Resinas de troca iônica: Diferenças entre Gaussianas e Uniformes

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O processo de descontaminação da água envolve o uso de diferentes tecnologias para que ela apresente qualidade em diversas indústrias e áreas de serviço. As resinas de troca iônica são uma boa alternativa na remoção de íons da água, realizando trocas catiônicas e aniônicas.

Elas podem ser classificadas como Gaussianas e Uniformes. Para compreender melhor as características e diferenças entre as duas, a Liter preparou um guia prático, apresentado a seguir:

Granulometria de resinas de troca iônica

Muitas propriedades das resinas de troca iônica são responsáveis por conferir sua eficiência operacional quando aplicadas em sistemas de leito fixo. Um dos atributos mais importantes de avaliação em diferentes tipos de resina diz respeito às suas características granulométricas, que informam sua distribuição de tamanho de partículas.

As resinas Gaussianas (chamadas de resinas não Uniformes em alguns casos) possuem uma distribuição de tamanho de partículas que pode ser ajustada pela Curva de Frequência de Gauss, e por isso recebem esta denominação. Em geral, as resinas desta classe apresentam tamanhos de partículas de 300 a 1200 µm, e seu processo produtivo exige menos controle operacional nos reatores de polimerização.

As resinas chamadas de Uniformes exigem um processo produtivo mais controlado, para se obter tamanhos de partículas próximos. Normalmente, os resultados de tamanho de partícula para estas resinas são apresentados com o valor e um desvio padrão, como por exemplo 550±50 µm.

A Figura 1 mostra fotos microscópicas de uma resina Gaussiana e uma Uniforme. Os gráficos de distribuição granulométrica são mostrados aos lados das fotos.

Figura 1 – Fotos microscópicas e gráficos de distribuição granulométrica das resinas de troca iônica.

Visualmente já podemos notar a diferença de estrutura entre as resinas Gaussianas e Uniformes. A do tipo Gaussiana é composta por diferentes tamanhos de partícula, algumas maiores e outras menores. Para a resina Uniforme, observamos que as partículas possuem tamanhos parecidos.

A seguir, veremos quais as implicações causadas no processo de troca iônica pela diferença granulométrica das resinas.

Influência no processo de troca iônica

A Figura 2 mostra um desenho representativo de duas colunas de troca iônica industriais, uma utilizando resina Gaussiana e outra resina Uniforme.

Figura 2 – Comparativo entre a aplicação de resinas Gaussianas e Uniformes em leitos fixos industriais.

Quando a água contendo íons é passada pelo leito de resina temos o início do processo de troca iônica, no qual os íons a serem removidos migram para a resina, enquanto a resina libera o contraíon da sua estrutura para a água. Durante a condução desse processo temos a formação da zona de transferência de massa, que oferece dados da performance cinética do leito de resinas. Quanto menor o tamanho da zona de transferência de massa, maior o uso da resina introduzida nas colunas de troca iônica.

Observando a Figura 2, notamos que para a resina Gaussiana a frente de exaustão da resina chega à base da coluna e uma parcela da resina não foi devidamente utilizada, enquanto para a resina Uniforme a totalidade da resina é utilizada. Na prática, essa condição oferece menor consumo de regenerantes, mais eficiência de remoção dos íons de interesse e mais eficiência de regeneração das resinas.

Na Figura 3 podemos observar um gráfico que demonstra como a capacidade operacional de troca iônica varia de acordo com a velocidade específica da água introduzida no leito de resina.

Figura 3 – Dependência da capacidade operacional de troca iônica com a velocidade específica da água para resinas Gaussianas e Uniformes.

Analisando o gráfico, podemos comprovar o que foi mencionado anteriormente: que as resinas Uniformes oferecem condições operacionais mais eficientes. Uma maior capacidade operacional de troca iônica significa que mais água poderá ser tratada utilizando o mesmo volume de resina.

Observamos também que o decréscimo no valor da capacidade operacional de acordo com a velocidade é mais severo para resinas Gaussianas, e isso é justificado devido à sua pior condição de transferência de massa.

A Figura 4 ilustra o comportamento das resinas Gaussianas e Uniformes aplicadas para desmineralização de água, em colunas com regeneração co-corrente.

A análise dos dados da Figura 4 mostra a maior eficiência das resinas Uniformes para desmineralização de água. A resina Uniforme apresenta uma rápida estabilização da qualidade de água tratada e é capaz de tratar maiores volumes de água. A qualidade da água desmineralizada é também superior para a resina Uniforme.

Figura 4 – Comparativo entre as resinas Gaussianas e Uniformes para o processo de desmineralização de água em colunas com regeneração co-corrente.

Características cinéticas

Para entender melhor a influência do tamanho das esferas de resina no processo de remoção de íons da água, vamos considerar o exemplo de uma resina aplicada ao abrandamento de água. Considere a presença de cátions de Ca2+ na água, e para a remoção iremos aplicar uma resina catiônica forte, no ciclo de Na+. A Figura 5 ilustra o exemplo mencionado.

Primeiramente, o Ca2+ presente na água deverá se transferir para a resina e atingir os sítios de troca iônica contendo os íons Na+. Esse processo recebe o nome de difusão, um mecanismo de transferência de massa. A troca iônica ocorrerá apenas quando o Ca2+ atingir os sítios.

Quanto maior o diâmetro da esfera de resina, maior será o caminho que o Ca2+ deverá percorrer para atingir os sítios internos da estrutura da resina. Este fato é de extrema importância, uma vez que 99% dos sítios ativos da resina estão no seu interior. Se o caminho de difusão for maior, o Ca2+ levará mais tempo para atingir o seu objetivo.

Figura 5 – Resina catiônica aplicada à remoção de dureza da água, analisando uma única esfera de resina.

Tecnicamente, isso reflete em um menor desempenho cinético para a resina de troca iônica. Para as resinas Gaussianas, temos uma distribuição de pequenas partículas (que são preenchidas por Ca2+ mais rapidamente) e grandes partículas (nas quais não se utilizam todos os sítios de troca iônica).

Durante a regeneração, no processo inverso, o contrário também é verdadeiro. Para realizar a regeneração das resinas Gaussianas os tempos para a completa expulsão dos cátions de Ca2+ são diferentes devido à diferença no diâmetro das partículas.

Para as resinas Uniformes, o preenchimento dos sítios ativos ocorre de maneira mais homogênea e, ao decorrer do processo, a maioria das partículas tem seu preenchimento total com os íons de Ca2+. Durante a regeneração as esferas de resina também alcançam o mesmo grau de conversão para a forma de Na+. Esta característica é responsável pelo melhor desempenho cinético de resinas Uniformes aplicadas em colunas de leito fixo de troca iônica.

A granulometria das resinas não é o único fator que influencia nas propriedades cinéticas do processo. Para uma avaliação completa deve-se observar as características como um todo.

Comparativo entre as resinas

O Quadro 1 apresenta um comparativo entre as principais características de processo para as resinas Gaussianas e Uniformes.

Quadro 1 – Comparativo entre as resinas Gaussianas e Uniformes

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