por João Carlos Mucciacito

Na natureza, a água de um modo geral, depois de submetida aos processos de tratamento por clarificação e filtração, apresenta-se praticamente isenta de sólidos em suspensão, embora ainda não seja um composto quimicamente puro, pois apresenta sais e ácidos, além de algumas substâncias dissolvidas.
Os sais e ácidos não se dissolvem na água como moléculas, mas se dissociam nela em partículas bem menores, eletricamente carregadas, chamadas íons.
Para se ter uma idéia melhor, o Cloreto de Sódio (NaCl) em solução aquosa, não apresenta moléculas dissolvidas de NaCl (eletricamente neutras), mas moléculas dissociadas na água, como íons positivos (cátions sódio) e íons negativos (ânions cloreto).

Processo de Clarificação
O processo de clarificação consiste nas etapas de floculação, decantação e filtração. Para que essas etapas ocorram, é dosado na entrada de água bruta o floculante que pode ser o cloreto férrico, por exemplo, que através de processos químicos é o responsável pela aglomeração das partículas em suspensão. A quantidade dosada varia de acordo com a quantidade e tipos de partículas em suspensão na água a ser tratada.
Para fazer a correção do pH, de modo que a floculação e a decantação ocorram de maneira satisfatória, é feita uma dosagem de soda cáustica. O pH ideal varia de acordo com a qualidade da água que será tratada.
A dosagem de cloreto férrico é feita por bombas dosadoras automáticas com set points de vazão ajustados de acordo com a vazão de alimentação de água bruta. A dosagem de soda cáustica (para correção do pH) é efetuada por gravidade, a partir de um reservatório de estocagem, e a sua vazão é definida por válvulas pneumáticas.
Os flocos que se depositam no fundo do decantador formam o lodo do tratamento. O sobrenadante, livre de sólidos suspensos, é coletado por cima e enviado para os filtros de areia. No fundo do decantador existem válvulas que se abrem durante um determinado período de tempo, purgando constantemente o lodo que se forma no fundo.

O lodo purgado do fundo dos decantadores é enviado por gravidade para uma caixa de recuperação de água. Na entrada desta caixa é feita uma dosagem de polieletrólito para realizar o adensamento do lodo no compartimento intermediário da caixa. Dessa forma o sobrenadante mais limpo da caixa transborda para um tanque, sendo posteriormente bombeado de volta para a entrada do tratamento com resina trocadora de íons. O lodo adensado vai para o compartimento de saída da caixa e é bombeado para um filtro prensa.
A última etapa da clarificação compreende a filtração do sobrenadante dos decantadores, que consiste na passagem da água através de um leito poroso, capaz de reter materiais em suspensão e até mesmo substâncias coloidais. O leito poroso é formado por uma mistura de areia e antracito. Quando o filtro está limpo pode-se passar por ele maior volume de água e, à medida que ele vai sendo obstruído pela sujeira, a vazão diminui gradativamente.

Aplicações industriais das águas tratadas
As aplicações industriais geralmente exigem uma água com características específicas como, por exemplo, para alimentação de caldeiras. Essa água não
deve conter sais de Cálcio, Magnésio, Óxido de Silício e nem apresentar substâncias dissolvidas ou ainda combinações dessas substâncias.
O processo normalmente utilizado para a obtenção de água, com as características e condições acima é o da permutação iônica, onde íons dissolvidos na água entram em contato com determinadas substâncias sólidas, insolúveis na água, pelas quais são adsorvidos e permutados por outros íons. Essa permutação de íons, somente pode ser efetuada com íons de mesma carga elétrica, isto é, permuta de cátions/cátions e ânions/ânions. As substâncias que efetuam essas permutas de íons são resinas obtidas sinteticamente, em forma de pequenos grânulos (~0,5mm) denominadas resinas permutadoras de íons ou, mais comumente, resinas trocadoras catiônicas e aniônicas.

Processo de tratamento
O processo de tratamento que emprega as resinas trocadoras catiônicas e aniônicas é denominado desmineralização. Neste tipo de tratamento temos a substituição dos íons catiônicos (Ca, Mg, Na) por íons hidrogênio e dos íons aniônicos (Cloretos, Sulfatos, Carbonatos, Sílicatos, Bicarbonatos e Nitratos) por íons hidroxila. Deste modo, elimina-se grande parte dos sais presentes na água, tornando-a equivalente à água destilada, eliminando assim os problemas de incrustações, cristalizações e corrosões.

Definição de desmineralização
A desmineralização é um processo em que se remove os sais minerais da água mediante troca iônica.
Somente as substâncias que se ionizam na água podem ser removidas através de resinas trocadoras de íons.
A desmineralização inclui duas reações de troca iônica. Os cátions como Cálcio, Magnésio removem-se com resinas catiônicas (Ciclo Hidrogênio). Os ânions como Cloretos, Sulfatos e Nitratos, removem com resinas aniônicas.
A água a ser tratada passa opcionalmente primeiro por um Filtro de Carvão para remover o íon cloro presente na água potável com o objetivo de aumentar a vida útil das resinas, em seguida por um Trocador Catiônico, fluindo no sentido ascendente, deixando por troca iônica os minerais que lhe dão dureza, levando consigo íons H+.
A troca iônica, sendo um fenômeno superficial, para ser bem efetuada, necessita que a resina esteja com sua capacidade de troca prolongada o maior tempo possível. Portanto, a água deve ser livre de materiais em suspensão e oleaginosos, pois a sua presença produz a colmatação da resina, necessitando proceder nesse caso lavagem freqüente.

Regeneração das resinas
A regeneração da resina catiônica é feita por meio de solução de Ácido Clorídrico, que com a sua passagem, retira os íons de minerais retidos, deixando íons H+ em seu lugar, permitindo obter uma água contendo somente os ácidos dos sais dissolvidos na água.
Esta regeneração deve ser feita em contracorrente e após o abaixamento de nível.
A resina catiônica regenerada com solução ácida permite obter a redução completa da alcalinidade e realizar assim uma desmineralização parcial por simples filtração. Após passar pelo Trocador Catiônico, a água flui através do Trocador de Ânion, e em presença de resinas aniônicas a água tratada desta forma ficará isenta de quase todos os sais dissolvidos.
A regeneração da resina aniônica é feita por meio de solução de Soda Cáustica, que em passagem retira da água os íons de minerais retidos, deixando íons OH+ em seu lugar concluindo assim o processo de desmineralização com uma qualidade de água superior a da água destilada.
Os vasos trocadores de cátion e ânion possuem distribuidores internos, para otimizar a distribuição homogeneamente da água durante a operação, bem como a perfeita distribuição da água em toda a área interna do vaso durante a fase de contra lavagem das resinas. Estes vasos possuem internamente coletor e distribuidor superior de água, para permitir o perfeito desempenho da unidade nas fases de operação e regeneração das resinas trocadoras.
Reiterando, a água tendo passado pelos Trocadores de Cátion e de Ânion, é considerada uma água desmineralizada, sendo utilizada em processos industriais, principalmente nos químicos, farmacêuticos, alimentação de caldeiras de média ou alta pressão, na geração de vapor por turbinas, além de outras finalidades que necessitem de água pura, com reduzido teor de sólidos dissolvidos e sem contaminantes. A pureza é medida através da condutividade elétrica, provocada pela presença de íons inorgânicos (cátions e ânions), sendo necessário removê-los para atingir a qualidade requerida.

Resinas trocadoras de íons
As resinas trocadoras de íons utilizadas no tratamento de água são polímeros ou copolímeros orgânicos tais como fenóis, aldeídos, estirenos e derivados de vinil. A maioria são sólidos granulares. Na fabricação das resinas são adicionados via reação química de grupos ácidos ou básicos. Desta forma, pode-se obter resinas que trocam cátions e outras que trocam ânions, com propriedades físicas e químicas adequadas (resistência à abrasão, capacidade de troca, etc.).
A facilidade ou dificuldade para a troca de cátions pela reação de troca iônica é dada pela série de Hoffmeister e Schoeller a seguir:

Um exemplo clássico de resina trocadora de íons é a resina derivada do poliestireno: Nas posições meta o poliestireno, possui hidrogênio que poderão ser substituídos por grupos derivados do ácido sulfônico. Este grupo sulfônico se comporta como uma resina trocadora de hidrogênio. Trocando-se o H+ pelo Na+, teremos uma resina catiônica sódica. Esta resina possui alta capacidade de troca, resiste às mais diversas condições de pH, até 95ºC em meio alcalino e até 120ºC em meio ácido e é perfeitamente adequada para abrandamento e desmineralização, pois pode ser comercializada na forma sódica e na forma hidrogeniônica.

Resinas trocadoras de íons catiônicas
As resinas trocadoras de íons catiônicas (R-H, ou R-Na), são compostas por uma matriz orgânica polimérica (R), de caráter forte (ácido sulfônico) ou de caráter fraco (ácido carboxílico), onde –H, ou –Na, consiste do cátion inorgânico relevante na troca.
Em solução aquosa, assim podemos expressar de modo geral uma reação de troca iônica com resinas catiônicas contendo o cátion Hidrogênio:
Sendo R, a matriz orgânica polimérica, e n(H), o número de hidrogênio (cátions) ionizáveis contidos na resina trocadora. Estes íons hidrogênio são capazes de ter reação de troca com outros cátions contidos na água. A resina catiônica do grupo do Hidrogênio (R-H2), é mais utilizada no circuito de desmineralização ou desionização de águas.
Quando numa resina catiônica, o cátion contido nela é o sódio(Na), denominada resina catiônica do grupo sódio (R-Na), sendo muito utilizada na remoção de dureza e desalcalininzação de águas. Assim, se expressa a troca catiônica utilizando uma resina do grupo do sódio:

Para uma resina catiônica do grupo do hidrogênio, assim será a reação de troca:

As resinas de troca catiônicas R-Na, remove a dureza das águas, mas conserva sua alcalinidade e as resinas R-H removem a dureza e cria uma certa acidez livre no seu efluente. Na eliminação da dureza de águas com tratamento por resinas catiônicas e aniônicas, primeiro deixa-se a água passar pelo leito das catiônicas, pois estas são mais resistentes química e mecanicamente. Por último, a água passa pelo leito das aniônicas que são mais fracas tanto química quanto mecanicamente.

Resinas trocadoras de íons aniônicas
São resinas sintéticas do tipo fenol-formaldeido e do grupo poliestireno do qual foram tornadas aniônicas pela introdução na molécula polimérica de grupos amina básicos (aniônicos). Resinas fortemente básicas reagem com ácidos de acordo com a reação:

Para efeito de simplicidade representa-se a resina com a fórmula R-OH.

Estas resinas na presença de ácidos minerais fortes teriam o comportamento acima.