneração necessário, deve-se determinar: A capacidade de troca da resina para o nível de regeneração estabelecido; O fator de correção para capacidade de troca em função: Dos SDT; Da temperatura da água de alimentação; Da %NA em relação a dureza total na alimentação; Da % de dureza em relação aos SDT na água produzida. Este dados são obtido mediante consulta aos catálogos de fornecedores, a partir dos parâmetros de projeto. Prof. Mierzwa

Capacidade das resinas DOWEX em função do nível de regeneração Prof. Mierzwa

Determinação do fator de correção da capacidade em função dos SDT Prof. Mierzwa

Características de projeto de sistemas Fluxo de regenerante no mesmo sentido que a água no abrandamento: Escoamento linear  12 m/h ou 16 Volumes do Leito/h; Profundidade do leito  75 cm Regeneração  Solução de NaCl a 10%, em 25 minutos. O volume de solução e a taxa de fluxo são determinadas com base no nível de regeneração adotado. Para sistemas com regeneração em contra-fluxo a única alteração diz respeito à menor passagem de dureza; Neste caso não há influência do nível de regeneração sobre a passagem de dureza. Prof. Mierzwa

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

Desmineralização O processo de desmineralização ou deionização consiste na remoção de todas as espécies iônicas da água; Para isto devem ser utilizadas resinas catiônicas e aniônicas; Em função da qualidade da água que se deseja obter podem ser utilizadas configurações variadas para o sistema; Prof. Mierzwa

Desmineralização Podem ser utilizados leitos individuais, leitos mistos ou a combinação destes; Um aspecto importante na deionização é a elevação da concentração de CO2 na água após a passagem pelo leito catiônico; Isto pode exigir a utilização de um equipamento adicional, descarbonatador. Prof. Mierzwa

Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização Prof. Mierzwa

Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização Prof. Mierzwa

Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização Prof. Mierzwa

Dimensionamento de sistemas de desmineralização É necessário obter a composição iônica da água a ser tratada; Cátions: Cálcio; magnésio; sódio; potássio; amônio; etc... Ânions: Cloreto; sulfato; bicarbonato; nitrato; fluoreto; etc... É importante que seja obtido o equilíbrio de cargas entre cátions e ânions, podendo-se fazer ajustes com sódio ou cloreto; Sílica e dióxido de carbono são considerados posteriormente; A concentração de CO2 pode ser estimada com base no valor do pH. Prof. Mierzwa

Dimensionamento de sistemas de desmineralização A partir dos requisitos de água que se deseja obter é selecionado: A passagem máxima de contaminantes; O nível de regeneração das resinas; Os fatores de ajuste de capacidade. Com a capacidade de troca das resinas estabelecida e volume de água a ser produzido, determina-se a quantidade de resinas. O volume de água a ser produzido leva em consideração a freqüência desejada para a regeneração. Prof. Mierzwa

Dimensionamento de sistemas de desmineralização Dimensionamento dos vasos: Leva em conta a altura do leito de resina no interior do vaso e parâmetros hidráulicos. As dimensões do vasos de resina devem considerar as relações entre a altura de resina no leito e diâmetro do vaso e a velocidade de escoamento. Prof. Mierzwa

Critérios de projeto para sistemas de troca iônica Prof. Mierzwa

Dimensionamento automático de sistemas de troca iônica Programa da empresa Dow Química; CADIX 6.0 – Computer Assisted Design for Ion Exchange Systems. Prof. Mierzwa

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Eletrodiálise Processo utilizado para separação de espécies iônicas da água; Utiliza membranas seletivas como barreira para as espécies iônicas: Existem membranas aniônica e catiônicas. O transporte ocorre por meio da aplicação de uma diferença de potencial elétrico entre as membranas. Prof. Mierzwa

Representação Esquemática do Processo de Eletrodiálise Prof. Mierzwa

Eletrodiálise (cont.) Neste processo pode ocorrer a eletrólise da água, com conseqüente formação de H2 e OH-; Em aplicações industriais centenas de pares de células são montadas em uma pilha, melhorando a eficiência do uso de energia; Prof. Mierzwa

Características de tensão e corrente em uma célula de eletrodiálise Prof. Mierzwa

Eletrodiálise (cont.) I = corrente elétrica ou densidade de corrente (A ou A/cm2); Z = valência do íon; = Constante de Faraday (96.500 coulombs/eq ou A.segundo/eq); q = vazão (L/s) DCi = Variação na concentração de íons entre a alimentação e o purificado (eq/L.cm2); = eficiência de aproveitamento da corrente elétrica; Teoricamente 1 Faraday é capaz de transferir 1 equivalente de cátions para o catodo e 1 equivalente de ânions para o anodo; A corrente se relaciona com o potencial elétrico pela lei de Ohm. Prof. Mierzwa

Eletrodiálise (cont.) Aplicações: Produção de água potável; Concentração de sais; Tratamento de efluentes; Obtenção de cloro e hidróxido. Prof. Mierzwa

Unidade de Eletrodiálise Prof. Mierzwa

Projeto de sistemas Os dados relativos à área de membrana e número de pares de células são obtidos com base na quantidade de íons a serem removidos; É necessário obter com os fornecedores das membranas informações relativas à eficiência de utilização de corrente e área dos módulos disponíveis. Prof. Mierzwa

Projeto dos Sistemas (cont.) Outro parâmetro crítico é a densidade de corrente limite; Este parâmetro refere-se à máxima corrente que pode ser aplicada ao sistema, para minimizar os problemas de polarização e eletrólise da água; Prof. Mierzwa

Projeto dos Sistemas (cont.) A intensidade de corrente a ser utilizada é obtida pela seguinte relação: I = densidade de corrente (A/cm2),  = constante de Faraday (Coulomb/eq); DCi = Diferença de concentração do componente i (purificado – alimentação – eq/L);  = eficiência de utilização de corrente; A = área do par de membranas (cm2); Rpm = Resistência do par de membranas (ohm/cm2), E = diferença de potencial elétrico (V). q = vazão (L/s ou L/h) Prof. Mierzwa

Projeto dos Sistemas (cont.) A densidade de corrente limitante pode ser determinada experimentalmente através da construção de um gráfico de E/i em função de 1/i; Com a corrente limitante pode-se obter a área de membrana necessária; A configuração do sistema de eletrodiálise é obtida com base na remoção de sais em cada estágio. Prof. Mierzwa

Exemplo da curva para obtenção da corrente limitante 1 / i (A-1) E / i (V / A) Ilim-1 Exemplo da curva para obtenção da corrente limitante Prof. Mierzwa

Projeto dos Sistemas (cont.) Para cada estágio no sistema de eletrodiálise é recomendado que a taxa de remoção de sais seja de 40 a 50%; Isto implica na necessidade de utilização de estágios sucessivos, caso a remoção de sais tenha que ser maior; Como alternativa para minimizar problemas de depósitos foram desenvolvidos os sistemas de eletrodiálise reversa. Prof. Mierzwa