TROCA IÔNICA

LORGIO VALDIVIEZO GONZALES

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO

DE JANEIRO

TROCADOR IÔNICO

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

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

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.

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.

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.

Grupo funcional• Resinas catiónicas de ácido forte : São produzidas por

sulfonação do polímero com ácido sulfúrico. O grupo funcional é o ácido sulfônico, -SO3H, 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.

• 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.

• 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.

Grupo funcional

Preço das Resinas Resinas

Cost($/ft3)

• 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…………………………….. 330-600Note.--1997 dollar.

Funcionamento

Os Trocadores iônicos são matrizes sólidas que contém sítios ativos.

)(2)()(2 22 aqNaCaRaqCaNaR

Matriz poli métrica(Resina Catiônica)

Difusão

Cinética

Extração

Ca++Mg++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++Ca++

Ca++

Ca++Ca++Mg++

Mg++ Mg++

Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Ca++ Na+

Na+

Etapas da Troca iônica

1. Extração

2. Descompactação

3. Regeneração

4. Enxuage.

Cinética

regeneração

Na+Na+Na+

Na+Na+Na+ Na+

Na+Na+ Na+ Na

+

Na+Na+Na+Na

+Na+Na+

Na+

Na+ Na+

Na+

Na+Na+Na+

Na+

Na+Ca++

Ca++

Ca++

Ca++

Ca++Ca++

Ca++

Mg++

Mg++

Mg++

Mg++

Mg++

Mg++Mg++

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Parâmetros característicosdo 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.

APLICAÇÕES

• Tratamento de águas.

• Resíduos nucleares.

• Industria Alimentícia.

• Industria Farmacêutica.

• Agricultura.

• Hidro metalúrgica.

a

b

c

Coluna Industrial de Troca Iônicaa) Distribuidor; b)Resina; c)Coletor

Tratamento de águasData 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.

Considerações Gerais:

• TSD. Total sólidos suspendidos (ânions e Cátions).

• Cátions com unes.

• Ânions com unes

22 ,, MgCaNa

243323 ,,,,, SONOClHCOCOOH

. 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.

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.

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)

Fazendo uma coluna da troca de íon

2. Adicione bastante resina para fazer o nível de água levantar-se por aproximadamente 1.0 mL

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.

Fazendo uma coluna da troca de íon

4. A resina fica no fundo da coluna de vidro.

Fazendo uma coluna da troca de íon

5. Uma camada de areia é adicionada ao alto da resina para manter-se dentro no lugar.

Fazendo uma coluna da troca de íon

6. A areia deve ter aproximadamente 1/4 de polegada grossa.

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.

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

Altura da faixa azul do cu2+

10. A cor azul de íons do cobre (ii) é visível na resina na coluna.

1. Problema de aplicação

• Determine a massa e o volume requerido da resina para tratar 1200 m3 de água contendo 20 mg/L do íon Nitrato

• Considerar Capacidade de resina 300 meq/Kg.• Densidade de resina 720 kg/m3

quantidade de íon Presentequantidade de íon Presente

Lmeqmeqmg

NOdeLmgLmeqNO /32,0

)/62(

)/20(/ 3

3

meq10*3,84)L/m)(100mmeq/L)(120(0,32 3333

aredekgkgmeq

meqkgRmass sin8,12

/300

10*84,3 3

Quantidade de massa requeridaQuantidade de massa requerida

Volume requerido da resinaVolume requerido da resina

3

3

3 0178,0720

8,12m

mkgkg

mRvol

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/ft3 .min (usualmente

usadas).• Regeneração cada 8 horas• Calcular o total de água tratada em coluna

Catiônica• Calcular Volume da resina Catiônica.

Análises Assumido.

• Cátions : 29,25 g/gal

• Anions : 29,25 g/gal

Capacidade Resina Catiônica• Capacidade g /ft3 = 11 000

• Acido sulfúreo lb/ft3 = 5

• Enxuage gal/ft3 = 125

Capacidade Resina aniônicaCapacidade Resina aniônica• Capacidade g /ft3 = 20 000• Soda lb/ft3 = 5,3• Enxuage gal/ft3 = 75

Dados fabricante

solução

• Mínimo de resinas requerido será : 30/2 =15 ft3.(fluxo total / relação da resina).

• Água tratada antes regeneração (8 horas)= 30*60*8=14 400 gal (Fluxo total * fatores conversão).

• 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)]

• Neto de Água/ft3 –cátion (11,000/29.25 )-125 = 250 gal .

[Capacidade de resina catiônica /catiônica total – Água de enxágüe]

• Resina catiônica Requerida = 15 525/250 =62 ft3

• [Quantidade de água total produzida de cátion / Neto de água]

• Gráfico

aniônica

30 gpm

14 400 gal

8 horas

catiônica

Enxuage

(15 * 75)

1125 gal

15 525gal

Bibliografia

• Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry “Ion Exchangers” 2001,sixth edition.

• http://www.rohmhaas.com/index.html• http://www.tecnociencia.es/especiales/intercam

bio_ionico/htm• http://www.remco.com/ix.htm