curso completo tratamento de águas industriais disciplina puc RJ

Prévia do material em texto

PUC-Rio Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Programa Interdepartamental de Engenharia Ambiental
Operações Unitárias em Operações Unitárias em 
Tecnologia AmbientalTecnologia Ambiental
Versão Set 06Versão Set 06--11
Prof. Luiz Alberto Cesar Teixeira,
com seminários de:
Ana Christina Wimmer,
Fernando Serrapio,
Gabriela Huamán,
Lesly Mamani. 
A cópia e utilização do conteúdo parcial ou total deste arquivo 
está autorizada somente para alunos da PUC-Rio.
Operações Unitárias em Tecnologia AmbientalOperações Unitárias em Tecnologia Ambiental
Visam ao controle de Poluição devida a:Visam ao controle de Poluição devida a:
Emissões de Efluentes LíquidosEmissões de Efluentes Líquidos;;
Emissões GasosasEmissões Gasosas;;
Geração de Resíduos Sólidos PerigososGeração de Resíduos Sólidos Perigosos
OperaçõesOperações dede Tratamento deTratamento de ÁguasÁguas e Efluentes e Efluentes 
Líquidos IndustriaisLíquidos Industriais
•• EqualizaçãoEqualização
•• NeutralizaçãoNeutralização
•• Oxidação / ReduçãoOxidação / Redução
•• PrecipitaçãoPrecipitação de de impurezasimpurezas
•• Separação de ÓleoSeparação de Óleo
•• FlotaçãoFlotação
•• Tratamentos biológicosTratamentos biológicos
•• CoagulaçãoCoagulação de de colóides / Floculação / Decantaçãocolóides / Floculação / Decantação
•• Filtração / ClarificaçãoFiltração / Clarificação
•• ProcessosProcessos de de MembranasMembranas (MF, UF, NF, OR)(MF, UF, NF, OR)
•• AdsorçãoAdsorção
•• Troca IônicaTroca Iônica com com ResinasResinas
•• DesinfecçãoDesinfecção
Operações de Tratamento de Emissões GasosasOperações de Tratamento de Emissões Gasosas
–– DespoeiramentoDespoeiramento
–– LavagemLavagem
–– Incineração (Flare)Incineração (Flare)
Operações de Tratamento de Resíduos SólidosOperações de Tratamento de Resíduos Sólidos
•• InertizaçãoInertização
•• Descarte / ConfinamentoDescarte / Confinamento
Em busca da Legislação Aplicável:
• MMA
• CONAMA
• ANA
• FEEMA (no RJ)
• SMMA (PRJ)
Resolução CONAMA 357 / 2005 - Classes de Águas e Descarte de Efluentes
Adobe Acrobat 7.0 
Document
Cálculos básicos para projetos de ETEs
ExemploExemplo 1:1:
CalcularCalcular a a CargaCarga poluidorapoluidora máximamáxima de de cromocromo suportávelsuportável porpor um um riorio de de ClasseClasse 2 2 
e vazãoe vazão de de referênciareferência: Q: QMM = 10’000 = 10’000 mm33/h./h.
Exemplo 2:
Um rio de vazão de referência QM = 50 L/s, que é classificado para uso de Classe 2 em
um determinado trecho de 100 km, já apresenta contaminação por CN igual a [CN] = 
0.0009 mg/L. Uma fábrica que está solicitando licença prévia para futura operação na
região com descarte de efluente contendo CN neste mesmo rio, prevê em projeto, o 
descarte de Qe = 500 m3/h de efluente contendo CN com concentração dentro do
padrão de lançamento de efluentes, ou seja menor ou igual a 0.2 mg/L. Calcular se (e 
em que condições) essa operação poderá vir a ser licenciada de acordo com a 
Resolução CONAMA 357/05.
Cálculos básicos para projetos de ETEs
Exemplo 3:
Uma indústria gera um efluente líquido decorrente de um banho esgotado de 
decapagem de latões, de volume = 10 m3, uma vez ao dia. Esse efluente será
tratado e desaguado em um córrego de Classe 2 que tem vazão de referência Q = 
5 m3/h e apresenta uma concentração natural média de [Cu]=0.001 mg/L e 
[Zn]=0.001 mg/L. Pede-se esquematizar as características necessárias para o 
efluente tratado (concentrações máximas dos metais) e regime de lançamento
necessário, para atender às disposições da legislação.
Os padrões a serem considerados para o corpo receptor são: [Cu]=0.009 mg/L e 
[Zn]=0.18 mg/L.
Repetir o cálculo considerando a vazão do rio = 500 m3/h.
Conceitos de OD, DQO e DBO
•• NecessidadeNecessidade de de proteçãoproteção dada vidavida aquáticaaquática / / assegurarassegurar padrõespadrões mínimosmínimos de OD de de OD de 
modomodo a a nãonão se se terter mortandademortandade de de peixespeixes e e outrosoutros organismosorganismos AdoAdoççãoão dos dos 
conceitosconceitos, , mensuramensuraççãoão e e controlecontrole de DQO de DQO e/oue/ou DBO.DBO.
•• DQO = DQO = demandademanda total de Ototal de O22 devidodevido ao consumo porao consumo por substânciassubstâncias recalcitrantesrecalcitrantes ((nãonão--
biobio--degraddegradááveisveis) + ) + demandademanda de Ode O22 devidodevido ao consumo porao consumo por substânciassubstâncias biobio--
oxidoxidááveisveis ((DBO) DBO) 
expresso em mg Oexpresso em mg O22 / L da água ou efluente que contém a referida DQO ou DBO./ L da água ou efluente que contém a referida DQO ou DBO.
Cálculos básicos para projetos de ETEs
ExemploExemplo 4:4:
CalcularCalcular o valor o valor máximomáximo dada DBODBO de um de um efluenteefluente industrial industrial –– geradogerado emem vazãovazão
contínuacontínua de 100 m3/h (24 de 100 m3/h (24 h/dh/d), ), parapara queque o o mesmomesmo possapossa ser ser lançadolançado emem um um riorio
de de classeclasse 2, com 2, com vazãovazão de de referênciareferência igualigual a 100 a 100 L/s. L/s. 
ExemploExemplo 5:5:
•• UmaUma indústriaindústria galvânicagalvânica fabricafabrica peçaspeças de de açoaço cromadocromado de de acordoacordo com a com a 
seguinteseguinte seqüenciaseqüencia de de operaçõesoperações: [1] : [1] desengraxedesengraxe com com soluçãosolução de de NaOHNaOH; [2] ; [2] 
lavagemlavagem com com águaágua dasdas peçaspeças desengraxadasdesengraxadas; [3] ; [3] decapagemdecapagem ácidaácida (H2SO4) (H2SO4) 
parapara remoçãoremoção de de ferrugemferrugem superficial; [4] superficial; [4] lavagemlavagem com com águaágua dasdas peçaspeças
decapadasdecapadas; [5] ; [5] cobreamentocobreamento eletrolíticoeletrolítico dasdas peçaspeças com com eletrólitoeletrólito alcalinoalcalino de de 
Cu(CN)2; [6] Cu(CN)2; [6] lavagemlavagem com com águaágua dasdas peçaspeças cobreadascobreadas; [7] ; [7] cromagemcromagem eletrolíticaeletrolítica
dasdas peçaspeças com com eletrólitoeletrólito ácidoácido de CrO3; [8] de CrO3; [8] lavagemlavagem final com final com águaágua e [9] e [9] 
secagemsecagem..
•• As As águaságuas de de lavagemlavagem sãosão geradasgeradas continuamentecontinuamente, , cadacada umauma com com vazãovazão de 10 de 10 
m3/h. m3/h. UmaUma vezvez a a cadacada 60 60 diasdias, , osos banhosbanhos de de desengraxedesengraxe, , decapagemdecapagem, , 
cobreamentocobreamento e e cromagemcromagem ((cadacada banhobanho tem 10 m3), tem tem 10 m3), tem queque ser ser descartadosdescartados
parapara queque banhosbanhos novosnovos sejamsejam preparadospreparados. . SabeSabe--se se queque osos efluentesefluentes geradosgerados
nessanessa indústriaindústria serãoserão tratadostratados e e lançadoslançados emem um um riorio de de classeclasse 2 com 2 com vazãovazão de de 
referênciareferência QM = 100 m3/h. QM = 100 m3/h. PedePede--se: (1) se: (1) identificaridentificar osos contaminantescontaminantes queque
precisarãoprecisarão ser ser controladoscontrolados nana ETE; (2) ETE; (2) EstabelecerEstabelecer o regime de o regime de lançamentolançamento dos dos 
efluentesefluentes ((QeQe); (3) ); (3) CalcularCalcular as as concentraçõesconcentrações máximasmáximas dos dos elementoselementos
controladoscontrolados no no efluenteefluente final final parapara queque o o mesmomesmo possapossa ser ser lançadolançado emem
conformidadeconformidade legal. legal. SuporSupor queque a a montantemontante do do lançamentolançamento o o riorio nãonão apresentaapresenta
contaminaçãocontaminação com com osos elementoselementos contidoscontidos no no efluente.efluente.
Gerenciamento de Efluentes / Princípios de Projeto de Gerenciamento de Efluentes / Princípios de Projeto de ETEsETEs
Caso genérico: Indústria gerando diversos tipos de efluentes líquidos de 
características físico-químicas diversas e vazões variáveis .
Caracterizar os efluentes quanto a aspectos físico-químicos (pH, 
[substâncias controladas], DBO, DQO, SS, temperatura, vazão, ….(valores 
médios e distribuição)
Verificar limites legais para descarte e demaisdispositivos legais aplicáveis 
(níveis federal / estadual / municipal).
Verificar junto ao Orgão de Controle Ambiental: classe do corpo receptor, 
vazão de referência.
Verificar necessidade de tanque(s) de equalizaVerificar necessidade de tanque(s) de equalizaççãoão
Verificar possibilidade de Verificar possibilidade de inter diluiinter diluiççãoão / neutraliza/ neutralizaçção ão de efluentesde efluentes
Calcular limites operacionais para descarteCalcular limites operacionais para descarte
Fazer levantamento de mFazer levantamento de méétodos analtodos analííticos aplicticos aplicááveis (operacionais e legais)veis (operacionais e legais)
Selecionar tecnologias de tratamento / avaliar eficiência, simplSelecionar tecnologias de tratamento / avaliar eficiência, simplicidade icidade 
operacional, custos, disponibilidade de reagentes, assistência toperacional, custos, disponibilidade de reagentes, assistência téécnica, cnica, 
manutenmanutençção,ão,
AtenAtenççãoão aosaos tratamentostratamentos extremosextremos: : osmoseosmose reversareversa + + secagemsecagem / / incineraincineraççãoão / / 
disposidisposiççãoão final de final de resresííduosduos
Executar Executar ensaios de tratabilidade emensaios de tratabilidade em laboratlaboratóóriorio
Executar testes plantaExecutar testes planta--piloto >> parâmetros para projeto da ETEpiloto >> parâmetros para projeto da ETE
Rever custos / eficiênciaRever custos / eficiência
Montar projeto executivoMontar projeto executivo
Executar construExecutar construçção / montagemão / montagem
Partida da ETE Partida da ETE 
OperaOperaçção regularão regular
Operações de Equalização e Neutralização de EfluentesOperações de Equalização e Neutralização de Efluentes
Cálculo de Tanque de Equalização:Cálculo de Tanque de Equalização:
Hora do dia (h)Hora do dia (h) Q (gal/min)Q (gal/min) V (gal)V (gal)
88 5050 30003000
99 9292 55205520
1010 230230 1380013800
1111 310310 1860018600
1212 270270 1620016200
1313 140140 84008400
1414 9090 54005400
1515 110110 66006600
1616 8080 48004800
1717 150150 90009000
1818 230230 1380013800
1919 305305 1830018300
2020 380380 2280022800
2121 200200 1200012000
2222 8080 48004800
2323 6060 36003600
2424 7070 42004200
11 5555 33003300
22 4040 24002400
33 7070 42004200
44 7575 45004500
55 4545 27002700
66 5555 33003300
77 3535 21002100
Exemplo:Exemplo:
Com os dados de Com os dados de 
vazão vs tempo da vazão vs tempo da 
tabela ao lado, tabela ao lado, 
calcular o volume calcular o volume 
mínimo teórico de um mínimo teórico de um 
tanque de equalização tanque de equalização 
capaz de amortecer as capaz de amortecer as 
flutuações de vazão flutuações de vazão 
para alimentar a ETE para alimentar a ETE 
com vazão constante.com vazão constante.
Indústria
Matéria Prima +Matéria Prima +
InsumosInsumos águaágua
ProdutosProdutos
Emissões GasosasEmissões Gasosas
Resíduos SólidosResíduos Sólidos
Efluentes LíquidosEfluentes Líquidos
ETAETA
ETEETE
Água Industrial: tratar para descartar ou tratar para reutilizar – Caso 1
Ri
o
Considerar os seguintes custos:
Produção de Água Ind: CPA = 1.00 R$/m3
Trat. Efluentes para descarte: CTED = 1.00 R$/m3
Trat. Efluentes para reuso: CTEPR = 0.10 R$/m3
Trat. Efluentes do reuso: CTER = 1.00 R$/m3
Taxa de Outorga ANA: TO-ANA = 0.25 R$/m3
Consumo de água no Processo Ind. = 1000 m3/h
TRTR
Indústria
Matéria Prima +Matéria Prima +
InsumosInsumos águaágua
ProdutosProdutos
Emissões GasosasEmissões Gasosas
Resíduos SólidosResíduos Sólidos
Efluentes LíquidosEfluentes Líquidos
ETAETA
ETEETE
Água Industrial: tratar para descartar ou tratar para reutilizar – caso 2
Ri
o
Considerar os seguintes custos:
Produção de Água Ind: CPA = 1.00 R$/m3
Trat. Efluentes para descarte: CTED = 1.00 R$/m3
Trat. Efluentes para reuso: CTEPR = 1.50 R$/m3
Trat. Efluentes do reuso: CTER = 5.00 R$/m3
Taxa de Outorga ANA: TO-ANA = 0.25 R$/m3
Consumo de água no Processo Ind. = 1000 m3/h
TRTR
Exemplo 1
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
Em uma torre de resfriamento, a queda de temperatura da água é provocada pela
Evaporação de uma pequena parte da água de recirculação.
Admitindo que a água que entra na torre está a 35 oC, que a água que sai está a 
25 oC e que a vazão de circulação é de Q = 1000 m3/h, calcule a perda de água 
por evaporação (E) em m3/h.
Dados:
Calor específico sensível da água (c) = 1.00 kcal/(kg.oC)
Calor específico latente de vaporização da água (Lv) = 578 kcal/kg
Massa específica da água (r) = 1.00 kg/ L = 1.00 t/m3
Resposta: E = 17.3 m3/h
Exemplo 2:
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
Calcule a dosagem em kg/h de uma solução de hidrazina (com 15 % N2H4) 
necessária para a total remoção de OD na água de alimentação de uma 
caldeira.
Dados:
Q água de alimentação = 10.0 t/h
Temperatura da água de alimentação = 92 oC
Solubilidade do O2 em água a 92 oC = 1.2 g O2/t água
Massas molares (g/mol): O2 = 32 e N2H4 = 32
Reação de remoção de O2: N2H4 + O2 N2 + 2 H2O
Resposta: D = 0.080 kg/h
Exemplo 3:
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
Calcular que volume de solução 0.10 % (peso/volume) de um polímero X deve 
ser adicionado a 500 mL de uma amostra de água bruta para que se obtenha 
uma concentração de 2.0 ppm de X na amostra. 
Resposta V = 1.0 mL
Exemplo 4:
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
Uma unidade industrial é refrigerada com água de um rio. A vazão da água 
de resfriamento é de 1000 m3/h, a concentração de sólidos em suspensão 
SS = 20 ppm e apenas 10% dos sólidos sofrem deposição sobre as 
superfícies das instalações. Sabendo que o sistema opera continuamente 24 
h/dia; 30 dia/mês, calcule a massa em toneladas, de sólidos depositados ao 
longo de um mês de operação.
Resposta: M = 1.44 t
Exemplo 5:
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
A Estação de Tratamento de Água do Sistema Guandu utiliza em média uma 
dosagem de 20.0 ppm de sulfato de alumínio na etapa de clarificação da 
água recebida. A ETA opera continuamente (720 h/mês) com vazão de 45.0 
m3/s.
Calcule o consumo mensal médio de sulfato de alumínio.
Resposta: C = 2330 t/mês
Exemplo 6:
(ref. Prof. Cesar Pereira, Trat. Fis-Qui de Águas, UERJ Resende, 2001):
Ensaios realizados no laboratório de uma empresa de mineração mostram ser 
necessários 8.0 mL de solução 0.020% de um polímero X para o tratamento de 
1.0 L de polpa de minério contendo 10 % de finos de minério em suspensão. 
Determine o consumo do polímero X, em gramas de X por tonelada de minério 
seco, no tratamento a ser realizado em escala industrial.
Resposta: D = 16 g de X/t de minério seco
Exemplo 8:
Explique que caráter ácido, básico ou neutro deverão ter as seguintes 
soluções de sais:
NaCN 
NH4CL
Dados: HCL e NaOH são eletrólitos fortes; HCN e NH3 (ou NH4OH) são 
eletrólitos fracos.
Exemplo 7:
Calcule o pH de uma solução de NaOH (base forte) de 
concentração 1X10–1 molar.
Calcule o pH de uma solução de HCL (ácido forte) de concentração
1X10–8 molar.
Exemplo 9:
O conteúdo de um caminhão tanque de 20000 L de H2SO4 a 98% em peso 
de concentração (e densidade d=1.8 g/mL) vazou sobre um pequeno lago 
(água com pH=7) em decorrência de um acidente. Uma equipe de 
remediação emergencial já tinha como procedimento pronto o uso de NaOH 
(solução aq a 50% em peso e d=1.5 g/mL) para neutralização de acidez 
nesse tipo de acidente. Calcule o volume da solução de soda cáustica a ser 
adicionada ao lago para neutralizar de volta a pH=7 a acidez causada pelo 
derrame.
Dados:
Pesos atômicos (uma): H=1; S=32; O=16; Na=23
Kw = [H+] [OH-] = 1.0 x 10–14
NaOH é base forte
H2SO4 é ácido forte
Reação de neutralização: 
2 NaOH (aq) + H2SO4 (aq) = Na2SO4 (aq) + 2 H2O (aq) 
Exemplo 10:
A solubilidade do composto Cu(OH)2 em soluções aquosas (onde S = [Cu2+]), 
varia com o pH da solução.
Supondo que o produto de solubilidadedesse hidróxido seja igual a 1x10-10, 
construa um diagrama de log S versus pH para a faixa de 0 a 14.
Determine a faixa de pH necessária para se obter uma concentração residual de 
Cu (após precipitação do hidróxido) que atenda à legislação ambiental para o 
descarte de água residuária de uma indústria em um rio.
Exemplo 11:
Que volume em litros de solução de peróxido de hidrogênio (H2O2) de 
concentração 50% em peso, deve ser adicionado em água para preparar 10 
m3 de solução de H2O2 a 5% ?
d (H2O2 @50%) = 1.2 g/mL
d (H2O2 @5%) = 1.0 g/mL
Exemplo 12:
Considerando a necessidade de remover por precipitação a pH=9 íons Mg2+ de 
uma água de alta dureza que tem pH = 7, calcule a solubilidade dos compostos 
hidróxido e carbonato de magnésio nessas condições, e indique a opção de 
processo que permitiria a mais eficiente remoção do metal da água.
Kps (Mg(OH)2) = 1.2 x 10 –11 Kps (MgCO3) = 2.6 x 10 –5
No caso da precipitação do carbonato considere que o processo vá operar com 
[CO3 2-] = [Mg 2+].
Exemplo 13:
Calcule a solubilidade em água dos sais incrustantes: CaCO3 (Ks0 = 1.0x10 –8); 
MgCO3 (Ks0 = 2.6x10-5); CaSO4 (Ks0 = 2.0x10-4). 
Exemplo 14:
A decapagem química (etching) do chip de silício do processador Pentium 4 que 
é realizada após litografia e corte das pastilhas de Si, é feita com uma água de 
processo com a seguinte composição: HF (20 g/L) + NH4F (37 g/L) + água. 
Calcular o pH desse banho.
Pesos atômicos (em uma): F = 19; H = 1; N = 14
Kw = 1 x 10-14
Constantes de dissociação: KHF = 1 x 10-9; KNH3 = 1 x 10-9
Medição de eH e pH
•• pHpH eletrodo de vidro combinado com eletrodo de vidro combinado com 
eletrodo de ref Ag/AgCLeletrodo de ref Ag/AgCL
•• Calibração com soluções tampão pH conhecidosCalibração com soluções tampão pH conhecidos
•• Problemas típicos de instabilidade de medidas:Problemas típicos de instabilidade de medidas:
•• Entupimento ponte salinaEntupimento ponte salina
•• Contaminação do eletrólito de KCLContaminação do eletrólito de KCL
•• Depósitos de precipitados sobre membrana de vidroDepósitos de precipitados sobre membrana de vidro
•• eeHH eletrodo de Pt combinado com eletrodo de refeletrodo de Pt combinado com eletrodo de ref
•• Calibração com solução FeCalibração com solução Fe2+2+/Fe/Fe3+3+ de ede eHH conhecidoconhecido
•• Problemas de medidas semelhantes ao do pH + reação com Problemas de medidas semelhantes ao do pH + reação com 
eletrodo Pteletrodo Pt
•• eeHH = e medido + 200 mV (eletrodo ref Ag/AgCL) ou= e medido + 200 mV (eletrodo ref Ag/AgCL) ou
•• eeHH = e medido + 240 mV (eletrodo ref Calomelano sat)= e medido + 240 mV (eletrodo ref Calomelano sat)
Estudo de Caso: Remoção de Fe
Estudo de Caso: Remoção de Mn
Estudo de Caso: Remoção de Zn
Estudo de Caso: Remoção de Pb
Estudo de Caso: Remoção de Pb
Estudo de Caso: Oxidação de H2S
Estudo de Caso: Remoção de Mo
Estudo de Caso: Remoção de Mo
TratamentoTratamento de de ÁguasÁguas IndustriaisIndustriais
Prof. Luiz Alberto Cesar TeixeiraProf. Luiz Alberto Cesar Teixeira
ABRANDAMENTO DE ÁGUA ABRANDAMENTO DE ÁGUA 
Fernando Antonio Serrapio PeresFernando Antonio Serrapio Peres
PUC-Rio Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia
Objetivo
 Remoção parcial ou total de Remoção parcial ou total de 
íons cálcio e magnésio da água íons cálcio e magnésio da água 
de uso industrial. Estes íons de uso industrial. Estes íons 
estão, em geral, na forma de estão, em geral, na forma de 
bicarbonatos, sulfatos e bicarbonatos, sulfatos e 
cloretos e causam problemas cloretos e causam problemas 
de depósitos e incrustações em de depósitos e incrustações em 
equipamentos.equipamentos.
Conceitos Importantes
Acidez:Acidez:
•• ocorre devido ao teor de ocorre devido ao teor de CO2 livre, ácidos minerais e sais de ácidos fortes; 
• classificada em carbônica ( pH na faixa 4.5 - 8.2 ) e mineral (pH menor que 
4.4);
• as águas são tamponadas pelo equilíbrio: H2CO3 HCO3- + H+
Alcalinidade:Alcalinidade:
•• resulta da presença de sais de ácidos fracos, carbonatos, bicarbresulta da presença de sais de ácidos fracos, carbonatos, bicarbonatos e onatos e 
hidróxidos;hidróxidos;
•• é designada por : alacalinidade de carbonatos (é designada por : alacalinidade de carbonatos (CO32- ) , alcalinidade de 
bicarbonatos (HCO3- ) e alcalinidade cáustica ( OH-);
•• medida em mg/L CaCOmedida em mg/L CaCO33..
Dureza:Dureza:
•• temporária: ocorre pela presença de bicarbonatos e carbonatos detemporária: ocorre pela presença de bicarbonatos e carbonatos de cálcio e cálcio e 
magnésio;magnésio;
•• permanente: ocorre pela presença de sulfatos ou cloretos de cálcpermanente: ocorre pela presença de sulfatos ou cloretos de cálcio e/ou io e/ou 
magnésio em solução;magnésio em solução;
 
Problemas causados pelas incrustaçõesProblemas causados pelas incrustações
•• Dificuldade de tranferência de calor;Dificuldade de tranferência de calor;
•• Superaquecimento das tubulações, com Superaquecimento das tubulações, com 
possibilidade de rompimento;possibilidade de rompimento;
•• Perda de rendimento de combustível;Perda de rendimento de combustível;
•• Restrição ao fluxo de água;Restrição ao fluxo de água;
•• Maior custo de manutenção;Maior custo de manutenção;
•• Risco de explosão.Risco de explosão.
 
 
Problemas causados pelas incrustaçõesProblemas causados pelas incrustações
Fonte: Kurita, 2003
Ocorrência de incrustaçõesOcorrência de incrustações
ExemplosExemplos
• Ca2+ + 2HCO3- + Calor CaCO3(insolúvel) + H2O + CO2
• Ca2+ + SO42- CaSO4
• Ca(HCO3)2 + 2NaOH CaCO3(insolúvel) + Na2CO3 + H2O 
• Mg2+ + 2HCO3- + Calor MgCO3(pouco solúvel)+ H2O + CO2
• Mg2+ + SiO32- MgSiO3 (pouco solúvel)
• Mg(HCO3)2 + 2NaOH MgCO3+ Na2CO3 + H2O 
• MgCO3+ H2O Mg(OH)2 (insolúvel) + CO2
Sub-produtos de processos corrosivos também podem 
gerar depósitos: Fe(OH)2, Fe2O3.3H2O e FeCO3
Tecnologias para abrandamentoTecnologias para abrandamento
de águas industriaisde águas industriais
•• Cal + Soda a frio e a quente e com uso Cal + Soda a frio e a quente e com uso 
de fosfatos;de fosfatos;
•• Troca Iônica;Troca Iônica;
•• Desmineralização;Desmineralização;
•• Utilização de Quelantes;Utilização de Quelantes;
•• Tratamento com Polímeros.Tratamento com Polímeros.
Cal + SodaCal + Soda
•• Processo a frio: redução de dureza na faixa de 15 a 30mg/L Processo a frio: redução de dureza na faixa de 15 a 30mg/L 
(CaCO(CaCO33););
•• Processo a quente: redução de dureza na faixa de 5 a Processo a quente: redução de dureza na faixa de 5 a 
15mg/L (CaCO15mg/L (CaCO33););
•• É um processo indicado para águas com teor de Cálcio É um processo indicado para águas com teor de Cálcio 
superior ao de Magnésio;superior ao de Magnésio;
•• O processo é baseado na utilização de Ca(OH)O processo é baseado na utilização de Ca(OH)22 e Soda Ash e Soda Ash 
NaNa22COCO33;;
Codições Operacionais:Codições Operacionais:
** pH entre 10 e 11;pH entre 10 e 11;
** alcalinidade total < dureza;alcalinidade total < dureza;
** se a alcalinidade de bicarbonatos for elevada, usase a alcalinidade de bicarbonatos for elevada, usa--se se 
somente Cal;somente Cal;
Cal + SodaCal + Soda
• Ca(HCO(HCO33))22 + Ca(OH)Ca(OH)22 22CaCO3 + 2H2O
• Mg(HCO(HCO33))22 + 2Ca(OH)Ca(OH)22 Mg(OH)(OH)22 + 2+ 2CaCO3 + 2H2O
• MgCO3 + Ca(OH)Ca(OH)2 2 Mg(OH)(OH)22 + + CaCO3
• MgSO4 + Ca(OH)Ca(OH)2 2 Mg(OH)(OH)22 + + CaSO4
• MgSO4 + Ca(OH)Ca(OH)2 2 + N+ Na2CO3 Mg(OH)(OH)22 + + CaCO3 + Na2SO4
• CaClCl22 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaClNaCl
Cal + Soda + FosfatosCal + Soda + Fosfatos
•• A adição de fosfatos é um tratamento adicional para reduzir A adição de fosfatos é um tratamento adicional para reduzir 
ainda mais a dureza da água industrial;ainda mais a dureza da água industrial;
•• A utilização de fosfatos após o processo cal+soda reduz a A utilização de fosfatos após o processocal+soda reduz a 
dureza a níveis de 1 mg de dureza a níveis de 1 mg de CaCO3 /L;/L;
•• Os fosfatos podem atuar precipitando os íons que causam Os fosfatos podem atuar precipitando os íons que causam 
dureza (fosfato de sódio, metafosfato de sódio) ou atuando dureza (fosfato de sódio, metafosfato de sódio) ou atuando 
como sequestrantes (hexametafosfato, pirofosfato) de Ca e como sequestrantes (hexametafosfato, pirofosfato) de Ca e 
Mg, formando complexos solúveis;Mg, formando complexos solúveis;
Troca IônicaTroca Iônica
•• Emprega resinas que trocam Sódio por Cálcio e Magnésio e Emprega resinas que trocam Sódio por Cálcio e Magnésio e 
que também podem remover Ferro, Manganês e Alumínio;que também podem remover Ferro, Manganês e Alumínio;
•• PodePode--se fazer um abrandamento inicial com Cal + Soda antes se fazer um abrandamento inicial com Cal + Soda antes 
do processo;do processo;
•• Processo simples e muito efetivo, permitindo alcançar dureza Processo simples e muito efetivo, permitindo alcançar dureza 
praticamente zero;praticamente zero;
•• A regeneração da resina catiônica (RA regeneração da resina catiônica (R--Na) é feita com solução Na) é feita com solução 
de NaCl 10 %;de NaCl 10 %;
•• Águas com alto teor de ferro ou cujas tubulações sofreram Águas com alto teor de ferro ou cujas tubulações sofreram 
corrosão, costumam saturar as resinas com óxidos. Neste corrosão, costumam saturar as resinas com óxidos. Neste 
caso é necessário uma prévia limpeza com HCl antes da caso é necessário uma prévia limpeza com HCl antes da 
regeneração;regeneração;
Troca IônicaTroca Iônica
Fonte: BioManguinhos, 1999
CaCl2
MgCl2
Sistema de AbrandamentoSistema de Abrandamento
Fonte: WHO, 2003
Tratamento com QuelantesTratamento com Quelantes
•• Consiste em complexar os íons causadores de Consiste em complexar os íons causadores de 
incrustações formando compostos solúveis;incrustações formando compostos solúveis;
•• Os quelantes mais tradicionais são o EDTA e o Os quelantes mais tradicionais são o EDTA e o 
NTA;NTA;
•• Outros compostos com propriedade quelante Outros compostos com propriedade quelante 
também podem ser utilizados como inibidores de também podem ser utilizados como inibidores de 
incrustações, como os fosfonatos. incrustações, como os fosfonatos. 
•• Os fosfonatos possuem uma maior estabilidade Os fosfonatos possuem uma maior estabilidade 
em relação à temperatura e atuam muito bem em relação à temperatura e atuam muito bem 
como sequestrantes de metais como Cobre, Ferro como sequestrantes de metais como Cobre, Ferro 
e Zinco;e Zinco;
•• Os fosfonatos mais utilizados no tratamento de Os fosfonatos mais utilizados no tratamento de 
água industrial são: água industrial são: 
 ATMP ATMP -- ácido metilenofosfônicoácido metilenofosfônico
 AMP AMP -- aminoetilenofosfônicoaminoetilenofosfônico
 
Tratamento com QuelantesTratamento com Quelantes
+ 2 Na+EDTA + Ca2+
Tratamento com QuelantesTratamento com Quelantes
Aspectos Operacionais
•• EDTA e NTA decompõeEDTA e NTA decompõe--se em altas temperaturas, gerando se em altas temperaturas, gerando 
substâncias que também inibem incrustações, porém em substâncias que também inibem incrustações, porém em 
níveis inferiores;níveis inferiores;
•• O NTA é mais estável a altas temperaturas do que o EDTA;O NTA é mais estável a altas temperaturas do que o EDTA;
•• Os quelantes não devem ser utilizados em equipamentos de Os quelantes não devem ser utilizados em equipamentos de 
cobre ou suas ligas;cobre ou suas ligas;
•• A utilização de quelantes deve ser feita em água livre de A utilização de quelantes deve ser feita em água livre de 
oxigênio, pois o oxigênio pode decompor o quelante;oxigênio, pois o oxigênio pode decompor o quelante;
•• 1 mg de O2/L consome de 50 a 100 mg de quelato/L 1 mg de O2/L consome de 50 a 100 mg de quelato/L 
Necessidade de aplicar um processo físico de desaeração e Necessidade de aplicar um processo físico de desaeração e 
um processo químico para sequestrar O2;um processo químico para sequestrar O2;
Tratamento com PolímerosTratamento com Polímeros
•• PolPolíímeros possuem uma ameros possuem uma açção dispersante ão dispersante 
que evita a aglomeraque evita a aglomeraçção de partão de partíículas em culas em 
suspensão na suspensão na áágua;gua;
•• A inibiA inibiçção de incrustaão de incrustaçções ocorre em ões ocorre em 
funfunçção dos grupos funcionais do polão dos grupos funcionais do políímero mero 
que reagem com a matque reagem com a matééria incrustante ria incrustante 
penetrando em sua estrutura cristalina;penetrando em sua estrutura cristalina;
 
Polímeros utilizados no abrandamentoPolímeros utilizados no abrandamento
de águas industriaisde águas industriais
Carboxi-metilcelulose Amido
Processo de DesmineralizaçãoProcesso de Desmineralização
• Remove da água íons indesejáveis que são substituídos 
por uma quantidade equivalente de espécies iônicas 
presentes em uma resina;
• Em função dos íons que estão sendo substituídos, as 
resinas são denominadas aniônicas e catiônicas;
• Com o passar do tempo as resinas ficam saturadas, 
implicando na interrupção do processo de tratamento 
para que sejam substituídas ou regeneradas. A 
substituição das resinas só é efetuada quando não existir 
mais possibilidade de regeneração.
DesmineralizaçãoDesmineralização
 Resinas Catiônicas:Resinas Catiônicas:
•• Remoção:Remoção:
 R – H + X+ R – X + H+
•• Regeneração:Regeneração:
 R – X + HCl R – H + X+
 Resinas Aniônicas:Resinas Aniônicas:
•• Remoção:Remoção:
 R – OH + Y- R – Y + OH-
•• Regeneração:Regeneração:
 R – Y + NaOH R – OH + Na+ Y-
 Etapas envolvidas: Retrolavagem do Leito
 Regeneração
 Lavagem do Leito
Regeneração das ResinasRegeneração das Resinas
ResinasResinas
Processos de Troca IônicaProcessos de Troca Iônica
 Vantagens :
• Remove seletivamente as espécies indesejáveis;
• Tecnologia amplamente testada e consolidada;
• Existem no mercado sistemas automáticos e manuais;
 Desvantagens :
• Os produtos químicos envolvidos no processo de 
regeneração geralmente são tóxicos;
• Destino do efluente gerado no processo, que pode ter 
alta concentração de contaminantes;
• As resinas podem ser degradadas ou ter sua 
capacidade reduzida, devido a presença de 
substâncias orgânicas, microrganismos, partículas em 
suspensão e substâncias oxidantes.
Sistema de Desmineralização
Sistema de DesmineralizaçãoSistema de Desmineralização
Sistema de Tratamento de Água Industrial 
para Plantas Farmacêuticas
ReferênciasReferências
•• Águas e Águas, Jorge Antonio Barros de Macêdo. Águas e Águas, Jorge Antonio Barros de Macêdo. 
2 edição. Minas Gerais: CRQ, 2004.2 edição. Minas Gerais: CRQ, 2004.
•• Corrosão, Vicente Gentil.2 edição. Rio de Janeiro: Corrosão, Vicente Gentil.2 edição. Rio de Janeiro: 
Guanabara Dois, 1982.Guanabara Dois, 1982.
•• WHO Supplementary Training Modules on GMP: WHO Supplementary Training Modules on GMP: 
Validation, Water and Air Handling Systems. CDValidation, Water and Air Handling Systems. CD--
ROM World Health Organization, 2003. ROM World Health Organization, 2003. 
•• Apostila do Curso de Capacitação de Técnicos em Apostila do Curso de Capacitação de Técnicos em 
Biotecnologia. Fiocruz, 1999. Biotecnologia. Fiocruz, 1999. 
TRATAMENTO DE ÁGUAS INDUSTRIAIS
Profº: Luiz Alberto Cesar Teixeira
Aluna: Ana Christina Wimmer
Coagulação, Floculação e Coagulação, Floculação e 
DecantaçãoDecantação
1. Introdução
São etapas normalmente presentes nas ETAs;
Sedimentação simples: retirada de materiais mais grosseiros;
Diâmetro da Partícula Diâmetro da Partícula 
(mm)(mm)
Ordem de TamanhoOrdem de Tamanho Tempo Necessário Tempo Necessário 
para Sedimentaçãopara Sedimentação
1010 CascalhoCascalho 0,3 s0,3 s
11 Areia grosseiraAreia grosseira 3 s3 s
0,10,1 Areia finaAreia fina 38 s38 s
0,010,01 LodoLodo 33 min33 min
0,0010,001 BactériaBactéria 55 h55 h
0,00010,0001 Partículas ColoidaisPartículas Coloidais 230 dias230 dias
0,000010,00001Partículas ColoidaisPartículas Coloidais 6,3 anos6,3 anos
0,0000010,000001 Partículas ColoidaisPartículas Coloidais 63 anos63 anos
Tabela 1 – Efeito do decréscimo de tamanho de esferas (Faust & Aly, 1998).
Figura 1 – Comparação entre os tamanhos de partículas (Letterman, 1999).
Finalidade da Coagulação e Floculação: transformar impurezas que
se encontram em suspensão fina, em estado coloidal ou em 
solução, em partículas maiores (flocos) e mais pesadas, para que
possam ser removidas por sedimentação;
Unidades de Coagulação e Floculação: etapas que normalmente 
precedem os decantadores;
Coagular = juntar;
Flocular = produzir flocos.
2. Colóides
Tamanho das Partículas: 10-3 µm a 1 µm;
São partículas eletricamente carregadas (positivas ou negativas): 
Como cargas iguais são repulsivas, as partículas coloidais se mantêm 
pequenas estáveis e isoladas umas das outras;
Águas naturais e residuárias: predominantemente negativas;
Movimento Browniano: movimento aleatório das partículas, seja pelo 
choque elástico entre as mesmas, seja com as paredes do recipiente, 
o que mantêm as partículas em suspensão.
Potencial Zeta: mede a carga da partícula coloidal; é dependente da 
distância na qual a carga é efetiva.
Quanto maior o potencial Zeta, maiores serão as forças de repulsão 
entre os colóides e mais estáveis serão as suspensões coloidais.
Onde:
ζ = potencial Zeta
q = relação de carga por áreaD
qdπζ 4=
d = espessura da camada de 
cisalhamento, onde a carga é efetiva
D = constante dielétrica do líquido
Figura 2 – Partícula coloidal negativa com o campo eletrostático (Giordano, 2003).
3. Coagulação
Processo de desestabilização das partículas coloidais através da
neutralização das cargas;
Neutralização é feita pela adição de coagulantes: redução do potencial 
Zeta;
Para isso, deve-se haver uma distribuição homogênea do coagulante e, 
portanto, é feita uma mistura rápida.
Coagulantes mais utilizados: sais de alumínio e ferro
Eficácia;
Baixa solubilidade na faixa de pH normalmente utilizada;
Custo relativo baixo.
Tabela 2 – Eficácia relativa dos coagulantes (Casey, 1997).
Figura 3 – Solubilidade do ferro e alumínio em água a 25ºC (Casey, 1997).
A reação dos sais com a alcalinidade presente na água, devido à 
bicarbonatos, produz flocos de hidróxidos:
Al2(SO4)3 . 14H2O + 3 Ca(HCO3)2 → 2 Al(OH)3↓ + 3 CaSO4 + 14 H2O + 6 CO2
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 → 2 Fe(OH)3↓ + 3 CaCl2 + 6 CO2
Se as águas não forem suficientemente alcalinas: adicionar Ca(OH)2 ou 
CaCO3.
Polieletrólitos: polímeros usados em pequenas concentrações como
coagulante auxiliador
alguns coagulam dispersões coloidais com a mesma carga
permitem a redução da dosagem dos coagulantes
aumentam a densidade e o tamanho dos flocos
reduzem o tempo de floculação
Figura 4 – Desestabilização da suspensão coloidal com polímeros orgânicos de alto 
peso molecular. A. Desestabilização; B. Aglomeração (Liu, Lipták & Bouis, 1997).
Gradiente de velocidade (G):
5,0
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
V
PG
µ
Onde: 
µ = viscosidade absoluta da água
V = volume
P = potência
P = γQhf (agitação hidráulica)
P = função específica do agitador (agitação mecânica)
Coagulação: G > 1000 s-1
Tempo de detenção (td)
td = V/Q
Coagulação: td > 1 s
Estudo de Caso: Projeto de Tanque de Coagulação
Tratamento de uma vazão de água de 1000 L/s
Tempo de detenção (td)
td = V/Q
Critério para Coagulação: td > 1 s
Considerando td = 1 s V = 1 x 1000 = 1000 L
Critério do G para Coagulação: G > 1000 s-1
Onde: 
µ = viscosidade absoluta da água = 1.002x10-3 Ns/m2 a 20 C
V = volume = 1000 L
P = potência
P = γQhf (agitação hidráulica)
P = função específica do agitador (agitação mecânica)
5,0
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
V
PG
µ
P do agitador = G
2
uV = 1000 
2
x 1.002 x 10 
-3
= 1.002 x 10 
3
W = 1 kW = 1.34 HP 
Câmaras mecanizadas
Figura 5 – Corte de uma câmara de mistura rápida mecanizada (Ducach, 1975).
Câmaras não-mecanizadas: chicanas
Figura 6 – Câmara de chicanas com movimento horizontal da água (Ducach, 1975).
Figura 7 – Câmara de chicanas com movimento vertical da água (Ducach, 1975).
4. Floculação
É a reunião das partículas coaguladas em flocos;
Para isso é necessário choques entre as partículas: turbulência à água, 
porém menor que na coagulação;
Assim, consegue-se condições de decantabilidade.
70 s-1 < G < 20 s-1
Tempo de detenção (td)
td = V/Q
15 min < td < 25 min
Floculadores hidráulicos: chicanas
Floculação mecânica: energia utilizada para formação dos flocos é 
fornecida por agitadores, acionados por sistema eletromecânico.
Tipos mais comuns: floculadores de eixo vertical e horizontal, floculadores
com agitadores de paleta, floculadores com agitadores tipo hélice e 
floculadores com agitadores tipo turbina de fluxo axial.
5. Jar Test
Visa determinar a quantidade ideal de agentes coagulantes e o ajuste 
necessário de pH ideal de floculação;
Eficiência e economia
Fixam-se diferentes valores de pH em cada um dos jarros;
Aplica-se dosagens iguais de coagulantes em todos os jarros;
Verifica-se o jarro com a melhor floculação: pH ótimo
Após fixar o pH em cada jarro: adicionar diferentes concentrações de 
coagulante;
Verifica-se o jarro com a melhor floculação e menor concentração de 
coagulante: dosagem ótima de coagulante.
Figura 8 – Aparelho de Jar Test (Dacach, 1975).
Figura 9 – Aparelho de Jar Test (Davis & Cornwell, 1991).
6. Fatores que influenciam a coagulação e a 
floculação
pH
Tempo de mistura
Temperatura
Agitação
6. Decantação
Consiste na remoção de partículas em suspensão mais densas que a 
água por ação da gravidade;
Para uma maior eficiência, o percurso da água floculada para os
decantadores deve ser o menor possível e em condições que evitem
a quebra dos flocos ou que impeçam a sedimentação das partículas;
As partículas mais densas que a água irão se depositar no fundo do 
decantador.
Referências Bibliográficas
CETESB 
Técnica de Abastecimento de Tratamento de Água
Volume 2 – Tratamento de Água – 3ª Edição, 1987
Casey, T. J.
Unit Treatment Process in Water and Wastewater Engineering
John Wiley & Soms Ltd, 1997
Dacach, N. G.
Sistemas Urbanos de Água
LTC Editora S. A., Rio de Janeiro, 1975
Davis, M. L. & Cornwell, D. A.
Introduction to Environmental Engineering
McGraw-Hill, 2ª Edição, 1991
Faust, S. D. & Aly, O. M.
Chemistry of Water Treatment
Lewis Publishers, 2ª Edição, 1998
Giordano, G.
Análise e Formulação de Processos para Tratamento 
dos Chorumes Gerados em Aterros de Resíduos Sólidos 
Urbanos. 257p. Tese de Doutorado, Departamento de Ciência 
dos Materiais e Metalurgia, PUC-RJ, Rio de Janeiro, RJ, 2003.
Letterman, R. D.
Water Quality and Treatment: a handbook of community water 
suplies
McGraw-Hill, 5ª Edição, 1999
Liu, D. H. F., Lipták, B. G. & Bouis, P. A.
Environmental Engineers’ Handbook
Lewis Publishers, Flórida, 2ª Edição, 1997
Lesly J. Mamani Paco
Prof. Luiz Alberto Cesar Teixeira
Tratamento de Águas Industriais
TRATAMENTO DE SEPARAÇÃO 
POR MEMBRANAS
Separações por membranasSeparações por membranas
-- MicrofiltraçãoMicrofiltração
-- UltrafiltraçãoUltrafiltração
-- NanofiltraçãoNanofiltração
-- Osmose InversaOsmose Inversa
-- DiáliseDiálise
-- EletrodiáliseEletrodiálise
-- Permeação de gasesPermeação de gases
-- PervaporaçãoPervaporação
Que é uma membrana?Que é uma membrana?
•• Una membrana pode ser definida Una membrana pode ser definida 
como una como una barreira seletiva entre barreira seletiva entre 
duas fasesduas fases e que, através de e que, através de 
determinados mecanismos determinados mecanismos 
restringe total ou parcialmente o restringe total ou parcialmente o 
transporte de uma ou várias transporte de uma ou várias 
espécies químicas, material espécies químicas, material colodialcolodial
ou sólidos em suspensão entre uma ou sólidos em suspensão entre uma 
das fases e a outra.das fases e a outra.
•• Uma membrana atua Uma membrana atua como barreira como barreira 
semipermeávelsemipermeável e e a a separaçãoseparação
ocorreocorrepelapela membranamembrana queque controlacontrola
a a taxataxa de de movimentomovimento de de váriasvárias
moléculasmoléculas entreentre duasduas fasesfases
líquidaslíquidas, , gasosasgasosas ouou liquidoliquido--gas
Potencial 
Baixo
Potencial 
elevado
gas
membrana
PROCESSOS COM MEMBRANAS 
CUJA FORÇA MOTRIZ É A 
DIFERENÇA DE PRESSÃO
FORÇA MOTRIZ: DIFERENÇA DE 
PRESSÃO APLICADA À MEMBRANA
MicrofiltraçãoMicrofiltração
UltrafiltraçãoUltrafiltração
NanofiltraçãoNanofiltração
Osmose InversaOsmose Inversa
MicroMicro--UltraUltra--NanoNano FiltraçãoFiltração
•• DentreDentre osos processosprocessos de de separaçãoseparação porpor membranasmembranas, a , a microfiltraçãomicrofiltração, a , a 
ultrafiltraçãoultrafiltração e a e a nanofiltraçãonanofiltração sãosão osos processosprocessos maismais próximospróximos àà filtraçãofiltração clássicaclássica. . 
•• A diferença entre os processos é A diferença entre os processos é função do tamanho das moléculas a serem função do tamanho das moléculas a serem 
separadasseparadas; da micro para a ; da micro para a nanofiltraçãonanofiltração, o tamanho dessas moléculas diminui , o tamanho dessas moléculas diminui 
e, portanto, o tamanho dos poros deve ser menor, até ser praticae, portanto, o tamanho dos poros deve ser menor, até ser praticamente mente 
inexistente.inexistente.
•• quanto menor o “tamanho” do poro, maior a resistência à transferquanto menor o “tamanho” do poro, maior a resistência à transferência de massa ência de massa 
oferecida pela membrana e, consequentemente, maior a diferença doferecida pela membrana e, consequentemente, maior a diferença de pressão e pressão 
aplicada para que a permeação ocorraaplicada para que a permeação ocorra
•• As As membranasmembranas utilizadasutilizadas nestesnestes processosprocessos
sãosão porosasporosas..
•• A A membranamembrana age age comocomo umauma peneirapeneira
molecular, molecular, sendosendo oo mecanismo de separação mecanismo de separação 
por por retenção de tamanho.retenção de tamanho.
MICROFILTRAÇÃO / ULTRAFILTRAÇÃO / 
NANOFILTRAÇÃO /OSMOSE INVERSA
Faixa de aplicação
tamanho do soluto p a r t í c u l a s s u s p e n s a s
 p r o t e í n a s
 v í r u s
 b a c t é r i a s , c é l u l a s
 e m u l s õ e s o l e o s a s
 m a c r o m o l é c u l a s
 c o l ó i d e s
 b a ix o p e s o m o l e c u l a r
 í o n s
Microfiltração
0,05 µm – 10 µm
> 500.000 Da
Ultrafiltração
0,1 – 0,01 µm
1.000 – 500.000 Da
Nanofiltração
0,01 – 0,001 µm
100 – 1.000 Da
Osmose Inversa
< 0,001 µm
< 100 Da
MICROFILTRAÇÃO / MICROFILTRAÇÃO / 
ULTRAFILTRAÇÃO / NANOFILTRAÇÃOULTRAFILTRAÇÃO / NANOFILTRAÇÃO
Mecanismo:Mecanismo: baseado na diferença de baseado na diferença de 
tamanho entre os poros da membrana e do tamanho entre os poros da membrana e do 
soluto ou partículassoluto ou partículas
Força Motriz:Força Motriz: diferença de pressão diferença de pressão 
aplicadaaplicada
Membrana:Membrana: porosaporosa
MicrofiltraçãoMicrofiltração
•• MicrofiltraçãoMicrofiltração é um é um processoprocesso de de 
separaçãoseparação porpor membranasmembranas crosscross--
flow de flow de baixabaixa pressãopressão de de partículaspartículas
coloidaiscoloidais e e emem suspensãosuspensão nana faixafaixa
entreentre 0.05 0.05 -- 10 microns10 microns. . 
•• A A força motrizforça motriz é a diferença de é a diferença de 
pressão (1pressão (1--2 2 atmatm))
•• O O material retidomaterial retido é material em é material em 
suspensão, bactérias, etc. Peso suspensão, bactérias, etc. Peso 
molecular molecular maior a 500.000maior a 500.000 Da.Da.
•• O O material permeadomaterial permeado: água, : água, 
sólidos dissolvidos.sólidos dissolvidos.
•• Aplicação:éAplicação:é utilizadautilizada parapara
fermentaçãofermentação, , clarificaçãoclarificação de de caldoscaldos
((vinhosvinhos e e cervejascervejas), ), esterilizaçãoesterilização
bacterianabacteriana, e , e clarificaçãoclarificação e e 
recuperaçãorecuperação de de biomassabiomassa..
UltrafiltraçãoUltrafiltração
•• UltrafiltraçãoUltrafiltração é um é um processoprocesso de de 
fracionamentofracionamento seletivoseletivo UtilizandoUtilizando
pressõespressões nana faixafaixa de de 22--7 7 atmatm..
•• O material retido são O material retido são coloidescoloides e e 
macromoléculasmacromoléculas. Peso . Peso 
molecular molecular 1.000 – 500.000 Da ..
•• O O material permeadomaterial permeado: água, : água, 
solutos orgânicos e sais solúveis solutos orgânicos e sais solúveis 
de baixo peso molecular.de baixo peso molecular.
•• UltrafilUltrafil--traçãotração é largamente é largamente 
utilizadautilizada emem fracionamentofracionamento de de 
leiteleite e e sorosoro de de leiteleite e no e no 
fracionamentofracionamento protéicoprotéico. . 
NanofiltraçãoNanofiltração
A Nanofiltração é utilizada quando a 
Osmose inversa e a Ultrafiltração não
são as melhores escolhas para
separação. A Nanofiltração pode atuar
nas aplicações de separação tais como: 
desmineralização, remoção de cores e 
desalinização. Em concentração de 
solutos orgânicos, sólidos em
suspensão e íons polivalentes, o 
permeado contém íons monovalentes
e soluções orgânicas de baixo peso 
molecular, tais como álcool.
Nos processo de nanofiltração a faixa
de seletividade para solutos não
carregados é da ordem de 0,1-10 nm.
Membranas porosasMembranas porosas
A rejeição é determinada pela relação A rejeição é determinada pela relação 
entre o tamanho e a forma dos solutos a entre o tamanho e a forma dos solutos a 
serem fracionados e a distribuição do serem fracionados e a distribuição do 
tamanho dos poros existentes na superfície tamanho dos poros existentes na superfície 
da membrana.da membrana.
MICROFILTRAÇÃO / MICROFILTRAÇÃO / 
ULTRAFILTRAÇÃO / NANOFILTRAÇÃOULTRAFILTRAÇÃO / NANOFILTRAÇÃO
Membrana porosa + Diferença de Membrana porosa + Diferença de 
PressãoPressão
Transporte através dos poros
Escoamento convectivo
OSMOSE INVERSAOSMOSE INVERSA
Mecanismo:Mecanismo: afinidade entre os afinidade entre os 
componentes e o material da membrana componentes e o material da membrana 
(Sorção (Sorção –– Difusão)Difusão)
Força Motriz:Força Motriz: diferença de pressão diferença de pressão 
aplicadaaplicada
Membrana:Membrana: densadensa
•• Osmose pode ser descrita como um movimento físico de um solventeOsmose pode ser descrita como um movimento físico de um solvente através de através de 
uma membrana semiuma membrana semi--permeável, baseada napermeável, baseada na diferença do potencial químicodiferença do potencial químico
entre duas soluções separadas por essa membrana.entre duas soluções separadas por essa membrana.
•• Iremos definir a membrana semipermeável como falta de capacidadeIremos definir a membrana semipermeável como falta de capacidade para difundir para difundir 
qualquer outra substância, além do solvente, neste caso moléculaqualquer outra substância, além do solvente, neste caso moléculas de água.s de água.
•• Ao adicionar um pouco de sal de cozinha (NaCl) à solução de um lAo adicionar um pouco de sal de cozinha (NaCl) à solução de um lado da membrana, ado da membrana, 
a solução de água salgada tem um maior potencial químico, do quea solução de água salgada tem um maior potencial químico, do que a solução de a solução de 
água do outro lado da membrana. Num esforço para equilibrar a diágua do outro lado da membrana. Num esforço para equilibrar a diferença no ferença no 
potencial químico, a água começa a difundir pela membrana, de umpotencial químico, a água começa a difundir pela membrana, de um lado através da lado através da 
água, e de outro lado para a água salgada. Este movimento é a Oságua, e de outro lado para a água salgada. Este movimento é a Osmose. A pressão mose. A pressão 
exercida por esta transferência de massa é conhecida pela pressãexercida por esta transferência de massa é conhecida pela pressão osmótica
OsmoseOsmose
o osmótica
Membrana 
semipermeável
Pressão hidráulica 
causando osmose 
reversa
Diagrama osmose 
reversa
Processo de osmoseem andamento
OsmoseOsmose inversainversa
OsmoseOsmose inversainversa é é umauma técnicatécnica de de altaalta
eficiênciaeficiência parapara o o processoprocesso de de 
concentraçãoconcentração, , separaçãoseparação de de substânciassubstâncias
de de baixobaixo peso molecularpeso molecular emem soluçãosolução, , 
ouou limpezalimpeza de de efluentesefluentes. Tem a . Tem a 
habilidadehabilidade de de concentrarconcentrar todostodos osos sólidossólidos
dissolvidosdissolvidos ouou emem suspensãosuspensão. . 
A A força motrizforça motriz é a diferença de pressão é a diferença de pressão 
(7(7--60 60 atmatm))
O O permeadopermeado contémcontém umauma concentraçãoconcentração
muitomuito baixabaixa de de sólidossólidos dissolvidosdissolvidos. . 
OsmoseOsmose reversareversa é é tipicamentetipicamente utilizadautilizada
parapara desalinizaçãodesalinização de de águaágua marinhamarinha, , 
desmineralizaçãodesmineralização de de águaságuas, , concentraçãoconcentração
de de sucossucos de de frutasfrutas
Membranas densasMembranas densas
o transporte se dá por um mecanismo o transporte se dá por um mecanismo 
de sorção e difusão.de sorção e difusão.
OSMOSE INVERSAOSMOSE INVERSA
Membrana densa + Diferença de Membrana densa + Diferença de 
PressãoPressão
Escoamento difusivo
PRESSÃO OSMÓTICAPRESSÃO OSMÓTICA
Alimento Concentração Pressão
Osmótica (kPa)
Leite 9% sólidos (sem
gordura)
690
Soro 6% ST 690
Suco de laranja 11% ST 1586
Suco de maça 15%ST 2069
Extrato de café 28%ST 3448
Lactose 5%p/p 379
Cloreto de sódio 1%p/p 862
Ácido lático 1%p/p 552 101 kPa = 1 atm
Resumindo...Resumindo...
MICROFILTRAÇÃO / ULTRAFILTRAÇÃO / MICROFILTRAÇÃO / ULTRAFILTRAÇÃO / 
NANOFILTRAÇÃO /OSMOSE INVERSANANOFILTRAÇÃO /OSMOSE INVERSA
 
 MICROFILTRAÇÃO ULTRAFILTRAÇÃO OSMOSE INVERSA 
Separação partículas macromoléculas sais 
Pressão osmótica desprezível desprezível alta 
Pressão aplicada baixa (2 atm) baixa (1 – 10 atm) alta (10 – 60 atm) 
Membrana simétrica assimétrica assimétrica 
Mecanismo tamanho tamanho afinidade 
 
Fluxo Fluxo de solventede solvente
Difusão do solvente através da membrana:Difusão do solvente através da membrana:
NNw = = AAw ((∆∆P P -- ∆π∆π)) (1)(1)
onde:onde:
AAw = constante de permeabilidade do solvente (kg = constante de permeabilidade do solvente (kg 
solvente solvente / s ms m22 atmatm))
∆∆P = diferenP = diferençça de pressão aplicada (a de pressão aplicada (atmatm))
∆π∆π = diferen= diferençça entre a pressão osma entre a pressão osmóótica do solvente tica do solvente 
e da solue da soluçção (ão (atmatm))
P1 P2
Nw
Ns
c1 c2
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
na alimentana alimentaççãoão
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
no permeadono permeado
Fluxo Fluxo de solventede solvente
Difusão do solvente através da membrana:Difusão do solvente através da membrana:
AAw = = PPww / Lm
PPww = = DDww ccww VVww / RT
onde:onde:
PPww = permeabilidade da membrana ao solvente (kg solvente = permeabilidade da membrana ao solvente (kg solvente 
/ s m s m atmatm))
Lm = = espessuraespessura da membrana (m)da membrana (m)
DDww = difusividade do solvente na membrana (m2 = difusividade do solvente na membrana (m2 / s)s)
ccww = = concentraconcentraççãoão do solvente na membrana do solvente na membrana 
(kg solvente (kg solvente / m3)m3)
VVww = volume molar do solvente (m3 = volume molar do solvente (m3 / kmolkmol solvente) solvente) 
Fluxo Fluxo de solutode soluto
Difusão do Difusão do solutosoluto através da membrana:através da membrana:
NNs = = AAs (c(c1-- cc2)) (1)(1)
onde:onde:
AAs = constante de permeabilidade do = constante de permeabilidade do solutosoluto (m/s(m/s ))
cc1 = = concentraconcentraçção do soluto na alimentaão do soluto na alimentaççãoão (kg soluto/m(kg soluto/m3))
cc2 = concentra= concentraçção do soluto no permeado (kg soluto/mão do soluto no permeado (kg soluto/m3))
P1 P2
Nw
Ns
c1 c2
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
na alimentana alimentaççãoão
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
no permeadono permeado
Fluxo Fluxo de solutode soluto
Difusão do Difusão do solutosoluto através da membrana:através da membrana:
AAs = = DDss KKs s / Lm
OndeOnde::
DDss = difusividade do = difusividade do solutosoluto na membrana (m2 na membrana (m2 / s)s)
KKss = = coeficiente de distribuicoeficiente de distribuiçção (cão (cm/c) concentra/c) concentraçção ão 
do soluto na membrana / concentrado soluto na membrana / concentraçção do soluto ão do soluto 
na soluna soluççãoão
Lm = espessura da membrana (m)= espessura da membrana (m)
Fluxo Fluxo de solutode soluto
Fazendo um balanço de massa no estado Fazendo um balanço de massa no estado 
estacionário, a difusão do soluto através da estacionário, a difusão do soluto através da 
membrana deve ser igual à quantidade de soluto membrana deve ser igual à quantidade de soluto 
no permeado:no permeado:
NNs = = NNww cc2 2 / cw2
OndeOnde::
cw2 = concentra= concentraçção de solvente no permeado (kg ão de solvente no permeado (kg 
solvente solvente / mm33 ))
Exemplo: Determinação experimental Exemplo: Determinação experimental 
da permeabilidade da membranada permeabilidade da membrana
Experiencias a 25°C foram realizados para determinar a permeabilExperiencias a 25°C foram realizados para determinar a permeabilidade da membrana idade da membrana 
de acetato de celulose. Testes no laboratorio mostram que a membde acetato de celulose. Testes no laboratorio mostram que a membrana tem rana tem 
Area de 2 x 10Area de 2 x 10-3 mm22 . . 
A solução de alimentação tinha uma concentração de NaCl de A solução de alimentação tinha uma concentração de NaCl de 
cc11 = 10 kg NaCl / m= 10 kg NaCl / m33 (10 g NaCl / L, (10 g NaCl / L, ρρ11 = 1004 kg solução / m= 1004 kg solução / m33).).
A concentração de água (solvente) na alimentação e no permeado A concentração de água (solvente) na alimentação e no permeado eram esencialmente eram esencialmente 
iguais. iguais. 
O permeado continha O permeado continha 
cc22 = 0,39 kg NaCl / m= 0,39 kg NaCl / m33 ((ρρ22 = 997 kg solução / m= 997 kg solução / m33) ) 
e a taxa de fluxo medido foi de e a taxa de fluxo medido foi de 
1,92 x 101,92 x 10--88 mm33 solução / ssolução / s. . 
A diferença de pressão foi de A diferença de pressão foi de 
∆∆ P = 5514 kPa (54,42 atm).P = 5514 kPa (54,42 atm).
Calcular as constantes de permeabilidade.Calcular as constantes de permeabilidade.
P1 P2
Nw
Ns
c1 c2
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
na alimentana alimentaççãoão
concentraconcentraçção do soluto ão do soluto 
no permeadono permeado
Fluxo Fluxo de solventede solvente
Para convertir taxa de fluxo à taxa de solvente, Para convertir taxa de fluxo à taxa de solvente, 
NNww utilizando a área:utilizando a área:
NNw = taxa de flujo x densidade x Area = taxa de flujo x densidade x Area --11
NNw = = ((1,92 x 101,92 x 10--88 mm33 / s/ s ) x () x (997 kg solvente / 997 kg solvente / 
mm33) x (1 / ) x (1 / 2 x 102 x 10-3 mm2 2 ))
NNw = 9,57 x 10= 9,57 x 10--33 kg solvente / s mkg solvente / s m22
Por outro lado, sabePor outro lado, sabe--se que:se que:
NNw = A= Aw ((∆∆P P -- ∆π∆π) e que,) e que,
AAw = = PPww / Lm ?
Fluxo Fluxo de solventede solvente
Como,Como,
NNw = 9,57 x 10= 9,57 x 10--3 3 kg solvente / s mkg solvente / s m2 2 = = AAww ((∆∆P P -- ∆π∆π))
∆∆PP = 5514 kPa (54,42 atm)= 5514 kPa (54,42 atm)
∆π∆π = ?= ?
Para determinar a pressão osmPara determinar a pressão osmóótica temos a tica temos a 
seguinte tabela para soluseguinte tabela para soluçções de NaCl:ões de NaCl:
g mol NaClg mol NaCl
kg Hkg H22OO
Densidade (kg / mDensidade (kg / m33)) Pressão osmótica (atm)Pressão osmótica (atm)
00
0,010,01
0,100,10
0,50,5
997,0997,0
997,4997,4
1001,11001,1
1017,21017,2
00
0,470,47
4,564,56
22,5522,55
Determinação pressão osmóticaDeterminação pressão osmótica
Precisamos calcular Precisamos calcular quantos quantos g mol NaCl se tem por cada kg Hg mol NaCl se tem por cada kg H22OO ??
Para cPara c11, , 10 kg NaCl / m3 estão em 1004 kgsolução / m310 kg NaCl / m3 estão em 1004 kg solução / m3, logo:, logo:
1004 1004 –– 10 = 994 kg de H2O en um m3 de solu10 = 994 kg de H2O en um m3 de soluçção.ão.
Por outro lado o peso molecular do NaCl Por outro lado o peso molecular do NaCl éé 58,45 g, 58,45 g, 
10,00 kg x 1 000 g10,00 kg x 1 000 g == 0,1721 g mol NaCl / kg H0,1721 g mol NaCl / kg H22O, da tabela anterior O, da tabela anterior temos:temos:
994 kg x 58,45 g / mol994 kg x 58,45 g / mol
ππ1 = 7,8 atm= 7,8 atm
Para cPara c22 (permeado) :(permeado) :
997 997 –– 0,39 = 996,6 kg de H2O en um m3 de solu0,39 = 996,6 kg de H2O en um m3 de soluçção.ão.
Por outro lado o peso molecular do NaCl Por outro lado o peso molecular do NaCl éé 58,45 g, 58,45 g, 
0,39 kg x 1 000 g0,39 kg x 1 000 g == 0,00670 g mol NaCl / kg H2O, da tabela anterior 0,00670 g mol NaCl / kg H2O, da tabela anterior temos:temos:
996,6 kg x 58,45 g / mol996,6 kg x 58,45 g / mol
ππ2 = 0,32 atm= 0,32 atm
Finalmente:Finalmente:
∆π∆π = = ππ1 -- ππ2 = 7,8 = 7,8 –– 0,32 = 7,48 atm0,32 = 7,48 atm
Constante de permeabilidade do solventeConstante de permeabilidade do solvente
substituindo,substituindo,
NNw = 9,57 x 10= 9,57 x 10--3 3 = = AAww ((∆∆P P -- ∆π∆π))
∆∆PP = 5514 kPa (54,42 atm)= 5514 kPa (54,42 atm)
∆π∆π = 7,48 atm= 7,48 atm
AAw w = N= Nw / (/ (∆∆P P -- ∆π∆π))
AAw w = = 9,57 x 109,57 x 10--3 3 / (54,42 / (54,42 –– 7,48)7,48)
AAw w = 2,039 x 10= 2,039 x 10--44 kg solvente / s m2 atmkg solvente / s m2 atm
Fluxo Fluxo de solutode soluto
Sabemos que:Sabemos que:
NNs = = NNww cc2 2 / cw2
Substituindo:Substituindo:
NNs = { (9,57 x 10= { (9,57 x 10--33) x 0,39 }) x 0,39 } / 997/ 997
como ccomo c22 éé uma soluuma soluçção diluão diluíída, podeda, pode--se considerar cse considerar cw2w2 como como 
sendo a densidade dsendo a densidade dááguagua
NNs = 3,744 x 10= 3,744 x 10--66 kg soluto NaCl / s m2kg soluto NaCl / s m2
Constante de permeabilidade do solutoConstante de permeabilidade do soluto
Difusão do Difusão do solutosoluto através da membrana:através da membrana:
NNs = = AAs (c(c1-- cc2)) ((1)1)
Por otro ladoPor otro lado AAss = = DDss KKss
Lm
NNs = = 3,744 x 103,744 x 10--66 = = AAss (10,00 (10,00 –– 0,39)0,39)
AAs = 3,896 x 10= 3,896 x 10--77 m/sm/s
?
Fluxo de permeadoFluxo de permeado
Fatores estruturais: porosidade, distribuição Fatores estruturais: porosidade, distribuição 
do tamanho de poro, tortuosidade, do tamanho de poro, tortuosidade, 
espessura da membrana;espessura da membrana;
Constantes físicas da alimentação como a Constantes físicas da alimentação como a 
viscosidade;viscosidade;
Afinidade físicoAfinidade físico--química entre química entre permeantespermeantes e e 
material da membrana;material da membrana;
Fluxo de permeadoFluxo de permeado
Fluxo
Tempo
FoulingFouling
É o aumento da resistência da membrana à É o aumento da resistência da membrana à 
transferência de massa, quer seja pela redução transferência de massa, quer seja pela redução 
da porosidade (entupimento, adsorção), quer da porosidade (entupimento, adsorção), quer 
seja pela polarização da concentração na seja pela polarização da concentração na 
superfície da membrana (acúmulo de solutos) e superfície da membrana (acúmulo de solutos) e 
formação de camada de gel.formação de camada de gel.
Redução do fluxo de permeado
EntupimentoEntupimento
Fluxo Pressão
Poros Grandes
Fluxo Pressão
Poros Pequenos
Polarização da concentraçãoPolarização da concentração
acúmulo de soluto na superfície da membrana.acúmulo de soluto na superfície da membrana.
o fluxo o fluxo convectivoconvectivo de soluto para a superfície da de soluto para a superfície da 
membrana entra em equilíbrio com o fluxo membrana entra em equilíbrio com o fluxo 
difusivo contrário, da camada polarizada para o difusivo contrário, da camada polarizada para o 
seio da solução, e o fluxo de soluto através da seio da solução, e o fluxo de soluto através da 
membrana.membrana.
modificação das condições operacionais, reversão modificação das condições operacionais, reversão 
do fluxo.do fluxo.
Fluxo tangencial
Fonte: Catálogo HOECHST
Tipos de membranasTipos de membranas
•• MembranaMembrana EspiralEspiral
DevidoDevido àà construçãoconstrução compactacompacta e e grandegrande áreaárea efetivaefetiva de de 
membranamembrana porpor elementoelemento, as , as membranasmembranas espiraisespirais sãosão soluçõessoluções
de alto de alto custocusto--benefíciobenefício emem aplicaçõesaplicações de de grandegrande vazãovazão e e 
quantidadesquantidades mínimasmínimas ouou nulasnulas de de sólidossólidos suspensossuspensos, , 
oferecendooferecendo baixobaixo investimentoinvestimento e e baixobaixo custocusto com com energiaenergia
Tipos de membranasTipos de membranas
•• MembranasMembranas cerâmicascerâmicas
IdeaisIdeais parapara usouso emem aplicaçõesaplicações sanitáriassanitárias e e parapara produtosprodutos de alto valor de alto valor 
agregadoagregado, , taistais comocomo leiteleite ouou produtosprodutos de de fermentaçãofermentação de de caldoscaldos, , bembem
comocomo emem separaçõesseparações seletivasseletivas de de fluxosfluxos com com valoresvalores extremosextremos de pH, de pH, 
temperaturatemperatura ouou solventessolventes
BibliografiaBibliografia
WarrenWarren L. L. McMc Cabe; Julian C. Smith; Peter Cabe; Julian C. Smith; Peter HarriotHarriot. . UnitUnit
OperationOperation ofof ChemicalChemical EngineeringEngineering. . SixthSixth EditionEdition McMc
GrawGraw Hill 2001.Hill 2001.
Christie J. Christie J. GeanKoplisGeanKoplis. . TransportTransport processes processes andand unitunit
operationoperation. . ThirdThird editionedition PrenticePrentice Hall PTR Hall PTR EnglewoodEnglewood
CliffsCliffs, New Jersey 1993., New Jersey 1993.
HwangHwang, S. T., , S. T., andand KammermeyerKammermeyer, K. , K. MembranesMembranes in in 
separationseparation. New . New YorhYorh John John WilleyWilley & Sons, Inc. 1975.& Sons, Inc. 1975.
MargareteMargarete Azevedo, De fonte de Azevedo, De fonte de vida, vida, 
www.kalunga.com.br/revista/revista_1104_06.aspwww.kalunga.com.br/revista/revista_1104_06.asp
www.geafiltration.com
http://www.kalunga.com.br/revista/revista_1104_06.asp
http://www.geafiltration.com/
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO 
DE JANEIRO
Resinas de Troca iônicaResinas de Troca iônica
Gabriela Gabriela HuamánHuamán PinoPino
Curso de Tratamento de Águas 
Industriais
Prof. Luiz Alberto Cesar Teixeira
IntroduçãoIntrodução
••A troca iônica é um processo pelo qual um sólido insolúvel removA troca iônica é um processo pelo qual um sólido insolúvel remove e 
íons de carga positiva ou negativa presentes em uma solução íons de carga positiva ou negativa presentes em uma solução aquosa eaquosa e
transfere à solução outros íons de carga similar. Este processo transfere à solução outros íons de carga similar. Este processo ocorre ocorre 
sem apresentar mudanças estruturais no sólido.sem apresentar mudanças estruturais no sólido.
IntroduçãoIntrodução
••Águas naturais contémÁguas naturais contém saissais dissolvidosdissolvidos, , em geralem geral dissociadosdissociados emem
formaforma de íons. Estesde íons. Estes íons permitem que a água conduza eletricidade. A íons permitem que a água conduza eletricidade. A 
presença destes íons presença destes íons podepode causar problemas nos sistemas de causar problemas nos sistemas de 
resfriamentoresfriamento, aquecimento, geração de , aquecimento, geração de vapor,vapor, etc. etc. 
••Os íons Os íons mais comuns quemais comuns que se encontramse encontram na água incluem: os cátions na água incluem: os cátions 
cálcio e magnésio (que geram a dureza da água) e sódio, e os cálcio e magnésio (que geram a dureza da água) e sódio, e os ânionsânions
sulfato, cloreto, sulfato, cloreto, silicatosilicato etc. etc. 
História de Desenvolvimento da Troca IônicaHistória de Desenvolvimento da Troca Iônica
••18501850 Thompson e Thompson e WayWay trabalharam com diferentes argilas de solos trabalharamcom diferentes argilas de solos 
agrícolas (sulfeto ou nitrato de amônio).agrícolas (sulfeto ou nitrato de amônio).
••18581858 HennebergHenneberg y y StohmannStohmann y y EichhornEichhorn, demostraram a reversibilidade , demostraram a reversibilidade 
do processo.do processo.
••18701870 LembergLemberg estudo a capacidade de troca iônica das zeolitas. estudo a capacidade de troca iônica das zeolitas. 
••19271927 UtilizouUtilizou--se a primeira coluna de se a primeira coluna de zeolitazeolita mineral para eliminar íons mineral para eliminar íons 
cálcio e magnésio cálcio e magnésio 
••19351935 BasilBasil Adams e Eric Holmes Adams e Eric Holmes desemvolveramdesemvolveram polímeros orgânicos que polímeros orgânicos que 
imitavam às zeolitas, iniciouimitavam às zeolitas, iniciou--se a produção de resinas sintéticas de troca se a produção de resinas sintéticas de troca 
iônica (catiônicas o aniônicas).iônica (catiônicas o aniônicas).
••1948 1948 SkogseidSkogseid produz a primeira resina específica para um metal, e a produz a primeira resina específica para um metal, e a 
partir desse momento os pesquisadores começaram o desenvolvimentpartir desse momento os pesquisadores começaram o desenvolvimento de o de 
novas matrizes que incrementaram a seletividade da resina.novas matrizes que incrementaram a seletividade da resina.
ResinasResinas
••Resinas de troca iônica são substâncias granuladas insolúveis quResinas de troca iônica são substâncias granuladas insolúveis que e 
contem na sua estrutura molecular radicais ácidos ou básicos quecontem na sua estrutura molecular radicais ácidos ou básicos que podem podem 
trocar seus íons por outros íons em solução.trocar seus íons por outros íons em solução. Os íons positivos ou Os íons positivos ou 
negativos fixados nestes radicais serão substituídos por íons negativos fixados nestes radicais serão substituídos por íons dede mesmamesma
cargacarga dada solução solução emem contato com contato com a resina.a resina.
••VantagensVantagens
•• Funcionam bem embora Funcionam bem embora restritas à remoção derestritas à remoção de íonsíons em baixas em baixas 
concentrações (ppm).concentrações (ppm).
•• Apresentam Apresentam boaboa estabilidade física e química.estabilidade física e química.
•• Podem ser regeneradas Podem ser regeneradas facilmente.facilmente.
•• Não são afetadas por Não são afetadas por mudançasmudanças na na temperatura da água.temperatura da água.
•• O processo pode ser aplicado tanto para grandes ou pequenas O processo pode ser aplicado tanto para grandes ou pequenas 
instalaçõesinstalações
Resinas InorgânicasResinas Inorgânicas
••Naturais:Naturais:
•• AluminosilicatosAluminosilicatos ((zeólitaszeólitas))
•• Argilas mineraisArgilas minerais
•• FeldespatosFeldespatos
••Sintéticas: Sintéticas: 
•• Óxidos metálicos hidratados (óxido de titânio hidratado) Óxidos metálicos hidratados (óxido de titânio hidratado) 
•• Sais insolúveis de metais polivalentes (fosfato de titânio) Sais insolúveis de metais polivalentes (fosfato de titânio) 
•• Sais insolúveis de Sais insolúveis de heteropoliácidosheteropoliácidos ((molibdofosfatomolibdofosfato amônicoamônico
•• SaisSais complexas baseadas em complexas baseadas em hexacianoferratoshexacianoferratos insolúveisinsolúveis
•• Zeolitas sintéticas.Zeolitas sintéticas.
Resinas Orgânicas NaturaisResinas Orgânicas Naturais
•• Quitina:Quitina: É um polímero É um polímero linearlinear de elevado peso molecular, que de elevado peso molecular, que existeexiste
nas paredes celulares de alguns fungos e na crosta de nas paredes celulares de alguns fungos e na crosta de crustáceos.crustáceos.
•• ChitosanChitosan:: É um É um polímeropolímero natural derivado da quitina, obtido pela natural derivado da quitina, obtido pela 
hidrólises desta, é utilizado como um polímero hidrólises desta, é utilizado como um polímero quelantequelante de metaisde metais
•• Ácido Ácido algínicoalgínico:: É um componente da estrutura das algas marrons, é um É um componente da estrutura das algas marrons, é um 
polímero forte (dá suporte) e ao mesmo tempo flexível. Pode ser polímero forte (dá suporte) e ao mesmo tempo flexível. Pode ser ou não ou não 
solúvel em água solúvel em água 
•• Celulose:Celulose: A celulose natural tem propriedades de troca iônica devido aos A celulose natural tem propriedades de troca iônica devido aos 
grupos grupos carboxiloscarboxilos que tem na sua estruturaque tem na sua estrutura
Resinas orgânicas sintéticasResinas orgânicas sintéticas
••O processo de fabricação começa com a polimerização de uma O processo de fabricação começa com a polimerização de uma 
suspensão de estireno e suspensão de estireno e divinilbenzenodivinilbenzeno (DVB). (DVB). 
••OO estireno e o DVB ambos líquidos são colocados num reator com estireno e o DVB ambos líquidos são colocados num reator com 
mais o menos a mesma quantidade de água e um agente mais o menos a mesma quantidade de água e um agente flotadorflotador para para 
manter a dispersão. manter a dispersão. 
••OO reator químico tem um agitador que começa a misturar a solução,reator químico tem um agitador que começa a misturar a solução, o o 
estirenoestireno--DVBDVB começa a formar grandes glóbulos de material e quando começa a formar grandes glóbulos de material e quando 
se incrementa a velocidade de agitação os glóbulos se dividem emse incrementa a velocidade de agitação os glóbulos se dividem em
pequenas gotas até alcançar mais o menos o tamanho de 1 mm. pequenas gotas até alcançar mais o menos o tamanho de 1 mm. 
••NesteNeste momento iniciamomento inicia--se a reação de polimerização com a adição de se a reação de polimerização com a adição de 
peróxido de peróxido de benzoila,benzoila, o que faz que as moléculas da mistura formem o que faz que as moléculas da mistura formem 
esferas pequenas de plástico. esferas pequenas de plástico. 
••OO DVB é um agente que proporciona às esferas a rigidez sem a qualDVB é um agente que proporciona às esferas a rigidez sem a qual o o 
estireno seria solúvel em água.estireno seria solúvel em água.
Resinas orgânicas sintéticasResinas orgânicas sintéticas
••A esfera de A esfera de poliestirenopoliestireno--DVBDVB precisa ser quimicamente ativada para precisa ser quimicamente ativada para 
trabalhar como material de troca iônica, os grupos ativados são trabalhar como material de troca iônica, os grupos ativados são ligados ligados 
para proporcionar uma funcionalidade química às esferas.para proporcionar uma funcionalidade química às esferas.
Os sítios ativos para a troca iônica Os sítios ativos para a troca iônica 
encontramencontram--se através de toda a se através de toda a 
esfera. O processo de troca iônica esfera. O processo de troca iônica 
não é um fenômeno de superfície, não é um fenômeno de superfície, 
mais do 99% da capacidade de troca mais do 99% da capacidade de troca 
iônica do material encontraiônica do material encontra--se no se no 
interior da esfera.interior da esfera.
Resinas de troca iônica sintéticasResinas de troca iônica sintéticas
••CaracterísticasCaracterísticas
•• Insolubilidade: Deve ser insolúvel em condições normais de Insolubilidade: Deve ser insolúvel em condições normais de 
funcionamento. funcionamento. 
•• Tamanho da esfera: O tamanho deve ser uniforme (0,5 a 2 mm)Tamanho da esfera: O tamanho deve ser uniforme (0,5 a 2 mm)
•• Resistência a fratura: O inchamento e contração da esfera duraResistência a fratura: O inchamento e contração da esfera durante a nte a 
utilização e regeneração não devem estourar as esferas.utilização e regeneração não devem estourar as esferas.
•• Os sítios ativos devem estar permanentemente ligados à esfera.Os sítios ativos devem estar permanentemente ligados à esfera.
Classificação das resinas sintéticasClassificação das resinas sintéticas
••Estrutura de rede Estrutura de rede poliméricapolimérica
•• Tipo gelTipo gel
••Conhecidas como resinas Conhecidas como resinas microporosasmicroporosas (tamanho de poro pequeno) (tamanho de poro pequeno) 
são polímeroshomogêneos, é dizer seus sítios ativos estão distrsão polímeros homogêneos, é dizer seus sítios ativos estão distribuídos ibuídos 
de maneira igual através de toda a esfera. A quantidade de DVB de maneira igual através de toda a esfera. A quantidade de DVB 
utilizado na sua fabricação determina a sua resistência. Atualmeutilizado na sua fabricação determina a sua resistência. Atualmente nte 
encontramencontram--se resinas com um conteúdo de DVB variável, entre 2 a se resinas com um conteúdo de DVB variável, entre 2 a 
20%, a maior quantidade de DVB maior resistência da resina.20%, a maior quantidade de DVB maior resistência da resina.
Classificação das resinas sintéticasClassificação das resinas sintéticas
•• Resinas Resinas macroporosasmacroporosas
••Chamadas também Chamadas também macroreticularesmacroreticulares ou de poros fixos, introduzidas ou de poros fixos, introduzidas 
comercialmente em 1959, são fabricadas através de um processo qucomercialmente em 1959, são fabricadas através de um processo que e 
deixa uma rede com grandes poros que permitem o ingresso até osdeixa uma rede com grandes poros que permitem o ingresso até os
sítios interiores, estas resinas tem uma aparência esponjosa, o sítios interiores, estas resinas tem uma aparência esponjosa, o que que 
permite uma boa interação entre os íons e os sítios ativos, mas permite uma boa interação entre os íons e os sítios ativos, mas 
também significa que a resina tem uma menor capacidade porque astambém significa que a resina tem uma menor capacidade porque as
esferas contem uma menor quantidade de sítios ativos, já que os esferas contem uma menor quantidade de sítios ativos, já que os poros poros 
podem ocupar entre o 10 e 30% do espaço da resina, o que reduz apodem ocupar entre o 10 e 30% do espaço da resina, o que reduz a
sua capacidade de troca iônica.sua capacidade de troca iônica.
Classificação das resinas sintéticasClassificação das resinas sintéticas
••Grupo funcionalGrupo funcional
•• Resinas Resinas catiónicascatiónicas de ácido forte :de ácido forte : São produzidas por São produzidas por sulfonaçãosulfonação do do 
polímero com ácido sulfúrico. O grupo funcional é o ácido polímero com ácido sulfúrico. O grupo funcional é o ácido sulfónicosulfónico, , --SOSO33H, H, 
estas resinas trabalham em qualquer pH, separam todas as sais e estas resinas trabalham em qualquer pH, separam todas as sais e requerem requerem 
de uma quantidade elevada de regenerante. Esta é a resina que é de uma quantidade elevada de regenerante. Esta é a resina que é escolhida escolhida 
para quase todas as aplicações de abrandamento de para quase todas as aplicações de abrandamento de água.água.
•• Resinas Resinas catiónicascatiónicas de ácido fraco:de ácido fraco: O grupo funcional é um ácido carboxílico O grupo funcional é um ácido carboxílico 
--COOH, presente em um dos componentes, principalmente o ácido acrCOOH, presente em um dos componentes, principalmente o ácido acrílico o ílico o 
metacrílicometacrílico. Este tipo de resina é altamente eficiente e não precisa de uma. Este tipo de resina é altamente eficiente e não precisa de uma
quantidade elevada de regenerante, estas resinas tem uma menor quantidade elevada de regenerante, estas resinas tem uma menor 
capacidade de troca iônica devido à variação na velocidade do flcapacidade de troca iônica devido à variação na velocidade do fluxo e a uxo e a 
baixas temperaturas.baixas temperaturas.
Classificação das resinas sintéticasClassificação das resinas sintéticas
•• Resinas aniônicas de base forte:Resinas aniônicas de base forte: São obtidas a partir da reação de São obtidas a partir da reação de 
estirenoestireno--DVBDVB com aminas terciárias. O grupo funcional é uma sal de com aminas terciárias. O grupo funcional é uma sal de 
amônio quaternário. Os dois grupos principais destas resinas poamônio quaternário. Os dois grupos principais destas resinas podem dem 
ser Tipo 1 (tem três grupos ser Tipo 1 (tem três grupos metilometilo) e as de tipos 2 (um grupo etanol ) e as de tipos 2 (um grupo etanol 
substitui um dos grupos substitui um dos grupos metilometilo) ) 
•• Resinas aniônicas de base fraca:Resinas aniônicas de base fraca: Resinas funcionalizadas com grupos Resinas funcionalizadas com grupos 
de amina primaria, secundaria, e terciária. Podem ser aplicadas de amina primaria, secundaria, e terciária. Podem ser aplicadas na na 
adsorção de ácidos fortes com boa capacidade, mas sua cinética éadsorção de ácidos fortes com boa capacidade, mas sua cinética é
lentalenta
Troca iônicaTroca iônica
••As resinas de troca iônica são matrizes sólidas que contem sítioAs resinas de troca iônica são matrizes sólidas que contem sítios s 
ativos, com carga (positiva ou negativa) e é nos sítios ativos qativos, com carga (positiva ou negativa) e é nos sítios ativos que ue 
acontece a reação de troca iônica.acontece a reação de troca iônica.
••Troca iônica do íon NaTroca iônica do íon Na++ e Cae Ca2+2+
Troca iônicaTroca iônica
••Para que a troca iônica Para que a troca iônica ocorraocorra os íons devem se movimentar da os íons devem se movimentar da 
soluçãosolução à resina e viceà resina e vice--versa. Este movimento é conhecido como versa. Este movimento é conhecido como 
processo de difusão. processo de difusão. 
A difusão depende de fatores como:A difusão depende de fatores como:
Tamanho de partícula e de poroTamanho de partícula e de poro
Carga eletrostáticaCarga eletrostática
TemperaturaTemperatura
EstruturaEstrutura
Características das resinasCaracterísticas das resinas
•• Capacidade de trocaCapacidade de troca
••Quantidade de íons que uma resina pode trocar em determinadas Quantidade de íons que uma resina pode trocar em determinadas 
condições experimentais, depende do tipo do sitio ativo. É exprecondições experimentais, depende do tipo do sitio ativo. É expresso em sso em 
equivalente/litro de resina ou grama de resina.equivalente/litro de resina ou grama de resina.
•• Capacidade especifica de trocaCapacidade especifica de troca
••Número Maximo de sítios ativos da resina por grama. Este valor pNúmero Maximo de sítios ativos da resina por grama. Este valor pode ode 
ser maior que a capacidade de troca, já que nem todos os sítios ser maior que a capacidade de troca, já que nem todos os sítios ativos ativos 
são accessíveis aos íons em dissolução.são accessíveis aos íons em dissolução.
•• SeletividadeSeletividade
••Propriedade da resina de mostrar maior afinidade por um íon que Propriedade da resina de mostrar maior afinidade por um íon que por por 
outro, a resina preferirá os íons com os que forme um enlace maioutro, a resina preferirá os íons com os que forme um enlace mais forte.s forte.
Troca iônica em colunaTroca iônica em coluna
••Esta é a configuração que é a mais utilizada em um processo de tEsta é a configuração que é a mais utilizada em um processo de troca roca 
iônica. A resina é colocada dentro de uma coluna vertical, atraviônica. A resina é colocada dentro de uma coluna vertical, através da és da 
qual flui a dissolução a tratar. Este processo consta de várias qual flui a dissolução a tratar. Este processo consta de várias etapas: etapas: 
Acondicionamento da coluna:Acondicionamento da coluna:
Consiste em introduzir a resina no interior da Consiste em introduzir a resina no interior da 
coluna, evitando a formação de bolhas de ar coluna, evitando a formação de bolhas de ar 
entre as partículas para obter um leito entre as partículas para obter um leito 
homogêneo ehomogêneo e uniforme, e provocar o uniforme, e provocar o 
inchamento da resina.inchamento da resina.
Troca iônica em colunaTroca iônica em coluna
•• Etapa de cargaEtapa de carga
••É em esta etapa que acontece a troca iônica, a dissolução ingresÉ em esta etapa que acontece a troca iônica, a dissolução ingressa na sa na 
coluna e flui através da resina. As condições de operação (vazãocoluna e flui através da resina. As condições de operação (vazão, , 
velocidade do fluxo, pH, etc.) dependem da