ARTICOLO ORIGINALE
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. Prototipo di filtrazione applicato nella deionizzazione dell’acqua mediante resina mista. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Anno 06, Ed. 05, Vol. 14, pp. 61-72. maggio 2021. ISSN: 2448-0959, Collegamento di accesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingegneria-chimica/deionizzazione-dellacqua
RIEPILOGO
In questo lavoro, un prototipo di filtro deionizzatore è stato progettato, costruito e testato per la demineralizzazione dell’acqua grezza. Il prototipo ha un corpo principale acrilico, con gradini di carbone, sabbia, pietra e resine cationiche e anioniche, con una base in legno e un contenitore per la raccolta dell’acqua deionizzata. È stata eseguita la prova dell’acqua grezza, con conducibilità di 144,8.10-6 µs/cm prima della filtrazione, quindi 20,15.10-6 µs/cm, mostrando quindi una notevole efficienza del sistema. Il prototipo ha presentato risultati soddisfacenti e ha raggiunto il suo scopo di creazione, basato su SANEPAR (2013), dove per soluzioni con conducibilità intermedia come acqua mineralizzata, acqua potabile e acque reflue, la gamma è di 10.10-6 µs/cm entro il 2000.10-6 µs/cm.
Parole chiave: Basso costo, Filtrazione, Deionizzatore, Acqua.
1. INTRODUZIONE
Secondo Teruya (2012), la filtrazione è una tecnica sperimentale di divisione di miscele eterogenee composte da uno stato solido e uno stato fluido, di regola, un liquido. È ampiamente usato non solo per estinguere particelle solide dello stato del fluido, ma anche per secernore un solido disperso o trattenuto in un liquido. Il processo di filtrazione può essere utilizzato, non solo su scala di laboratorio, ma anche su scala industriale.
Tali tecniche di filtrazione vengono eseguite: semplice filtrazione, nota anche come filtrazione comune e sottovuoto.
Nelle parole di Salvador e Usberco (2006), nel semplice processo di filtrazione, effettuato in laboratorio, viene utilizzata una carta filtrante circolare, che viene piegata a metà due volte, in modo da essere divisa in quattro parti. Questo documento aumenta la superficie di filtrazione accelerando la procedura. Se la parte più rilevante è il residuo solido che viene trattenuto nella carta filtrante, c’è la possibilità di piegarlo ancora di più. Questa carta filtrante viene quindi posta in un imbuto analitico e, con l’aiuto di un drumdrum di vetro, la miscela viene trasferita. Mentre le particelle solide vengono trattenute nel filtro, il liquido che passa attraverso i pori viene raccolto in un altro contenitore. Nel processo di filtrazione sottovuoto, la differenza sta nell’applicazione del vuoto (bassa pressione) all’interno del contenitore, che raccoglierà la soluzione filtrata. In questo processo, a causa dell’applicazione del vuoto, il verificarsi di aspirazione accelera la procedura.
Tra i processi di filtrazione è anche possibile applicare un filtro per la demineralizzazione o la deionizzazione ottenendo acqua pura. Il processo di demineralizzazione dell’acqua consiste nella rimozione degli ioni (anioni e cate) presenti in esso, quindi la procedura è comunemente chiamata deionizzazione. Ha gli stessi benefici e aspetti dell’acqua distillata, tuttavia sono ottenuti con altre procedure. Questo processo avviene con la permanenza di una resina scambiata di ioni composta da prodotti sintetici, attaccata alla fine del filtro, che consente la purificazione dell’acqua a livello chimico, con transizione degli ioni contaminanti da ioni inerti alla soluzione.
Quando vengono poste in acqua, le resine scambiatrici di ioni possono rilasciare ioni di sodio o idrogeno (resine cationiche) o idrossile (resine anioniche) e catturare da questa stessa acqua, rispettivamente, cationi e anioni, responsabili del loro contenuto di solidi disciolti, indesiderabili per molti processi industriali (SAKAI, 2012).
Il cambiamento più importante dall’acqua demineralizzata al distillato è che la prima procedura di purificazione non fa uso di energia. Vengono utilizzate solo resine specifiche che eseguono uno scambio ionico, emergendo così acqua purificata. Oltre a questo c’è anche la procedura attraverso l’osmosi inversa, in cui la filtrazione non fa uso di sostanze chimiche ed è un processo meccanico (AFONSO, 2015).
Il più importante è la qualità finale dell’acqua demineralizzata prodotta e dove verrà utilizzata. Nel caso delle centrali elettriche, l’acqua sarà ampiamente utilizzata nei lavaggi delle caldaie, mentre nei laboratori si applica per il lavaggio finale dei vetri.
L’obiettivo di questo lavoro era quello di costruire un filtro deionizzatore utilizzando resina mista e altri filtri e valutarne il funzionamento per la filtrazione dell’acqua per il consumo industriale e di laboratorio.
2. MATERIALI E METODI
Questo progetto è stato svolto da agosto a dicembre 2019 presso l’Universidade Brasil, situata a Estrada Projetada F-1 s/n Fazenda Santa Rita, nel comune di Fernandópolis-SP.
Il primo passo è stata la scelta e la progettazione tecnica del modello di attrezzatura secondo la figura 1 con scala in mm, tenendo conto della migliore produzione e resa nella filtrazione. Il prodotto finale è stato fissato a 30 cm per la lunghezza della colonna e la larghezza di 10 cm.
Figura 1 – Progettazione tecnica del progetto.
Successivamente, sono stati prelevati i materiali elencati nella tabella 1. Alcuni materiali come la rete setacciata, i tubi e la piattaforma di legno sono state donazioni dallo stabilimento Bpbunge nella città di Ouroeste/SP e dall’Madeireira Lourenção situato nella città di Fernandópolis/SP. L’obiettivo era quello di utilizzare materiali a basso costo e riutilizzabili.
Tabella 1 – Materiali e valori.
| materiali | quantità | Valore unitario (R$) | Valore totale (R$) |
| Filtro acrilico 10×30 cm | 1 | 65,00 | 65,00 |
| Tocca ¾ | 2 | 4,50 | 9,00 |
| Tavoletta in legno 70×40 cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Tubo in gomma ¾ | 1m | 2,70 | 2,70 |
| Tubo in gomma ½ | 1m | 2,30 | 2,30 |
| Tubo in PVC 100mm (serbatoio) | 20 cm | 8,50 | 8,50 |
| Tubo in PVC 100mm | 30 cm | 10,00 | 10,00 |
| Tubo in pvc 50mm | 45 cm | 8,00 | 8,00 |
| Morsetto da ¾ U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| Morsetto da ½ U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| sega | 1 | 0,0 | 0,0 |
| vite | 8 | 0,10 | 0,80 |
| Piattaforma in legno 70x40cm | 1 | 0 | 0 |
| stilo | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Colla siliconica | 1 | 15,00 | 15,00 |
| Porta legno fatto in casa 40x20cm | 1 | 0,00 | 0,00 |
| Tappo in PVC 100mm | 4 | 2,00 | 8,00 |
| Rete setaccio 10x10cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| pietra | 300g | 2,00 | 2,00 |
| sabbia | 500g | 3,00 | 3,00 |
| Tubo in pvc 50mm | 1 | 8,00 | 8,00 |
| Carbone attivo | 200g | 35,00 | 35,00 |
| Resina ionica | 500g | 60,80 | 60,80 |
| Totale | – | – | 240,30 |
Fonte: Gli autori.
Il passo successivo è stato l’assemblaggio dell’attrezzatura esterna con le piattaforme in legno, quindi sono state effettuate due perforazioni di 13 mm, nella parte superiore (ingresso di acqua grezza) e nella parte inferiore (uscita dell’acqua deionizzata), nel filtro acrilico che ha una misura di 10x10x30cm, con un volume di 3L, come mostrato nella figura 2.
Figura 2 – Montaggio esterno.
Successivamente, è stata montata la parte interna del filtro, in cui è stato effettuato il processo di filtrazione al fine di rimuovere tutti i minerali e i sali contenuti nell’acqua grezza, mostrati nella figura 3.
Figura 3 – Montaggio all’interno.
La fase di assemblaggio interno segue la sequenza di un filtro abituale, a partire dal carbone attivo che è uno dei più importanti adsorbenti, dal punto di vista industriale, utilizzato per la separazione e la purificazione di miscele in fase gassosa e liquida, quindi i filtri sabbia e ghiaia rimuovono torbidità, particolato e piccola quantità di materiale emulsionato in forma colloidale o emulsione , migliorando il colore e il sapore, è stata successivamente introdotta la resina mista, che è composta per il 50% da resina cationica e resina anionica al 50%, sviluppata appositamente per il trattamento delle acque nelle industrie e nei laboratori, viene utilizzata per la rimozione degli ioni dall’acqua, dopo aver incluso uno strato di cotone che aiuta nella rimozione dei solidi dall’acqua , a causa dell’elevata superficie di contatto, conseguenza delle dimensioni micrometriche dei fili e rifinita con una rete filtrante per garantire un’elevata efficienza del processo di filtrazione.
Dopo il processo, l’acqua deionizzata è destinata al contenitore successivo, essendo condotta in tubo di gomma, gravitazionalmente, essendo ricevuta in un serbatoio di tubi con un volume di 2,45 L, rendendo così il materiale prodotto, rappresentato dalla figura 4.
Figura 4 – Processo di archiviazione.
3. RISULTATI E DISCUSSIONE
Le analisi di conducibilità sono state eseguite prima e dopo ogni filtrazione. I risultati sono stati tabulati e presentati nella tabella 2:
Tabella 2 – Valori di conducibilità.
| Test | Conducibilità dell’acqua grezza | Conducibilità dell’acqua deionizzata |
| 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: Gli autori.
Vi è una riduzione del tasso di conducibilità pari al 70 per cento. Il processo di scambio ionico ha avuto luogo, a causa dell’uso di resine sintetiche, dove trattengono i sali sciolti in acqua attraverso una reazione chimica, rilasciando ioni equivalenti alla soluzione. L’acqua grezza da demineralizzare deve essere sottoposta ad una prefiltrazione per la rimozione di solidi sospesi: argilla, sabbia e altri, compreso il cloro, che viene rimosso all’inizio della filtrazione a causa della presenza del carbone atitato. Secondo Saves (2018, apud SANTOS, 2019)
È naturale saturare la resina in base al momento dell’uso, quindi è necessario che l’acqua prodotta sia frequentemente monitorata con l’aiuto di un condottometro, consentendo di determinare quando deve essere sostituita. Il livello massimo di conducibilità che determinerà quando la resina deve essere cambiata dipenderà dall’uso a cui è destinata l’acqua purificata, stabilito dall’utente per ogni applicazione. I valori di riferimento sono mostrati nel grafico 1.
Tabella 1 – Valori di riferimento della conducibilità.
| applicazione | cintura |
| Per soluzioni a bassa conducibilità come distillate, deionizzate o ultra-
Puro. |
0,5 μs fino a 400 μs |
| Per soluzioni di conducibilità intermedia come acqua mineralizzata, acqua potabile e acqua
residuo. |
10 μs fino a 2000 μs |
| Per soluzioni con buona conducibilità tali che l’acqua di mare, gli acidi, le basi e i sali diluiti,
soluzioni fisiologiche. |
1000 μs fino a 200.000 μs |
Fonte: SANEPAR, 2013.
La portata del filtro è stata calcolata utilizzando l’equazione 1:
Equazione 1 : 
dove Q è il flusso, V è il volume, e t è il tempo.
Il flusso del filtro è stato eseguito, in cui sono stati ottenuti t=49,15s e V=0,003m³ e Q=6,1×10-5 m3/s. Il volume occupato nel filtro è stato calcolato utilizzando l’equazione 2:
Equazione 2: V = A.h
Dove V è il volume del filtro precompilato, A è l’area del filtro e h è l’altezza occupata dai componenti del filtro. Il volume precompilato è stato calcolato con A= 0,01m² e h= 0,019 m.
V = 0,00195 m3.
Tabella 3 – Risultato del calcolo
| cedere | ≅ 72% |
| Volume del materiale contenuto nel filtro | 0,00195 m3 |
| Volume filtro | 0,003 m³ |
| Flusso volumetrico | 6,1×10-5 m3/s. |
Fonte: Gli autori.
4. CONCLUSIONI
Si è concluso che le prestazioni del prototipo sono state soddisfacenti rispetto ai risultati pubblicati da SANEPAR (2013). La variazione dei valori ottenuti alla fine di ciascun campione dipende dall’acqua utilizzata nella filtrazione, tuttavia, i risultati ottenuti sono stati lineari durante tutte le prove, mostrando così l’efficienza del sistema, poiché il processo può essere eseguito più volte senza la necessità di sostituire i materiali.
Si presume che sia possibile aumentare l’efficienza del prototipo, se modificata l’estensione della colonna di resina, a condizione che la portata sia mantenuta. La quantità di resina/tempo di ritenzione, sono fattori cruciali per le prestazioni del prototipo.
In una possibile replicazione del filtro, diminuire lo spazio vuoto lasciato alla fine della colonna, perché serve solo ad evitare la pressione inversa.
RIFERIMENTI
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] Accademico in Ingegneria Chimica.
[2] Accademico in Ingegneria Chimica.
[3] Accademico in Ingegneria Chimica.
[4] Accademico in Ingegneria Chimica.
[5] Accademico in Ingegneria Chimica.
[6] Accademico in Ingegneria Chimica.
[7] Advisor. Laurea magistrale in Scienze Ambientali.
Inviato: Febbraio 2021.
Approvato: Maggio 2021.
