ARTIGO ORIGINAL
BORGONOVI, Steven de Andrade [1], IBARRA, Gabrielle Amarilha [2], NECO, Gabriel Conforti Papa [3], RODRIGUES, Rayane Vieira [4], BARBOSA, Hueberton [5], PÁDUA, Aryston Vinicius Queiroz de Almeida [6], SANTOS, Alexsander Saves dos [7]
BORGONOVI, Steven de Andrade. Et al. Protótipo de filtração aplicado na deionização da água utilizando resina mista. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 06, Ed. 05, Vol. 14, pp. 61-72. Maio de 2021. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/deionizacao-da-agua, DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-quimica/deionizacao-da-agua
RESUMO
Nesse trabalho foi projetado, construído e testado um protótipo de filtro deionizador para desmineralização de água bruta. O protótipo possui corpo principal de acrílico, com etapas de carvão, areia, pedra e resinas catiônica e aniônica, com uma base de madeira e um recipiente para coleta da água deionizada. Foi realizado o teste com água bruta, tendo esta, uma condutividade de 144,8.10-6 µs/cm antes da filtragem, e posteriormente de 20,15.10-6 µs/cm, mostrando então uma eficiência considerável do sistema. O protótipo apresentou resultados satisfatórios e atendeu ao seu propósito de criação, baseando-se em SANEPAR (2013), onde para soluções com condutividade intermediaria tal como água mineralizada, potável e águas residuais, a faixa é de 10.10-6 µs/cm até 2000.10-6 µs/cm.
Palavras-chave: Baixo custo, Filtração, Deionizador, Água.
1. INTRODUÇÃO
Segundo Teruya (2012), filtração é uma técnica experimental de divisão de mesclas heterogêneas compostas de um estado sólido e um estado fluído, via de regra, um líquido. É abundantemente utilizada não só para extinguir partículas sólidas do estado fluído, mas também para segregar um sólido disperso ou retido num líquido. O processo de filtração pode ser usado, não apenas em escala de laboratório, mas também em escala industrial.
Procede tais técnicas de filtração: a filtração simples, também conhecida como comum e a filtração a vácuo.
Nas palavras de Salvador e Usberco (2006), no processo de filtração simples, realizado em laboratório, utiliza-se um papel de filtro, de formato circular, que é dobrado ao meio duas vezes, de modo a ser dividido em quatro partes. Este papel aumenta a área de superfície de filtração, agilizando o procedimento. Caso a parte de maior relevância seja o resíduo sólido que se encontra retido no papel de filtro, existe a possibilidade de dobrá-lo ainda mais. Este papel de filtro é então colocado em um funil analítico e com o auxílio de uma baqueta de vidro, a mistura é transferida. Ao passo que as partículas sólidas ficam retidas no filtro, o líquido que passa pelos poros é coletado em outro recipiente. Já no processo de filtração a vácuo, a diferença se encontra na aplicação do vácuo (baixa pressão) dentro do recipiente, o qual irá coletar a solução filtrada. Neste processo, devido a aplicação do vácuo, a ocorrência da sucção agiliza o procedimento.
Entre os processos de filtração é possível também a aplicação de um filtro para desmineralização ou deionização obtendo água pura. O processo desmineralizador da água é constituído na retirada dos íons (ânion e cátions) presentes na mesma, sendo assim, o procedimento é comumente denominado de deionização. Dispõe dos mesmos benefícios e aspectos da água destilada, no entanto são obtidas por outros procedimentos. Esse processo acontece com a permanência de uma resina de troca iônica composta por produtos sintéticos, anexada no final do filtro, que possibilita a purificação da água a nível químico, com transição de íons contaminantes por íons inertes à solução.
Quando colocadas na água, as resinas de troca iônica poderão liberar íons sódio ou hidrogênio (resinas catiônicas) ou hidroxila (resinas aniônicas) e captar desta mesma água, respectivamente, cátions e ânions, responsáveis por seu teor de sólidos dissolvidos, indesejáveis a muitos processos industriais (SAKAI, 2012).
A mais importante mudança da água desmineralizada para a destilada é que o primeiro procedimento de purificação não faz uso de energia. Somente são utilizadas resinas específicas que realizam uma troca iônica, surgindo assim a água purificada. Além desta há também o procedimento através de osmose reversa, no qual a filtragem não faz uso de produtos químicos e a mesma é um processo mecânico (AFONSO, 2015).
O mais importante é a qualidade final da água desmineralizada produzida e onde ela será utilizada. No caso de usinas, a água será muito utilizada em lavagens de caldeiras, enquanto em laboratórios, se aplica para lavagem final de vidrarias.
O objetivo desse trabalho foi construir um filtro deionizador utilizando resina mista e outros filtrantes e avaliar seu funcionamento para filtragem de água para consumo industrial e laboratorial.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O presente projeto foi realizado no período de Agosto à Dezembro de 2019 na Universidade Brasil, localizada na Estrada Projetada F-1 s/n Fazenda Santa Rita, no Município de Fernandópolis-SP.
A primeira etapa foi a escolha e desenho técnico do modelo do equipamento conforme Figura 1 com escala em mm, levando em consideração a melhor produção e rendimento na filtração. O produto final foi definido em 30cm para o comprimento da coluna e largura de 10cm.
Figura 1 – Desenho técnico do projeto.
Em seguida, foi realizada a aquisição dos materiais elencados na Tabela 1. Alguns materiais como a malha da peneira, canos e plataforma de madeira foram doações da Usina Bpbunge da cidade de Ouroeste/SP e da Madeireira Lourenção localizada na cidade de Fernandópolis/SP. O intuito foi utilizar materiais de baixo custo e reaproveitáveis.
Tabela 1 – Materiais e valores.
| Materiais | Quantidade | Valor Unitário (R$) | Valor Total (R$) |
| Filtro acrílico 10×30 cm | 1 | 65,00 | 65,00 |
| Torneira ¾ | 2 | 4,50 | 9,00 |
| Tabua madeira 70×40 cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Mangueira borracha ¾ | 1m | 2,70 | 2,70 |
| Mangueira borracha ½ | 1m | 2,30 | 2,30 |
| Cano pvc 100mm (reservatório) | 20cm | 8,50 | 8,50 |
| Cano pvc 100mm | 30cm | 10,00 | 10,00 |
| Cano pvc 50mm | 45cm | 8,00 | 8,00 |
| Abraçadeira ¾ em U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| Abraçadeira ½ em U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| Serra | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Parafuso | 8 | 0,10 | 0,80 |
| Plataforma de madeira 70x40cm | 1 | 0 | 0 |
| Estilete | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Cola silicone | 1 | 15,00 | 15,00 |
| Suporte de madeira caseiro 40x20cm | 1 | 0,00 | 0,00 |
| Tampão pvc 100mm | 4 | 2,00 | 8,00 |
| Malha de peneira 10x10cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Pedra | 300g | 2,00 | 2,00 |
| Areia | 500g | 3,00 | 3,00 |
| Cano pvc 50mm | 1 | 8,00 | 8,00 |
| Carvão ativado | 200g | 35,00 | 35,00 |
| Resina iônica | 500g | 60,80 | 60,80 |
| Total | – | – | 240,30 |
Fonte: Os autores.
A próxima etapa foi à montagem do equipamento externo com as plataformas de madeira, na sequência, realizou-se duas perfurações de 13mm, na parte superior (entrada da água bruta) e na inferior (saída da água deionizada), no filtro acrílico que tem medida 10x10x30cm, com volume de 3L, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 – Montagem parte externa.
Na sequência, foi realizada a montagem da parte interna do filtro, onde efetuou-se o processo de filtragem com o propósito de retirar todos os minérios e sais contidos na água bruta, apresentado na Figura 3.
Figura 3 – Montagem parte interna.
A etapa da montagem interna, segue a sequência de um filtro usual, iniciando com o carvão ativado que é um dos adsorventes mais importantes, do ponto de vista industrial, sendo utilizado para separação e purificação de misturas em fase gasosa e líquida, em seguida os filtros de areia e cascalho retiram turbidez, particulados e pequena quantidade de material emulsionado na forma coloidal ou emulsão, melhorando a cor e o sabor, posteriormente introduziu-se a resina mista que é composta de 50% resina catiônica e 50% resina aniônica, sendo esta, desenvolvida especialmente para tratamento de água em indústrias e laboratórios, são utilizadas para remoção de íons da água, após inclui-se uma camada de algodão que ajuda na remoção de sólidos da água, devido à alta superfície de contato, consequência das dimensões micrométricas dos fios e finalizou-se com uma malha de filtro para garantir uma alta eficiência do processo de filtragem.
Após o processo, a água deionizada é destinada para o próximo recipiente, sendo conduzida em tubulação de borracha, gravitacionalmente, sendo recebida em um reservatório de cano com volume de 2,45L, fazendo assim a estocagem do produto, sendo representado pela Figura 4.
Figura 4 – Processo de estocagem.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Realizou-se análises de condutividade antes e depois de cada filtragem. Os resultados foram tabulados e apresentados na Tabela 2:
Tabela 2 – Valores de condutividade.
| Testes | Condutividade da água bruta | Condutividade da água deionizada |
| 1 | 144.8 | 20,15 |
| 2 | 164.3 | 17,56 |
| 3 | 164.3 | 16,21 |
| 4 | 164,3 | 16,14 |
| 5 | 166.1 | 17,25 |
Fonte: Os autores.
Observa-se uma redução na taxa de condutividade equivalente a 70%. O processo de troca iônica se deu, devido o emprego de resinas sintéticas, onde as mesmas retêm os sais dissolvidos na água por meio de uma reação química, liberando íons equivalentes para a solução. A água bruta a ser desmineralizada deve ser submetida a uma pré-filtragem para remoção dos sólidos em suspensão: barro, areia e outros, incluindo o cloro, sendo este, removido no inicio da filtragem, devido a presença do carvão atividado. Segundo Saves (2018, apud SANTOS, 2019)
É natural a saturação da resina conforme o tempo de uso, assim, é necessário que a água produzida seja monitorada frequentemente com o auxílio de um condutivimetro, permitindo determinar quando a mesma deverá ser substituída. O nível máximo de condutividade que determinará quando a resina deverá ser trocada dependerá do uso a que se destina a água purificada, sendo estabelecida pelo usuário para cada aplicação. Valores de referência são apresentados na Quadro 1.
Quadro 1 – Valores de referência de condutividade.
| Aplicação | Faixa |
| Para soluções com baixa condutividade de tal como água destilada, deionizada ou ultra-
pura. |
0,5 µs até 400 µs |
| Para soluções com condutividade intermediaria tal como água mineralizada, potável e água
residuais. |
10 µs até 2000 µs |
| Para soluções com boa condutividade tal que água do mar, ácidos, bases e sais diluídos,
soluções fisiológicas. |
1000 µs até 200.000 µs |
Fonte: SANEPAR, 2013.
Foram calculados a vazão do filtro utilizando a Equação 1:
Equação 1 : 
onde Q é a vazão, V é o volume, e t é o tempo.
A vazão do filtro foi realizada, em que t=49.15s e V=0,003m³ e obteve-se Q=6,1×10-5 m3/s. Foi calculado o volume ocupado no filtro pelos materiais utilizando a Equação 2:
Equação 2: V = A.h
Onde V é o volume prenchido do filtro, A é a area do filtro e h é a altura ocupada pelos componentes do filtro. O volume prenchido foi calculado tendo A= 0,01m² e h= 0,019m.
V = 0,00195 m3.
Tabela 3 – Resultado de Cálculos
| Rendimento | ≅ 72% |
| Volume do material contido no filtro | 0,00195 m3 |
| Volume do filtro | 0,003 m³ |
| Vazão Volumetrica | 6,1×10-5 m3/s. |
Fonte: Os autores.
4. CONCLUSÕES
Conclui-se que o rendimento do protótipo foi satisfatório, quando comparado com os resultados publicados por SANEPAR (2013). A variação dos valores obtidos no final de cada amostra, depende da água utilizada na filtração, entretanto, os resultados obtidos foram lineares durante todos os testes, mostrando assim a eficiência do sistema, uma vez que o processo pode ser realizado diversas vezes sem necessidade de reposição dos materiais.
Pressupõe-se que é possível aumentar a eficiência do protótipo, se alterado a extensão da coluna de resina, desde que se mantenha a vazão. A quantidade de resina/ tempo de retenção, são fatores cruciais para o desempenho do protótipo.
Em uma possível replicagem do filtro, diminuir o espaço vazio deixado no final da coluna, pois o mesmo serve apenas para evitar a pressão inversa.
REFERÊNCIAS
AFONSO, Julio Carlos. Separação sólido-líquido: Centrífugas e papeis filtro. Química Nova, volume nº38, no.05. São Paulo, Junho de 2015
SAKAI, Suzana. Resinas trocadoras de Íons, soluções a favor do tratamento de água e efluentes. Revista TAE, São Paulo, edição Nº 9 – outubro/novembro de 2012 – Ano 2.
SALVADOR, Edgard e USBERCO, João. Química, volume único. 1ª edição. São Paulo-SP: Editora Saraiva, 2006. 672 p.
SANEPAR. Companhia de Saneamento do Paraná, 2013. Disponível em: <https://site.sanepar.com.br/>
TERUYA, Leila Cardoso. Filtração Simples. LABIQ – Laboratório de Química e Bioquímica. Disponível em: <http://labiq.iq.usp.br/paginas_view.php?idPagina=4&idTopico=68#.YIs6H7VKjDc> Acesso em: 12 de outubro 2019.
[1] Acadêmico em Engenharia Química.
[2] Acadêmico em Engenharia Química.
[3] Acadêmico em Engenharia Química.
[4] Acadêmico em Engenharia Química.
[5] Acadêmico em Engenharia Química.
[6] Acadêmico em Engenharia Química.
[7] Orientador. Mestrado em Ciências Ambientais.
Enviado: Fevereiro, 2021.
Aprovado: Maio, 2021.
