Troca_Ionica.pdf

8/16/2019 Troca_Ionica.pdf

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ASSOCIAÇÃO EDUCACIONAL DE VITÓRIAFACULDADES INTEGRADAS SÃO PEDRO

UC DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS AGRONÔMICAS ENGENHARIA AMBIENTAL

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

TRANSFERÊNCIA DE MASSA POR

TROCA IÔNICA

Professor: Samir Aride2009/2

Adaptado de GONZALES, 2009


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TROCA IÔNICA

A operação de troca iônica pode ser vista como um casoespecial de adsorção, onde o adsorvente é uma resina

trocadora de íons especialmente preparada.


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Funcionamento

Os Trocadores iônicos são matrizes sólidas que contém áreasativas.

)(2)()(2 22

aq NaCa RaqCa Na R ++−⇔+− +++−


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TROCA IÔNICA

Originariamente a troca iônica foi utilizada paratratamento de água, tendo sido desenvolvidas váriasoutra aplicações, tais como:

Dessalinização de água salobra Separação de terras raras

Hidro metalurgia: Recuperação de metais de

soluções de lixiviação ou de correntes de rejeitos Indústria Farmacêutica: Recuperação de

antibióticos de mostos de fermentação

Resíduos nucleares Indústria Alimentícia

Agricultura


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TROCA IÔNICA

A resina trocadora de íons pode ser imaginada comosendo um gel homogêneo, através do qual estádistribuída uma rede de cadeias hidrocarbônicas às

quais estão ligados grupos iônicos imóveis.A carga dos grupos iônicos fixos são equilibradas pelascargas opostas de íons difusíveis.

Uma operação típica que ocorre durante uma trocaiônica é a de abrandamento da água (eliminação dadureza, com remoção de Ca++ e Mg++, que pode ser

representada simplificadamente pela seguinte equação:


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TROCA IÔNICA2[RSO3]

– Na+ + Ca++(ou Mg++) (RSO3)2 – Ca+(ou Mg+) + 2Na+

(SÓLIDO) (SOLUÇÃO) ( SÓLIDO) (SOLUÇÃO)

Considerando que esta reação é reversível, a resina

pode ser regenerada por meio da passagem de uma

solução saturada de cloreto de sódio pela resina queestá saturada com Ca++. Assim a resina ficará novamente

pronta para ser usada


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CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES

IÔNICOSPor 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 fraco• 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 e 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

Silicatos de Alumino (zeolitas)Argilas mineraisFeldspatos

SintéticasÓxidos metálicos hidratados (óxido de titânio hidratado)Sais insolúveis de metais polivalentes (fosfato de titânio)

Sais insolúveis de heteropoliácidos (molibdofosfatoamônico).Zeolitas sintéticas.


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ESTRUTURA DA REDE POLIMÉRICA

Tipo gelConhecidas como resinas micro porosas (tamanho deporo pequeno 1 nm) são polímeros homogêneos, e seussítios ativos estão distribuídos de maneira igual através

de toda a esfera.

Resinas macro porosas

Chamadas também macro reticulares (100 nm) ou deporos fixos, são fabricadas através de um processo quedeixa uma rede com grandes poros que permitem oingresso até às áreas interiores. Estas resinas tem umaaparência esponjosa, o que permite uma boa interaçãoentre os íons e as áreas ativas, mas também significaque a resina tem uma menor capacidade porque asesferas contem uma menor quantidade de áreas ativas, já que os poros podem ocupar entre o 10 e 30% do

espaço da resina, o que reduz a sua capacidade detroca iônica.


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• Resinas catiônicas de ácido forte : São produzidas porsulfonação do polímero com ácido sulfúrico. O grupofuncional é o ácido sulfônico, SO3H

-. Estas resinas trabalhamem qualquer pH, separam todos os sais e requerem umaquantidade elevada de regenerador. Esta é a resina que éescolhida para quase todas as aplicações de abrandamentode água.

• Resinas catiônicas de ácido fraco: O grupo funcional é umácido carboxílico COOH-, presente em um dos componentes,principalmente o ácido acrílico o metacrílico. Este tipo deresina é altamente eficiente e não precisa de uma quantidade

elevada de regenerador. Estas resinas tem uma menorcapacidade de troca iônica devido à variação na velocidadedo fluxo e a baixas temperaturas.

GRUPO FUNCIONAL


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• Resinas aniônicas de base forte: São obtidas a partirda reação de estireno-DVB (estireno divinil benzeno)com aminas terciárias. O grupo funcional é um sal deamônio quaternário. Os dois grupos principais destasresinas podem ser Tipo 1 (tem três grupos metilo) e asde tipo 2 (um grupo etanol substitui um dos gruposmetil)

• Resinas aniônicas de base fraca: Resinasfuncionalizadas com grupos de amina primária (NH4),secundária(NHR), e terciária (NR2). Podem ser

aplicadas na adsorção de ácidos fortes com boacapacidade, mas sua cinética é lenta.

• Resinas Quelantes ,são seletivas, mas são poucoutilizadas por ser custosas e cineticamente lentas.

GRUPO FUNCIONAL


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Etapas da Troca iônica1. Extração

2. Descompactação3. Regeneração

4. Enxuage.


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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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Cinéticaregeneração

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 característicos

dos trocadores iônicos• Capacidade de Troca: Quantidade de íons que uma

resina pode trocar em determinadas condições

experimentais, depende do tipo da área ativa. Éexpresso em equivalente/litro de resina ou grama deresina.

• Capacidade especifica teórica: Número Máximode áreas ativas da resina por grama. Este valor pode sermaior que a capacidade de troca, já que nem todas asáreas ativas são acessíveis aos íons em dissolução.

• Seletividade: Propriedade da resina de mostrar maiorafinidade por um íon que por outro, a resina preferirá osíons com os quais forme uma ligação mais forte.


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Coluna Industrial de Troca Iônica


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a

b

c

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


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Tratamento de águasDados básicos• Análises de água. Deve de ser feito em detalhe e

ser balanceado ionicamente.• Requerimento de qualidade. Expressa em termos

de condutividade do eletrólito de uma soluçãotratada.

• Taxa do fluxo do serviço.• Tipo e quantidade do regenerador.• Fluxo de regeneração.• Temperatura de regeneração.


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Diâmetro de colunas

• Varia de um centímetro (laboratório)até 5 metros.

• Unidades industriais - 0.8m – 5,0 m• Altura da resina de 10 cm – 3,5

metros.


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1. Adicione algunsmililitros de águadestilada em um cilindrograduado 10 ml e anote onível de água.Usando uma espátula,transfira com cuidado a

resina da troca de íon aocilindro.

Fazendo uma coluna da troca iônica


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2. Adicione bastante

resina para fazer o nível

de água levantar-se poraproximadamente 1,0 ml.


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3 . Gire o cilindro

graduado para que a

resina fique uma

pasta.

4. Derrame

rapidamente a pastana coluna de vidro.


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5. A resina deve ficar

no fundo da coluna

de vidro.


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6. Uma camada de

areia é adicionadasobre a resina para

mantê-la no lugar.


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7. A areia deve ter

granulometria de

aproximadamente1/4 de polegada.


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Carregando uma coluna e testando o efluente

8. Adicionar o

efluente ao alto dacoluna lentamente ecom cuidado, de modoa não perturbar a

camada de resina.A solução pode serderramada lentamenteabaixo do lado daabertura da coluna ouser adicionada gota agota, com uma pipeta.


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Carregando uma coluna e testando o efluente

9. Testar o pH compapel indicador

fazendo exame deuma gota do efluenteà parte de papel emum vidro de relógio.

O efluente ácido podesignificar que os

cátions estãodeslocando íons naresina de troca


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Altura da faixa azul do cu2+

10. A cor azul de íons

do cobre (II) évisível na resina nacoluna.


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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 dequantidade de í í on Presenteon Presente

Lmeq

meqmg

NOde Lmg Lmeq NO / 32,0

) / 62(

) / 20( / 33 ==

−

−


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

aredekgkgmeq

meqkg R

mass sin8,12

/ 300

10*84,3 3==

Quantidade de massa requeridaQuantidade de massa requerida

Volume requerido da resina Volume requerido da resina

3

3

3 0178,0720

8,12m

m

kg

kgm Rvol ==


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

http://www.rohmhaas.com/index.html

http://www.tecnociencia.es/especiales/intercambio_ionico/htm

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

http://www.dartmouth.edu/~chemlab/chem3-5/ionx1/full_text/procedure.html

GONZALES, LORGIO VALDIVIEZO. On line . Disponível em:

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