troca iÔnica lorgio valdiviezo gonzales operaÇÕes unitÁrias p ontifÍcia u niversidade c...
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TROCA IÔNICA
LORGIO VALDIVIEZO GONZALES
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO
DE JANEIRO
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TROCADOR IÔNICO
A operação de troca iônica é a troca entre íons presentes numa solução (contaminastes) e íons sólidos presentes na resina.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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• 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
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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.
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Funcionamento
Os Trocadores iônicos são matrizes sólidas que contém sítios ativos.
)(2)()(2 22 aqNaCaRaqCaNaR
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Matriz poli métrica(Resina Catiônica)
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Difusão
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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+
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Etapas da Troca iônica
1. Extração
2. Descompactação
3. Regeneração
4. Enxuage.
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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+
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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.
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APLICAÇÕES
• Tratamento de águas.
• Resíduos nucleares.
• Industria Alimentícia.
• Industria Farmacêutica.
• Agricultura.
• Hidro metalúrgica.
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a
b
c
Coluna Industrial de Troca Iônicaa) Distribuidor; b)Resina; c)Coletor
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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.
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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.
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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.
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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)
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Fazendo uma coluna da troca de íon
2. Adicione bastante resina para fazer o nível de água levantar-se por aproximadamente 1.0 mL
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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.
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Fazendo uma coluna da troca de íon
4. A resina fica no fundo da coluna de vidro.
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Fazendo uma coluna da troca de íon
5. Uma camada de areia é adicionada ao alto da resina para manter-se dentro no lugar.
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Fazendo uma coluna da troca de íon
6. A areia deve ter aproximadamente 1/4 de polegada grossa.
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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.
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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
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Altura da faixa azul do cu2+
10. A cor azul de íons do cobre (ii) é visível na resina na coluna.
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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
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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
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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.
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Análises Assumido.
• Cátions : 29,25 g/gal
• Anions : 29,25 g/gal
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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
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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).
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• 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)]
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• 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]
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• Gráfico
aniônica
30 gpm
14 400 gal
8 horas
catiônica
Enxuage
(15 * 75)
1125 gal
15 525gal
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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