PHD 5750 Tratamento avanado de guas de abastecimento
PHD 5750 – Tratamento avançado de águas de abastecimento Sistemas de troca iônica e eletrodiálise para tratamento de água
Conceitos básicos n O processo de troca iônica possibilita remover da água íons dissolvidos indesejáveis; n Os íons presentes na água são substituídos por uma quantidade equivalente de outras espécies iônicas; n No processo os íons da água são retidos em uma fase sólida imiscível denominada por resina. Prof. Mierzwa
Água de Alimentação H 2 O Na+ H 2 O Ca 2+ H 2 O Cl. Na+ CO 32 H 2 O Cl 2+ OH- Ca H+ + Mg 2 K+ H+ 2 SO 4 H+ OHHCO 3 - OH- Leito de Resinas H+ OH- OH- H+ H+ OH- H+ Resina Catiônica OH- Resina Aniônica H 2 O H 2 O Saída de Água Representação do processo de troca iônica Prof. Mierzwa
Conceitos básicos n Por se tratar de uma fase sólida insolúvel, as resinas apresentam capacidade limitada; n Em cada conta de resina existe um número limitado de sítios ativos; n Quando todos este sítios ativos são ocupados diz-se que a resina está saturada; n Como este processo envolve uma reação de equilíbrio químico, as resinas podem ter a sua capacidade recuperada. Prof. Mierzwa
Classificação das resinas n Em função do tipo de íon envolvido no processo, as resinas podem ser: n Resinas Catiônicas: n n n Apresentam capacidade para retenção de cátions; Os sítios ativos fixos apresentam carga negativa. Resinas Aniônicas: n Têm capacidade para retenção de ânions; n 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 n Os dois principais grupos de resina de troca iônica são subdivididos: n n Resinas catiônicas: n Fortemente ácida (CFA); n Fracamente ácida (Cf. A). Resinas aniônicas: n Fortemente básica (AFB); n Fracamente básica (Af. B). Prof. Mierzwa
Resinas CFA e Cf. A n O que distingue este grupos de resina é o grupo funcional ativo: n Nas resinas CFA o grupo funcional ativo é o ácido sulfônico (R-SO 3 -H+); n Nas resinas Cf. A o grupo funcional ativo é um ácido carboxílico (R-COO-H+). n Resinas CFA são adequadas para abrandamento de água e também desmineralização, operando em uma ampla faixa de p. H; n Resinas Cf. A não são adequadas para abrandamento e atuam em faixa de p. H de neutro para alcalino. Prof. Mierzwa
Limitação das resinas Cf. A 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 p. H. Prof. Mierzwa
Resinas AFB n As resinas AFB são divididas em dois subgrupos: n Tipo I e tipo II, cuja diferença é a basisidade que as mesmas apresentam; n Resinas do Tipo I têm um caráter básico mais forte, o que resulta em uma menor fuga de íons, principalmente sílica; n As resinas do Tipo II também possuem caráter básico forte, porém não possibilitam a remoção de sílica; n Como vantagem as resinas do Tipo II irão requer menor quantidade de regenerante; n O grupo funcional ativo das resinas AFB são as aminas quaternárias (R-N(CH 3)3+). Prof. Mierzwa
Resinas Af. B n São utilizadas em aplicações onde o objetivo é remover ânions de ácido forte (cloreto, sulfato e nitrato); n Não se aplicam para remoção de ânions fracamente ionizáveis (sílica e bicarbonato); n São empregadas em faixas de p. H ácido; n Como vantagem podem ser regeneradas com a quantidade estequiométrica de regenerante. Prof. Mierzwa
Seletividade das Resina Catiônica Fortemente Ácida¶ Cátion Resina Aniônica Fortemente Básica§ ai/Na+ nion ai/Cl- Ra 2+ 13, 0 Cr. O 42 - 100, 00 Ba 2+ 5, 8 Se. O 42 - 17, 00 Pb 2+ 5, 00 SO 42 - 9, 10 Sr 2+ 4, 80 HSO 4 - 4, 10 Cu 2+ 2, 60 NO 3 - 3, 20 Ca 2+ 1, 90 Br- 2, 30 Zn 2+ 1, 80 HAs. O 42 - 1, 50 Fe 2+ 1, 70 Se. O 32 - 1, 30 Mg 2+ 1, 67 HSO 33 - 1, 20 K+ 1, 67 NO 2 - 1, 10 Mn 2+ 1, 60 Cl- 1, 00 NH 4+ 1, 30 HCO 3 - 0, 27 Na+ 1, 00 CH 3 COO- 0, 14 H+ 0, 67 F- 0, 07 Prof. Mierzwa
Capacidade de troca das resinas n A capacidade de troca das resinas está relacionada à quantidade de sítios ativos presentes; n Esta quantidade de sítios ativos depende também do nível de regeneração das resinas; n Este nível de regeneração está associado à concentração da solução regenerante; n 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 (g/l) Capacidade Operacional Típica (lbs/ft 3) (eq/l) (kgr/ft 3) Regeneração co-corrente: HCl 80 - 120 5 - 7. 5 0. 8 - 1. 2 17. 5 - 26 H 2 SO 4 150 - 200 9. 5 - 12. 5 0. 5 - 0. 8 11 - 17. 5 Na. OH 80 - 120 5 - 7. 5 0. 4 - 0. 6 8. 5 - 13 Regeneração em conta corrente: HCl 40 - 55 2. 5 - 3. 5 0. 8 - 1. 2 17. 5 - 26 H 2 SO 4 60 - 80 3. 75 - 5 0. 5 - 0. 8 11 - 17. 5 Na. OH 30 - 45 2 - 2. 8 0. 4 - 0. 6 8. 5 - 13 Fonte: http: //www. dow. com/liquidseps/design/ix_guide. htm Prof. Mierzwa
Abrandamento por resinas catiônicas n Quando necessário, o abrandamento de água pode ser feito com resinas catiônicas; n Nesta aplicação as resinas estão condicionadas na forma sódica; n As reações envolvidas são: n 2 R-Na + Ca 2+ R 2 -Ca + 2 Na+ n 2 R-Na + Mg 2+ R 2 -Mg + 2 Na+ n No processo, paca cada átomo de cálcio ou magnésio retidos na resina dois átomos de sódio são liberados para a água: n 1 mg de Ca 2+ libera para a água 1, 15 mg de Na+; n 1 mg de Mg 2+ libera para a água 1, 89 mg de Na+. Prof. Mierzwa
Abrandamento por resinas catiônicas n A eficiência de redução da dureza depende da concentração de SDT na água e do nível de regeneração de resina; n O nível de regeneração da resina é então determinado pela dureza da água a ser obtida e da concentração de SDT; n 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 n Com o nível de regeneração necessário, deve-se determinar: n A capacidade de troca da resina para o nível de regeneração estabelecido; n O fator de correção para capacidade de troca em função: n Dos SDT; n Da temperatura da água de alimentação; n Da %NA em relação a dureza total na alimentação; n Da % de dureza em relação aos SDT na água produzida. n 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 n Fluxo de regenerante no mesmo sentido que a água no abrandamento: n n n Escoamento linear 12 m/h ou 16 Volumes do Leito/h; Profundidade do leito 75 cm Regeneração Solução de Na. Cl a 10%, em 25 minutos. n O volume de solução e a taxa de fluxo são determinadas com base no nível de regeneração adotado. n Para sistemas com regeneração em contra-fluxo a única alteração diz respeito à menor passagem de dureza; n 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 n O processo de desmineralização ou deionização consiste na remoção de todas as espécies iônicas da água; n Para isto devem ser utilizadas resinas catiônicas e aniônicas; n Em função da qualidade da água que se deseja obter podem ser utilizadas configurações variadas para o sistema; Prof. Mierzwa
Desmineralização n Podem ser utilizados leitos individuais, leitos mistos ou a combinação destes; n Um aspecto importante na deionização é a elevação da concentração de CO 2 na água após a passagem pelo leito catiônico; n 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 n É necessário obter a composição iônica da água a ser tratada; n n Cátions: n Cálcio; magnésio; sódio; potássio; amônio; etc. . . nions: n Cloreto; sulfato; bicarbonato; nitrato; fluoreto; etc. . . n É importante que seja obtido o equilíbrio de cargas entre cátions e ânions, podendo-se fazer ajustes com sódio ou cloreto; n Sílica e dióxido de carbono são considerados posteriormente; n A concentração de CO 2 pode ser estimada com base no valor do p. H. Prof. Mierzwa
Dimensionamento de sistemas de desmineralização n A partir dos requisitos de água que se deseja obter é selecionado: n A passagem máxima de contaminantes; n O nível de regeneração das resinas; n Os fatores de ajuste de capacidade. n Com a capacidade de troca das resinas estabelecida e volume de água a ser produzido, determina-se a quantidade de resinas. n 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 n Programa da empresa Dow Química; n CADIX 6. 0 – Computer Assisted Design for Ion Exchange Systems. Prof. Mierzwa
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Eletrodiálise n Processo utilizado para separação de espécies iônicas da água; n Utiliza membranas seletivas como barreira para as espécies iônicas: n Existem membranas aniônica e catiônicas. n 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. ) n Neste processo pode ocorrer a eletrólise da água, com conseqüente formação de H 2 e OH-; n 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/cm 2); 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. cm 2); = 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. ) n Aplicações: n Produção de água potável; n Concentração de sais; n Tratamento de efluentes; n Obtenção de cloro e hidróxido. Prof. Mierzwa
Unidade de Eletrodiálise Prof. Mierzwa
Projeto de sistemas n Os dados relativos à área de membrana e número de pares de células são obtidos com base na quantidade de íons a serem removidos; n 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. ) n Outro parâmetro crítico é a densidade de corrente limite; n 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. ) n A intensidade de corrente a ser utilizada é obtida pela seguinte relação: I = densidade de corrente (A/cm 2), = 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 (cm 2); Rpm = Resistência do par de membranas (ohm/cm 2), E = diferença de potencial elétrico (V). q = vazão (L/s ou L/h) Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n A densidade de corrente limitante pode ser determinada experimentalmente através da construção de um gráfico de E/i em função de 1/i; n Com a corrente limitante pode-se obter a área de membrana necessária; n A configuração do sistema de eletrodiálise é obtida com base na remoção de sais em cada estágio. Prof. Mierzwa
E / i (V / A) Ilim-1 1 / i (A-1) Exemplo da curva para obtenção da corrente limitante Prof. Mierzwa
Projeto dos Sistemas (cont. ) n Para cada estágio no sistema de eletrodiálise é recomendado que a taxa de remoção de sais seja de 40 a 50%; n Isto implica na necessidade de utilização de estágios sucessivos, caso a remoção de sais tenha que ser maior; n Como alternativa para minimizar problemas de depósitos foram desenvolvidos os sistemas de eletrodiálise reversa. Prof. Mierzwa
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