Um permutador de i ões é um material sintético utilizado na tecnologia industrial de água e águas residuais para remover iões indesejados de líquidos. Os permutadores de iões desempenham um papel central no tratamento da água, uma vez que podem remover especificamente catiões e aniões dissolvidos e substituí-los por iões desejados. Esta tecnologia é utilizada para amaciamento, desmineralização, produção de água ultrapura e remoção selectiva de determinados iões .
Índice
Fundamentos da tecnologia de permutadores de iões
Os permutadores de iões baseiam-se em resinas sintéticas com uma estrutura polimérica que estão equipadas com grupos funcionais. Estes grupos funcionais são capazes de se ligar a iões da solução e trocá-los por outros iões.
- Permutadores de catiões: Removem iões de carga positiva (catiões) como o sódio (Na⁺), o cálcio (Ca²⁺) e o magnésio (Mg²⁺).
- Permutadores de aniões: Removem iões de carga negativa (aniões), tais como cloreto (Cl-), nitrato (NO₃-) e sulfato (SO₄²-).
Tipos de permutadores de iões
1. permutador de catiões
Funcionalidade
Os permutadores de catiões contêm grupos funcionais ácidos, tais como grupos de ácido sulfónico (-SO₃H). Estes grupos libertam iões de hidrogénio (H⁺), que são então trocados com catiões na solução.
Tipos de permutadores de catiões
- Permutadores de catiões fortemente ácidos: Totalmente ionizados em toda a gama de pH. São adequados para aplicações como o amaciamento e a desmineralização.
- Permutadores de catiões fracamente ácidos: Eficazes na gama de pH neutro a ligeiramente alcalino. Ideal para remover a dureza de carbonatos.
Domínios de aplicação
- Amolecimento: Remoção de cálcio (Ca²⁺) e magnésio (Mg²⁺) para evitar a formação de calcário em tubagens e caldeiras.
- Remoção de metais pesados: Ligação de catiões tóxicos como o chumbo (Pb²⁺) ou o cobre (Cu²⁺) de águas residuais industriais.
2. permutador de aniões
Funcionalidade
Os permutadores de aniões contêm grupos funcionais básicos, tais como grupos de amónio quaternário (-NR₄⁺). Estes grupos trocam iões hidróxido (OH-) por aniões na solução.
Tipos de permutadores de aniões
- Permutadores de aniões fortemente básicos: Eficazes em toda a gama de pH, incluindo a remoção de ácidos fracos, como o ácido silícico (H₄SiO₄).
- Permutadores de aniões fracamente básicos: Apenas ligam ácidos fortes (por exemplo, HCl, H₂SO₄) e não são adequados para aniões fracos.
Domínios de aplicação
- Remoção de nitratos: Remoção de nitratos (NO₃-) da água potável para cumprir os limites legais.
- Tratamento de água ultrapura: Eliminação de todos os aniões, incluindo ácidos fracos como o ácido silícico.
Foto: O nosso sistema de permutador de iões ALMA ION com filtro multicamada ALMA FIL a montante
3. Resinas de leito misto
Funcionalidade
As resinas de leito misto combinam permutadores de catiões e aniões numa proporção definida para remover simultaneamente catiões e aniões da água. Este método conduz a uma desmineralização quase completa, uma vez que são trocados iões H⁺- e OH-, que se combinam para formar água (H₂O).
Domínios de aplicação
- Reinstwasserherstellung: In der Halbleiter- und Pharmaindustrie zur Erzeugung von Wasser mit einer Leitfähigkeit < 0,1 µS/cm.
- Fase de polimento após osmose inversa: Remoção de iões residuais após o pré-tratamento.
4. Resinas de água ultrapura
As resinas de água ultrapura são resinas de leito misto especialmente desenvolvidas e utilizadas para a produção de água ultrapura. Caracterizam-se por uma pureza e capacidade de troca extremamente elevadas. As aplicações incluem:
- Produção eletrónica: Lavagem de bolachas na indústria de semicondutores.
- Produção farmacêutica: Produção de soluções injectáveis (WFI - Water for Injection).
- Centrais eléctricas: Produção de água para caldeiras e turbinas a vapor.
5. permutadores de iões selectivos
Os permutadores de iões selectivos são resinas especialmente desenvolvidas que visam iões específicos, por exemplo, metais pesados ou aniões orgânicos. A sua capacidade selectiva é conseguida através da modificação química dos grupos funcionais.
Domínios de aplicação
- Remoção de metais pesados: Remoção de metais tóxicos como o arsénio (As), o mercúrio (Hg) ou o crómio (Cr).
- Remoção de amónio: Em estações de tratamento de águas residuais para a redução do amónio (NH₄⁺) das águas residuais.
- Remoção de boro: Utilizado na dessalinização da água do mar para remover o boro (B³⁺).
Foto: Permutador de iões em tanques GRP(ALMA ION)
Aspectos técnicos e dimensionamento
A seleção e o dimensionamento de um sistema de permuta iónica dependem de vários factores:
- Concentração de iões: A concentração dos iões a remover determina a quantidade de resina necessária.
- Caudal: Determina o tempo de contacto da água com a resina e influencia a eficiência.
- Temperatura de funcionamento: A maioria das resinas é adequada para temperaturas até 60 °C, enquanto as resinas especiais podem suportar temperaturas mais elevadas.
- Necessidade de regeneração: A regeneração é necessária para restaurar a capacidade de troca.
Regeneração de permutadores de iões
Os permutadores de iões devem ser regenerados regularmente para recuperarem a sua capacidade total. O processo difere entre os permutadores de catiões e de aniões:
Permutador de catiões
- Produtos químicos: Regeneração com ácidos como o ácido clorídrico (HCl) ou o ácido sulfúrico (H₂SO₄).
- Reação: Os catiões ligados são substituídos por iões H⁺.
Permutador de aniões
- Produtos químicos: Regeneração com soluções alcalinas como a soda cáustica (NaOH).
- Reação: Os aniões ligados são substituídos por iões OH-.
Resinas de leito misto
As resinas de leito misto requerem a regeneração separada das resinas catiónicas e aniónicas, que são depois misturadas novamente.
Vantagens e desafios
Vantagens
- Elevada eficiência na remoção de iões específicos.
- Adaptabilidade a diferentes aplicações através da seleção específica de resinas.
- Possibilidade de regeneração e reutilização.
Os desafios
- Custos dos produtos químicos de regeneração e da eliminação da água de lavagem.
- Redução da capacidade de permuta em caso de contaminação por substâncias orgânicas ou incrustações.
- Controlo e manutenção rigorosos para evitar bloqueios ou canalizações.
Conclusão
Os permutadores de iões são ferramentas indispensáveis na tecnologia da água industrial e das águas residuais. A sua versatilidade, eficiência e adaptabilidade fazem deles a solução ideal para o amaciamento, desmineralização e produção de água ultrapura, bem como para a remoção selectiva de iões problemáticos. Um bom planeamento, um dimensionamento correto e uma regeneração regular são essenciais para garantir um desempenho estável a longo prazo e cumprir os elevados requisitos de qualidade da água nas indústrias modernas.
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