Desmineralização e abrandamento de água, síntese e catálise química, purificação de salmoura, remoção e recuperação seletiva de metais. Essas são apenas algumas das inúmeras aplicações das resinas de troca iônicas, uma tecnologia eficaz e conhecida no tratamento de água e efluentes.
Basicamente, as resinas de troca iônica são produtos sintéticos, que promovem a purificação da água a nível químico, com troca 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. "Resinas de troca iônica são copolímeros sintéticos produzidos a partir de estireno e divinilbenzeno e que possuem grupos funcionais ativos capazes de adsorver cátions e ânions de uma solução e os substituírem por quantidades equivalentes de outros íons de mesma carga de acordo com uma escala de seletividade ou preferência iônica", explica Osmar Cunha, líder da unidade de negócios de Tratamento de Água e Soluções de Processos da Dow América Latina. "A principal função das resinas de troca iônica é remover cátions e ânions de uma determinada solução aquosa. Em outros processos, como por exemplo, no processo de abrandamento da água, pode ser liberado sódio pela resina catiônica", complementa o engenheiro e consultor técnico da Kurita, Pedro H. B. Moreira.
Segundo João Carlos Mucciacito, professor universitário e químico na CETESB, a facilidade ou dificuldade para a troca de cátions pela reação de troca iônica é dada pela série de Hoffmeister e Schoeller a seguir:

H⁺ > Rb⁺ > Ba⁺⁺ > Sr⁺⁺ > Ca⁺⁺ > Mg⁺⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺

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.
No tratamento de água industrial, as resinas de troca iônica são utilizadas principalmente para a remoção de sais dissolvidos. "As resinas de troca iônica tem como principal função a purificação de água pela remoção dos sais dissolvidos, como por exemplo para remoção de dureza (cálcio e magnésio) em abrandamento de água para caldeiras de baixa pressão, e remoção total dos sais dissolvidos em processo de desmineralização de água para caldeiras de média e alta pressão na qual a qualidade de água exigida para alimentação dessas caldeiras necessita de uma condutividade na faixa de 0,1 a 0,3 µS/cm e Silica na faixa de 10 a 20 ppb (partes por bilhão)", indica o líder da unidade de negócios da Dow América Latina.
Para o tratamento de água potável, as resinas de troca iônica devem seguir algumas especificações regulatórias. "A Dow Water & Process Solution oferece uma linha completa de resinas dedicadas aos processos de remoção de contaminantes em água de uso potável. Dentre estes contaminantes podemos citar: arsênio, boro, cromatos, flúor, metais pesados, nitratos, percloratos, urânio. Essas resinas atendem as especificações dos órgãos reguladores, dentre eles destacamos o National Sanitization Foundation (NSF) dos Estados Unidos, que regulamenta o uso de produtos para potabilização de água", comenta Osmar Cunha.

Tipos de resinas
As resinas de troca iônica podem ser catiônicas, aniônicas, mistas, adsortivas, seletivas ou catalíticas. Segundo o diretor regional da Purolite Company América Latina, Fabio Sousa, o que difere cada tipo de resina é o sítio ativo dos produtos. "Se o grupo funcional é negativo então a resina captura íons positivos (catiônica), se capturar íons negativos ela é chamada aniônica, as resinas mistas são misturas de aniônicas e catiônicas, as adsorventes normalmente tem porosidade especial para adsorver contaminantes, mas não por troca iônica e as catalíticas podem ser catiônicas ou aniônicas dependendo do processo", afirma o dirigente da Purolite Company.
O consultor técnico da Kurita explica que as características das resinas de troca iônica são determinantes no tratamento. "De acordo com as características das resinas utilizadas, altera-se a eficiência do processo de troca iônica quanto à capacidade operacional, eficiência da regeneração, remoção de compostos, natureza dos compostos removidos, temperatura máxima de operação e resistência a compostos orgânicos", afirma Pedro Moreira.

Resinas catiônicas
As resinas catiônicas são aquelas que possuem grupos funcionais carboxílico para as catiônicas fraca ou grupos sulfônicos para as catiônicas fortes. "As resinas catiônicas são capazes de remover os cátions Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, K⁺, Na⁺, assim como outros metais etc, presentes em água ou em uma determinada solução", comenta Osmar Cunha.
Segundo o engenheiro da Kurita, as resinas catiônicas se subdividem em fortemente ácidas (presença de ácido sulfônico) e fracamente ácidas (presença de ácido carboxílico). "As resinas catiônicas fortemente ácidas possuem a capacidade de remoção tanto da dureza temporária (Ca₂⁺ e Mg₂⁺ ligados aos íons bicarbonato e carbonato) quanto da dureza permanente (Ca₂⁺ e Mg₂⁺ ligados a ânions fortes, como o sulfato e cloreto), já as resinas catiônicas fracamente ácidas só conseguem remover a dureza temporária. Quanto à aplicação, as resinas catiônicas fortemente ácidas são empregadas em sistemas de abrandamento e desmineralização, polimento de condensado, tratamento de efluentes, tratamento de açúcar e galvanoplastia, enquanto que as resinas fracamente ácidas são utilizadas em tratamento de condensado amoniacal e em algumas aplicações especiais, como para a fixação de antibióticos. O regenerante das resinas catiônicas pode ser sal – cloreto de sódio (nos processos de abrandamento) e ácidos – muriático ou sulfúrico (nos processos de desmineralização)", relata Pedro Moreira.
Para Mucciacito 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 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), ela é 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:

Ex: R-Na₂ + CaSO₄ <-> R-Ca + Na₂SO₄

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

2R-H + Ca(HCO₃)₂ <-> R₂Ca + 2H₂O + 2CO₂

As resinas de troca catiônicas R-Na, remove a dureza das águas mas conserva sua alcalinidade e as resinas R-H remove 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 aniônicas
As resinas aniônicas podem apresentar o grupo funcional quaternário de amônio, formando resinas fortemente básicas, ou o grupo funcional de aminas terciárias, gerando resinas fracamente básicas. "As resinas aniônicas fracamente básicas removem apenas ânions fortes, como sulfato, cloretos e nitratos, enquanto as resinas aniônicas fortemente básicas removem todos os ânions presentes na solução. Ambas as resinas aniônicas possuem aplicação na produção de água desmineralizada e descoloração de soluções orgânicas, sendo que as resinas aniônicas fortemente básicas também são utilizadas para remoção seletiva de flúor e polimento de condensado. O regenerante das resinas aniônicas geralmente é a soda cáustica", afirma o consultor técnico da Kurita.
Mucciacito afirma que as 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:

RNH₂+ HCl <-> RNH₃Cl; a adição de um álcali regenera a resina:

RNH₃ + NaOH <-> RNH₂ + NaCl + H₂O

Para efeito de simplicidade representa-se a resina com a fórmula R-OH.
Estas resinas na presença de ácidos minerais fortes teriam o seguinte comportamento:

R₁NH₃-OH + HCl <-> R₁NH₃Cl + H₂O

Resinas mistas
As resinas mistas são originadas da mistura de catiônica e aniônica ambas regeneradas e que são utilizadas em processo de polimento final de água desmineralizada. "Essas resinas visam atingir um padrão superior de qualidade da água para utilização em caldeiras de alta pressão, e/ou processos onde se requer alta qualidade, tais como indústrias eletrônicas, farmacêuticas, e ainda alguns casos específicos são usadas onde não se deseja fazer regeneração das mesmas no local de uso, neste caso elas são substituídas totalmente após a sua saturação", explica o líder da unidade de negócios de Tratamento de Água e Soluções de Processos da Dow América Latina. "As resinas mistas são compostas tanto por resinas catiônicas quanto por resinas aniônicas, sendo que a proporção entre cada resina pode variar de acordo com a finalidade desejada para a água tratada. Tais resinas são utilizadas para a produção de água desmineralizada com elevada pureza (isenta de sílica) e água parcialmente desmineralizada (não há a remoção de CO₂ e sílica)", completa Pedro.

Resinas adsortivas
As resinas adsortivas em geral não possuem grupos ativos funcionais e adsorvem em sua superfície poliméricas, moléculas de compostos orgânicos indesejáveis presentes em uma solução ou produto a ser purificado. "A remoção de compostos ocorre pela adsorção dos mesmos à superfície da resina. Em geral, estas resinas são utilizadas para a remoção do odor e do sabor em soluções aquosas", indica o engenheiro da Kurita.

Resinas catalíticas
As resinas catalíticas são resinas macroporosas e possuem a capacidade de agir como catalisadores para determinados processos químicos. Tais resinas são aplicadas para a purificação de fenol, esterificação, alquilação e purificação de biodiesel. "Estas resinas diferem das resinas convencionais, pelas suas características de porosidade e área de superfície para operação em processos químicos de meio orgânicos com a finalidade de facilitar ou acelerar uma reação química destes compostos, e por isso são denominadas como resinas catalisadoras", afirma Osmar Cunha.

Mercado
O mercado de resinas de troca iônica já é um mercado maduro, porém em constante avanço e expansão. Diante deste cenário, a indústria investe em tecnologias que possam atender as demandas dos clientes, cada vez mais exigentes. "O mercado de troca iônica está buscando redução de custos operacionais e processos com menor produção de efluentes. Neste caminho, a Purolite continua oferecendo resinas especiais - algumas únicas no mercado - que possibilitam tais reduções. Podemos citar a linha de resinas de ativação somente da cora (Purolite SST) que consomem menos químicos em sua regeneração sem prejuízo da quantidade de solução tratada, resinas de maior capacidade operacional (como a Purolite PFA600/4740, Purolite PFA300, Purolite A555), resinas de proteção de osmose (como a Purolite MPR1000) que possibilitam uma maior produção de permeado, dentre outras", declara Fabio Sousa.
Para Osmar Cunha, o mercado de resinas de troca iônica tem crescido acompanhando o desenvolvimento do país e do setor industrial. "Os mercados de resinas de troca para tratamento de água industrial é um mercado maduro e tem apresentado crescimento com o desenvolvimento do país e dos segmentos industriais, dentre eles podemos destacar os segmentos de papel e celulose, refino de petróleo e petroquímicas, siderurgias, termoelétricas. Em novos mercados de maior especialidade tais como segmento alimentício, produção de açúcar refinado, ácidos orgânicos, e outras especialidades a aplicação das resinas de troca iônica tem apresentado crescimento", afirma.
Segundo Pedro, a Kurita acredita que devido à grande diversidade de aplicações ligadas às resinas de troca iônica, o fornecimento de resinas com desempenho otimizado para operações industriais específicas tende a ganhar espaço no mercado. "Atualmente a Kurita trabalha em parceria com a empresa Purolite para o fornecimento não apenas de resinas tradicionais de troca iônica, mas também de resinas com aplicações especiais. Como exemplos de resinas especiais, podemos citar: resinas TANEX e PUROLITE MPR1000, que são utilizadas para o pré-tratamento da água de alimentação de sistemas de osmose reversa, removendo uma grande variedade de compostos orgânicos, hidratos metálicos, óxidos metálicos e partículas coloidais, preservando assim os sistemas de osmose reversa da ocorrência de deposições em suas membranas; PUROLITE SGC650H para o polimento de água para vazões grandes; PUROLITE A500 para a redução da acidez na produção de álcool; e PUROLITE PD206 para a purificação de biodiesel", conta o engenheiro.