A troca iônica envolve a remoção de componentes iônicos indesejados ou perigosos da água e sua substituição por íons inofensivos da resina de troca iônica usada. Os íons de reposição retidos temporariamente são então liberados em um líquido regenerador ou de lavagem.
O equipamento para realização do processo de troca iônica consiste em um vaso de pressão cilíndrico vertical com revestimento resistente à corrosão no qual está contida a resina. Normalmente, o vaso é implementado como uma coluna empacotada, com diversas configurações possíveis. As instalações incluem ainda o sistema de válvulas e tubulações por onde são direcionadas as águas tratadas ou a solução de regeneração nas respectivas direções. O sistema de regeneração de resina consiste em equipamentos de dessalinização e diluição.
Na parte superior ou inferior do vaso está localizado um sistema de distribuição uniforme do fluxo de água que entra, o que evita a formação de vazios na camada de resina de troca iônica. Este sistema também funciona como coletor da água de lavagem.
As resinas de troca iônica mais utilizadas são grânulos macroporosos com grupos funcionais catiônicos ou aniônicos. Eles podem ser:
- resinas catiônicas fortemente ácidas, neutralizando bases fortes e convertendo sais neutros em seus ácidos correspondentes;
- resinas catiônicas fracamente ácidas que podem neutralizar bases fortes e são utilizadas para desalcalinização;
- resinas aniônicas fortemente básicas, neutralizando ácidos fortes e transformando sais neutros em suas bases correspondentes;
- resinas aniônicas fracamente básicas, neutralizando ácidos fortes e aplicadas para desmineralização parcial.
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O ciclo de troca iônica inclui o processo em si, lavagem e remoção de partículas acumuladas e reclassificação da camada de resina de troca iônica. Na etapa de regeneração, utilizando um pequeno volume de solução altamente concentrada, a resina é recarregada com o íon correspondente, e os componentes iônicos indesejados são separados na solução de regeneração. A camada de resina de troca iônica é primeiro lavada lentamente com água, seguida por uma segunda lavagem com maior vazão de água para remover todos os vestígios da solução de regeneração.
Através da troca iônica, águas com concentrações iônicas iniciais de 10 a 1.000 mg/l podem ser tratadas e concentrações finais na faixa entre 0,1 e 10 mg/l podem ser alcançadas.
Princípio de funcionamento
A camada de resina de troca iônica tem geralmente entre 80 e 150 cm de espessura. Em alguns casos, uma camada de suporte de filtro de cascalho ou antracite é colocada abaixo dele. Em operação normal, a água entra na parte superior do vaso através do tubo, que a distribui sobre a superfície da camada de resina de troca iônica. A água purificada é coletada em uma tubulação no fundo do recipiente.
Nos últimos anos, vários novos designs de vasos de troca iônica têm sido cada vez mais utilizados, devido à sua maior eficiência e menor risco de vazamento. Em vasos de fluxo cruzado, a solução de regeneração move-se na direção oposta ao fluxo de água tratada. Isto significa que a resina na extremidade inferior da camada é regenerada ao mais alto grau, o que reduz o risco de vazamento. Porém, este tipo de vaso é mais suscetível a problemas operacionais, o que exige a imobilização da camada de resina durante a regeneração e pré-filtração do fluxo de água para diminuir a concentração de partículas em suspensão.
Impactos relacionados ao processo
A regeneração da resina de troca iônica resulta na formação de um pequeno volume de ácido concentrado ou solução alcalina contendo os íons removidos. Este líquido enriquecido deve ser tratado separadamente para remover íons, por exemplo, metais pesados podem ser separados por precipitação.
A água de lavagem da etapa de regeneração contém os mesmos íons que a solução salina, mas em concentrações relativamente baixas. A possibilidade de descarregar diretamente este fluxo ou a necessidade de tratá-lo é determinada pelas próprias concentrações. Em algumas fábricas, a água de lavagem proveniente da fase de regeneração é reutilizada em lavadores de gases de escape.
O processo de troca iônica envolve a utilização de resinas, soluções de regeneração, água de lavagem e energia para as bombas incluídas no sistema. Às vezes pode ser necessário adicionar produtos químicos adicionais, por exemplo, para suprimir o crescimento de microrganismos.
Deve ser realizado um monitoramento cuidadoso das entradas e saídas do recipiente de troca iônica. Entre os parâmetros a serem controlados estão a queda de pressão, a condutividade elétrica, o pH e a concentração de íons alvo no fluxo de água que entra no sistema.
Aplicabilidade
A troca iônica é um método adequado para remover: íons indesejados, como cátions ou ânions de metais pesados, por exemplo Cr3+ ou cádmio e seus compostos com baixas concentrações iniciais, Cr4Ó2- com alta concentração inicial; compostos inorgânicos ionizáveis; compostos solúveis, iônicos ou ionizáveis, como ácidos carboxílicos e sulfônicos, alguns fenóis, aminas e sais ácidos, aminas quaternárias, alquilsulfatos, etc.
A troca iônica é extremamente indicada como etapa final do tratamento de água, e sua maior vantagem está no potencial de regeneração da resina. Além de ser utilizado no tratamento de águas residuais, o método também é aplicado na purificação de água de lavagem e produtos químicos. A concentração de partículas suspensas no fluxo de água de entrada deve ser inferior a 50 mg/l para evitar entupimento do sistema. Para este propósito, é bom aplicar filtração por gravidade ou membrana antes do processo de troca iônica.
As vantagens da purificação de água por troca iônica incluem a capacidade de remover vários íons, a baixa sensibilidade às mudanças na taxa de fluxo, o potencial para alcançar alta eficiência e recuperação de íons valiosos e a disponibilidade de uma ampla variedade de resinas. As desvantagens do método incluem a necessidade de pré-filtração das águas, o crescimento de microrganismos na superfície da resina, a interferência resultante da presença de íons interferentes e a necessidade de tratamento dos precipitados resultantes e das soluções de regeneração.
Resinas de troca iônica
As resinas sintéticas de troca iônica consistem em pequenos grãos porosos que são insolúveis em água e solventes orgânicos. Os materiais mais utilizados para a estrutura principal das resinas são o poliestireno e o poliacrilato. O diâmetro dos grânulos varia entre 0,3 e 1,3 mm e consistem em 50% de água distribuída na estrutura gelatinosa da resina de troca iônica.
As resinas catiônicas fortemente ácidas estão entre as mais comumente utilizadas. Eles representam uma matriz polimérica à qual estão ligados grupos funcionais, por exemplo sulfonato. Este tipo de resina é regenerada com solução de sal de sódio em aplicações de amaciamento ou com solução ácida em aplicações de desmineralização de água.
Resinas de troca catiônica fortemente ácidas são amplamente utilizadas em sistemas de amaciamento e são extremamente eficazes na remoção de íons de magnésio e cálcio associados à dureza da água. Também são adequados para aplicações em que são utilizados dois tipos de resinas em paralelo – a primeira para amaciamento e obtenção de solução alcalina, e a segunda para desmineralização, resultando na redução da alcalinidade do fluxo de água misturada. Também foram desenvolvidas algumas variedades de resinas catiônicas fortemente ácidas, projetadas para remover, por exemplo, íons de bário e rádio da água potável. Essas resinas podem ser danificadas por oxidantes e contaminadas por compostos de ferro e manganês.
As resinas catiônicas fracamente ácidas removem cátions associados à alcalinidade da água (dureza temporária). Os grupos funcionais destas resinas são geralmente ácidos carboxílicos, e a sua regeneração é realizada com ácido sulfúrico ou clorídrico. Este tipo de resinas são utilizadas para desmineralização e desalcalinização. Sua alta afinidade por cátions bivalentes os torna adequados para a remoção de íons associados à dureza e alcalinidade da água. Com alta dureza temporária do fluxo de água, resinas catiônicas fracamente ácidas podem ser incorporadas em um processo de troca iônica em duas etapas. Este tipo de resina também se caracteriza pela resistência relativamente elevada à oxidação e durabilidade mecânica, o que determina a sua aplicabilidade a correntes contendo oxidantes como peróxido de hidrogênio e cloro por exemplo.
As resinas aniônicas fortemente básicas vêm em muitas variedades, incluindo Tipo 1, Tipo 2 e acrílicas ou macroporosas. Cada um dos tipos individuais está associado a um conjunto exclusivo de benefícios e limitações que devem ser adaptados à aplicação específica. Essas resinas são geralmente utilizadas para desmineralização e desalcalinização, bem como para remoção de nitrogênio orgânico total (TOC) e outros componentes orgânicos dependendo do tipo de resina. As resinas de troca iônica tipo 1 são utilizadas para remoção seletiva de nitratos, sulfatos e percloratos, para desmineralização geral e remoção de íons de silício. As resinas tipo 2 são usadas para aplicações onde a remoção completa de ânions é necessária e onde baixas concentrações de silício não são críticas para o processo.
As resinas aniônicas fracamente básicas são o único tipo sem íons trocáveis - elas adsorvem os íons ácidos. Possuem grupos funcionais amina e geralmente são regenerados com hidróxido de sódio, amônia ou carbonato de sódio. Este tipo de resina é utilizado para desmineralização parcial. Em plantas maiores projetadas para desmineralização completa, além da camada de resina aniônica fracamente básica, pode ser adicionada uma camada de resina aniônica fortemente básica. Resinas fracamente básicas também são usadas para remover cloretos, sulfatos, nitratos e outros ânions associados a ácidos fortes. Eles não são eficazes na remoção de compostos fracamente ácidos, como sílica e dióxido de carbono.
Há também uma série de resinas especiais de troca iônica disponíveis no mercado, projetadas para diversas aplicações específicas. As resinas quelantes são o tipo de resina especial mais amplamente utilizado e são aplicadas para a remoção seletiva de certos metais. Os grupos funcionais das resinas especiais variam muito dependendo da aplicação, podendo ser tiol, ácido aminofosfórico, etc.
As resinas quelantes são amplamente utilizadas para remover metais como cobalto e mercúrio. Outro tipo de resinas especiais são as resinas de troca iônica magnética, que são usadas para separar a matéria orgânica natural dos cursos de água.
