PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento

Apresentação em tema: "PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento"— Transcrição da apresentação:

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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

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

15 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 H2SO4 NaOH Regeneração em conta corrente: Fonte: Prof. Mierzwa

16 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

17 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

18 Determinação do nível de regeneração de resinas DOWEX Marathon C
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19 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

20 Capacidade das resinas DOWEX em função do nível de regeneração
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21 Determinação do fator de correção da capacidade em função dos SDT
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22 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

23 Opção de tratamento com o fluxo de regeneração no mesmo sentido do abrandamento
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24 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

25 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

26 Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização
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27 Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização
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28 Possíveis arranjos para sistemas de desmineralização
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29 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

30 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

31 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

32 Critérios de projeto para sistemas de troca iônica
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33 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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35 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

36 Representação Esquemática do Processo de Eletrodiálise
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37 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

38 Características de tensão e corrente em uma célula de eletrodiálise
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39 Eletrodiálise (cont.) I = corrente elétrica ou densidade de corrente (A ou A/cm2); Z = valência do íon; = Constante de Faraday ( 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

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

41 Unidade de Eletrodiálise
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42 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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 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