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Prototype de filtration appliqué à la désionisation de l’eau à l’aide de résine mélangée

RC: 88925
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CONTEÚDO

ARTICLE 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. Prototype de filtration appliqué à la désionisation de l’eau à l’aide de résine mélangée. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. An 06, Ed. 05, Vol. 14, p. 61 à 72. mai 2021. ISSN: 2448-0959, Lien d’accès: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/genie-chimique/desionisation-de-leau

RÉSUMÉ

Dans ce travail, un prototype de filtre désionisateur a été conçu, construit et testé pour la déminéralisation de l’eau brute. Le prototype a un corps principal en acrylique, avec des marches de charbon, de sable, de pierre et de résines cationiques et anioniques, avec une base en bois et un récipient pour collecter l’eau désionisée. L’essai d’eau brute a été effectué, avec une conductivité de 144,8.10-6 µs/cm avant filtration, puis 20,15.10-6 µs/cm, montrant alors une efficacité considérable du système. Le prototype a présenté des résultats satisfaisants et a atteint son objectif de création, basé sur SANEPAR (2013), où pour les solutions à conductivité intermédiaire telles que l’eau minéralisée, l’eau potable et les eaux usées, la gamme est de 10. 10-6 μs/cm d’ici 2000.10-6 μs/cm.

Mots-clés : Faible coût, Filtration, Désionisateur, Eau.

1. INTRODUCTION

Selon Teruya (2012), la filtration est une technique expérimentale de division de mélanges hétérogènes composés d’un état solide et d’un état fluide, en règle générale, d’un liquide. Il est largement utilisé non seulement pour éteindre les particules solides de l’état fluide, mais aussi pour sécréter un solide dispersé ou retenu dans un liquide. Le procédé de filtration peut être utilisé, non seulement à l’échelle du laboratoire, mais aussi à l’échelle industrielle.

De telles techniques de filtration sont effectuées: filtration simple, également connue sous le nom de filtration commune et sous vide.

Selon les mots de Salvador et Usberco (2006), dans le processus de filtration simple, effectué en laboratoire, on utilise un papier filtre circulaire, qui est plié en deux deux fois, de manière à être divisé en quatre parties. Ce document augmente la surface de filtration en accélérant la procédure. Si la partie la plus pertinente est le résidu solide retenu dans le papier filtre, il est possible de le plier encore plus. Ce papier filtre est ensuite placé dans un entonnoir analytique et à l’aide d’un tambour en verre, le mélange est transféré. Alors que les particules solides sont retenues dans le filtre, le liquide passant à travers les pores est recueilli dans un autre récipient. Dans le processus de filtration sous vide, la différence réside dans l’application du vide (basse pression) à l’intérieur du récipient, qui recueillera la solution filtrée. Dans ce processus, en raison de l’application du vide, l’apparition d’une aspiration accélère la procédure.

Parmi les procédés de filtration, il est également possible d’appliquer un filtre pour la déminéralisation ou la désionisation en obtenant de l’eau pure. Le processus de déminéralisation de l’eau consiste en l’élimination des ions (anions et cations) qui y sont présents, de sorte que la procédure est communément appelée désionisation. Il a les mêmes avantages et aspects de l’eau distillée, mais ils sont obtenus par d’autres procédures. Ce processus se produit avec la permanence d’une résine échangeuse d’ions composée de produits synthétiques, fixée à l’extrémité du filtre, ce qui permet la purification de l’eau au niveau chimique, avec transition d’ions contaminants par des ions inertes vers la solution.

Lorsqu’elles sont placées dans l’eau, les résines échangeuses d’ions peuvent libérer des ions sodium ou hydrogène (résines cationiques) ou hydroxyle (résines anioniques) et capter de cette même eau, respectivement, des cations et des anions, responsables de leur teneur en solides dissous, indésirables pour de nombreux procédés industriels (SAKAI, 2012).

Le changement le plus important de l’eau déminéralisée au distillat est que la première procédure de purification n’utilise pas d’énergie. Seules des résines spécifiques sont utilisées qui effectuent un échange d’ions, émergeant ainsi de l’eau purifiée. En plus de cela, il y a aussi la procédure par osmose inverse, dans laquelle la filtration n’utilise pas de produits chimiques et c’est un processus mécanique (AFONSO, 2015).

Le plus important est la qualité finale de l’eau déminéralisée produite et où elle sera utilisée. Dans le cas des centrales électriques, l’eau sera largement utilisée dans les lavages de chaudières, tandis que dans les laboratoires, elle s’applique au lavage final des glasstiles.

L’objectif de ces travaux était de construire un filtre désionisateur en utilisant de la résine mélangée et d’autres filtres et d’évaluer son fonctionnement pour la filtration de l’eau pour la consommation industrielle et de laboratoire.

2. MATÉRIEL ET MÉTHODES

Le présent projet a été réalisé d’août à décembre 2019 à l’Universidade Brasil, situé à Estrada Projeto F-1 s/n Fazenda Santa Rita, dans la municipalité de Fernandópolis-SP.

La première étape a été le choix et la conception technique du modèle d’équipement selon la figure 1 avec une échelle en mm, en tenant compte de la meilleure production et du meilleur rendement en filtration. Le produit final a été fixé à 30 cm pour une longueur de colonne et une largeur de 10 cm.

Figure 1 – Conception technique du projet.

Source: Les auteurs.

Ensuite, les matériaux énumérés dans le tableau 1 ont été acquis. Certains matériaux tels que le tamis, les tuyaux et la plate-forme en bois ont été donnés par Usina Bpbunge dans la ville d’Ouroeste/SP et Madeireira Lourenção située dans la ville de Fernandópolis/SP. L’objectif était d’utiliser des matériaux peu coûteux et réutilisables.

Tableau 1 – Matériaux et valeurs.

matériaux quantité Valeur unitaire (R$) Valeur totale (R$)
Filtre acrylique 10×30 cm 1 65,00 65,00
Appuyez sur ¾ 2 4,50 9,00
Tablette en bois 70×40 cm 1 0,0 0,0
Tuyau en caoutchouc ¾ 1m 2,70 2,70
Tuyau en caoutchouc ½ 1m 2,30 2,30
Tuyau en PVC 100mm (réservoir) 20 cm 8,50 8,50
Tuyau en PVC 100mm 30 cm 10,00 10,00
Tuyau pvc 50mm 45 cm 8,00 8,00
Pince ¾ U 2 0,55 1,10
Pince ½ U 2 0,55 1,10
scie 1 0,0 0,0
vis 8 0,10 0,80
Plate-forme en bois 70x40cm 1 0 0
stylet 1 0,0 0,0
Colle de silicone 1 15,00 15,00
Support en bois fait maison 40x20cm 1 0,00 0,00
Capuchon PVC 100mm 4 2,00 8,00
Tamis mesh 10x10cm 1 0,0 0,0
pierre 300g 2,00 2,00
sable 500g 3,00 3,00
Tuyau pvc 50mm 1 8,00 8,00
charbon actif 200g 35,00 35,00
Résine ionique 500g 60,80 60,80
Total 240,30

Source: Les auteurs.

L’étape suivante a été l’assemblage de l’équipement externe avec les plates-formes en bois, puis deux perforations de 13mm ont été effectuées, en haut (entrée d’eau brute) et en bas (sortie d’eau désionisée), dans le filtre acrylique qui a une mesure de 10x10x30cm, avec un volume de 3L, comme le montre la figure 2.

Figure 2 : assemblage à l’extérieur.

Source: Les auteurs.

Ensuite, la partie interne du filtre a été montée, où le processus de filtration a été effectué afin d’éliminer tous les minerais et sels contenus dans l’eau brute, illustré à la figure 3.

Figure 3 : assemblage à l’intérieur.

Source: Les auteurs.

L’étape d’assemblage interne suit la séquence d’un filtre habituel, en commençant par le charbon actif qui est l’un des adsorbants les plus importants, du point de vue industriel, étant utilisé pour la séparation et la purification des mélanges en phase gazeuse et liquide, puis les filtres de sable et de gravier éliminent la turbidité, les particules et la petite quantité de matériau émulsionné sous forme colloïdale ou en émulsion , améliorant la couleur et la saveur, la résine mélangée a ensuite été introduite, qui est composée de 50% de résine cationique et de 50% de résine anionique, qui est développée spécialement pour le traitement de l’eau dans les industries et les laboratoires, sont utilisés pour l’élimination des ions de l’eau, après avoir compris une couche de coton qui aide à l’élimination des solides de l’eau , en raison de la surface de contact élevée, conséquence des dimensions micrométriques des fils et fini avec un maillage de filtre pour assurer une grande efficacité du processus de filtration.

Après le procédé, l’eau désionisée est destinée au récipient suivant, étant conduite en tuyau en caoutchouc, gravitationnellement, étant reçue dans un réservoir de tuyau d’un volume de 2,45 L, faisant ainsi le stock de produit, représenté par la figure 4.

Figure 4 : processus de stockage.

Source: Les auteurs.

3. RÉSULTATS ET DISCUSSION

Des analyses de conductivité ont été effectuées avant et après chaque filtration. Les résultats ont été présentés sous forme de tableaux et dans le tableau 2 :

 Tableau 2 – Valeurs de conductivité.

Tests Conductivité de l’eau brute Conductivité de l’eau désionisée
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

Source: Les auteurs.

Il y a une réduction du taux de conductivité équivalente à 70%. Le processus d’échange d’ions a eu lieu, en raison de l’utilisation de résines synthétiques, où ils retiennent les sels dissous dans l’eau par une réaction chimique, libérant des ions équivalents dans la solution. L’eau brute à déminerraliser doit être soumise à une préfiltration pour l’élimination des solides en suspension : argile, sable et autres, y compris le chlore, qui est éliminé au début de la filtration en raison de la présence du charbon atité. Selon Saves (2018, apud SANTOS, 2019)

Il est naturel de saturation de la résine en fonction du moment d’utilisation, il est donc nécessaire que l’eau produite soit fréquemment surveillée à l’aide d’un conduitvimètre, permettant de déterminer quand elle doit être remplacée. Le niveau maximal de conductivité qui déterminera quand la résine doit être changée dépendra de l’utilisation à laquelle l’eau purifiée est destinée, étant établi par l’utilisateur pour chaque application. Les valeurs de référence sont présentées dans le graphique 1.

Tableau 1 – Valeurs de référence de conductivité.

application ceinture
Pour les solutions à faible conductivité telles que distillées, désionisées ou ultra-

pur.

0,5 μs jusqu’à ce que 400 μs
Pour les solutions de conductivité intermédiaires telles que l’eau minéralisée, l’eau potable et l’eau

résiduel.

10 μs jusqu’à ce que 2000 μs
Pour les solutions à bonne conductivité telles que l’eau de mer, les acides, les bases et les sels dilués,

solutions physiologiques.

1000 μs jusqu’à ce que 200 000 μs

Source : SANEPAR, 2013.

Le débit du filtre a été calculé à l’aide de l’équation 1:

Équation 1 :

où Q est le flux, V est le volume et t est le temps.

Le débit du filtre a été réalisé, où t=49.15s et V=0.003m³ et Q=6.1×10-5 m3/s a été obtenu. Le volume occupé dans le filtre par les matériaux a été calculé à l’aide de l’équation 2 :

 Équation 2: V = A.h

Où V est le volume du filtre prérempli, A est la zone du filtre et h est la hauteur occupée par les composants du filtre. Le volume prérempli a été calculé avec A = 0,01 m² et h = 0,019 m.

V = 0,00195 m3.

Tableau 3 – Résultat du calcul

rendement ≅ 72%
Volume du matériau contenu dans le filtre 0,00195 m3
Volume de filtre 0,003 m³
Écoulement volumétrique 6,1 x 10-5 m3/s.

Source: Les auteurs.

4. CONCLUSION

Il a été conclu que les performances du prototype étaient satisfaisantes par rapport aux résultats publiés par SANEPAR (2013). La variation des valeurs obtenues à la fin de chaque échantillon dépend de l’eau utilisée dans la filtration, cependant, les résultats obtenus ont été linéaires lors de tous les essais, montrant ainsi l’efficacité du système, puisque le processus peut être effectué plusieurs fois sans avoir besoin de remplacer les matériaux.

On suppose qu’il est possible d’augmenter l’efficacité du prototype, si l’extension de la colonne de résine est modifiée, à condition que le débit soit maintenu. La quantité de résine / temps de rétention, sont des facteurs cruciaux pour les performances du prototype.

Dans une réplication possible du filtre, diminuez l’espace vide laissé à la fin de la colonne, car il ne sert qu’à éviter l’inversion de pression.

RÉFÉRENCES

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] Universitaire en génie chimique.

[2] Universitaire en génie chimique.

[3] Universitaire en génie chimique.

[4] Universitaire en génie chimique.

[5] Universitaire en génie chimique.

[6] Universitaire en génie chimique.

[7] Conseiller. Maîtrise en sciences de l’environnement.

Soumis : Février 2021.

Approuvé : Mai 2021.

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