A troca iônica é utilizada com resinas em sistemas de tratamento de água. Uma das aplicações mais usuais das resinas de troca iônica é na desmineralização da água para processos laboratoriais ou industriais. As resinas são um tipo de elemento filtrante com propriedades físico-químicas únicas, divididas em aniônicas e catiônicas, com subdivisões conforme sua aplicação. Constituem-se de esferas porosas feitas de polímeros sintéticos possuidores de grupos funcionais que atraem íons específicos. 
Usadas para trocar íons em água, permitem remover ou substituir certas impurezas. As resinas aniônicas removem íons negativos (ânions), caso do sulfato, nitrato e cloreto. Enquanto as resinas catiônicas removem íons positivos (cátions), como cálcio e magnésio, que causam a dureza da água. Por exemplo, a troca iônica na indústria química remove íons metálicos de águas residuais.
A troca iônica é tecnologia robusta para remover impurezas da água e outras soluções. “Muitas indústrias dependem da troca iônica para produzir água extremamente pura. No tratamento de água e efluentes, cada tipo de resina de troca iônica tem uma aplicação” – menciona Sérgio Hilsdorf, gerente de processos águas e efluentes da Veolia Brasil.

Automatizada
As resinas de troca iônica são essenciais em diversos processos industriais e laboratoriais, uma técnica mais eficaz de livrar a água de contaminantes. “Hoje, os processos podem ser totalmente automatizados e utilizados para diversas finalidades, como tratamento do açúcar na produção de refrigerantes, descolorir soluções orgânicas, galvanoplastia, entre outros, nos diferentes setores” – cita Hilsdorf.
De acordo Angelo Krieger, diretor técnico da Permution, não existe ainda tecnologia que substitua a troca iônica. “Este fato motivou as empresas a torná-la o mais automática possível, porque durante o uso das resinas é preciso parar o processo para fazer a regeneração” – relata. 
A regeneração é dividida em etapas que tomam tempo. “Graças às tecnologias hoje podemos usufruir de sistemas automatizados em diversos níveis. Temos disponíveis sistemas com cabeçotes digitais que fazem o controle operacional tanto na etapa de produção como na etapa de regeneração, o que tem facilitado a rotina operacional dos usuários de troca iônica” – conta. 
Interação de tecnologias digitais com resinas de troca iônica:

• Sensores inteligentes monitoram online parâmetros da qualidade da água, como pH, condutividade e concentrações iônicas. Esses dados em tempo real ajudam a otimizar o processo de troca iônica; 
• Sensores habilitados para Internet das Coisas (IoT) monitoram a saúde da resina e preveem sua exaustão, realizando manutenção preditiva. Agendam atividades de regeneração de forma eficaz, reduzindo as chances de inatividade do sistema e minimizando o consumo de produtos químicos;
• Sistemas de controle digital, como PLC/Scada, automatizam tarefas, como controle de fluxo, retrolavagem e regeneração, levando a maior eficiência e menor intervenção manual; 
• Análises de dados avançadas e Inteligência Artificial (IA) com aprendizado de máquina preveem tempos de ruptura, avaliam a expectativa de vida da resina e otimizam a seleção de resina para aplicações específicas.
Fonte: BBI Filtração.

Mídia filtrante
A resina de troca iônica é uma mídia filtrante. “Por afinidade química, a resina remove íons da água, substituindo por outros, dependendo da aplicação. A aplicação mais completa das resinas é para desmineralização, substituindo todos os íons positivos por H+ e os íons negativos por OH-, criando água pura (H₂O)” – destaca Conrado Botelho de Vilhena Ferreira, sócio do Grupo Hídrica.
Conrado cita mais exemplos:
• Dependendo da sua seletividade química, a resina pode ser usada para remover íons de cálcio, magnésio, ferro e manganês, substituindo por íon de sódio, por exemplo; 
• A resina reduz ainda teores de nitrato ou fluoreto, substituindo por cloretos. 
Em contato com a água, as resinas realizam a desmineralização e o abrandamento da água. “São liberados das resinas catiônicas íons de sódio ou hidrogênio (positivos) ou das resinas aniônicas hidroxila (negativos) e captados da água, respectivamente, cátions e ânions, responsáveis pelo teor de sólidos dissolvidos, indesejáveis em processos industriais. Tanto para geração de vapor quanto para uso da água na produção de produtos finais, como fármacos, cosméticos e alimentos, é fundamental a remoção dos sais minerais presentes na água” – ressalta Hilsdorf.
Krieger, da Permution, também cita exemplos de utilização das resinas:
• Para abrandar a água, utiliza-se a Resina Catiônica Fortemente Ácida em Ciclo Sódio: troca íons cálcio, magnésio, potássio, ferro, manganês e alumínio pelo sódio; 
• A água de alguns poços possui alta concentração de carbonatos e bicarbonatos, neste caso, o uso de alcalinizador com a Resina Aniônica Fortemente Básica em Ciclo Cloreto: troca os íons de carbonato, bicarbonato, sulfato e nitrato pelo cloreto; 
• Na desmineralização da água para processos laboratoriais ou industriais, as resinas catiônicas e aniônicas podem trabalham juntas em um leito misto ou separadas se for um desmineralizador de leito separado. 

Modelos
Conrado, do Grupo Hídrica, cita alguns dos inúmeros modelos de resinas seletivas: Catiônica standard; Catiônica Shallow Shell; Catiônica uniforme; Aniônica standard; Aniônica seletiva de nitrato; Aniônica seletiva de fluoreto; Aniônica uniforme; Resinas mistas, entre outras.
Diversos sistemas realizam essa função, a resina de troca iônica é um dos mais comuns. Exemplos de resinas de troca iônica:
• Resinas de catiônicas de ácido forte (SAC);
• Resinas aniônicas de base forte (SBA);
• Resinas de cátion de ácido fraco (WAC);
• Resinas de ânion de base fraca (WBA).
Fonte: Veolia Brasil.
Os materiais são distintos para ambos os casos, resinas tipo gel ou acrílicas. Segundo Krieger, da Permution, as resinas mais utilizadas são as do tipo gel: Resinas aniônicas fortemente básicas e resinas catiônicas fortemente ácidas. 
Há ainda divisão conforme o tamanho das partículas: 
• Resinas de troca iônica de partículas uniformes; 
• E as heterodispersas (não uniformes). 
Existem vários tipos:
Resinas de troca aniônica trocam íons com carga negativa (ânions), incluindo cloreto, sulfato e bicarbonato, e removem contaminantes, como nitrato e arsênico.
Resinas aniônicas de base forte: contêm grupos funcionais de amônio quaternário e removem com eficácia ânions de ácidos fortes, como sulfato, nitrato e cloreto. Usadas em desmineralização e remoção de nitrato e arsênico. 
Resinas aniônicas de base fraca: possuem grupos amina e removem ácidos fracos, como dióxido de carbono e ácidos orgânicos. São úteis para descarbonatação e eficientes em faixa de pH mais ampla. Quando usadas na forma de sal ácido, recuperam recursos, caso da extração de ouro.

As resinas de troca catiônica trocam íons com carga positiva (cátions), como cálcio, magnésio e ferro. Removem cátions e outros metais dispersos em solução química ou aquosa. São frequentemente utilizadas em abrandamento de água e desmineralização, por exemplo. 
Resinas catiônicas de ácido forte: possuem grupos ácidos sulfônicos e são usadas em aplicações que requerem troca iônica completa, como abrandamento de água. São eficazes em ampla faixa de pH e removem íons de dureza, caso do cálcio e magnésio.
Resinas catiônicas de ácido fraco: possuem grupos ácidos carboxílicos e removem cátions de alcalinidade, como dureza temporária. São mais seletivas para íons, como cálcio e magnésio na forma de bicarbonatos, reduzindo a carga sobre leitos de resinas de ácido forte. Recuperam de modo seletivo metais de transição de soluções aquosas.
Resinas de leito misto combinam resinas aniônicas e catiônicas para produzir água ultrapura no polimento após a desmineralização.
Resinas quelantes possuem grupos funcionais que se ligam seletivamente a íons metálicos para remover metais pesados da água, como cobre, chumbo e ferro. Ideais no tratamento de águas residuais industriais para remoção seletiva de íons metálicos.
Resinas absorventes que absorvem moléculas de compostos orgânicos, removendo compostos indesejados, assim como sabor e odor. Normalmente, são aplicadas em processos farmacêuticos. 
Resinas catalíticas usadas em processos químicos de meio orgânico para acelerar a reação química de compostos.
Fontes: BBI Filtração e Veolia Brasil.

Comuns e variadas
As aplicações são bem variadas. As duas aplicações mais comuns das resinas de troca iônica são abrandamento e desmineralização em leito misto ou separado. 
Calcário: a água dura tem alta concentração de Cálcio (Ca) e Magnésio (Mg). No abrandamento, os íons de cálcio e magnésio, que fazem parte do teor de dureza da água, são removidos. Os resíduos da água dura se solidificam em canos, torneiras e conexões. Em máquinas térmicas, a dureza forma calcário, que danifica rápido os equipamentos. A retirada da dureza evita entupimentos, queimas de resistência, perda de eficiência na troca de calor etc.
Sais dissolvidos: a desmineralização reduz a quantia de sais dissolvidos da água em seu estado natural, trazendo graus de pureza mais altos, livre de compostos ionizados.
A resina será específica para remover algum íon e substituí-lo por outro. “Caso seja necessária resina de troca iônica, o primeiro ponto para avaliação é uma análise dos parâmetros a serem tratados da água ou do efluente” – pontua Conrado, do Grupo Hídrica.

Abrandamento - As resinas catiônicas removem íons de cálcio e magnésio, prevenindo incrustações em tubulações e aparelhos.    
Desmineralização - Resinas de troca catiônica e aniônica em conjunto removem minerais dissolvidos, reduzindo os Sólidos Totais Dissolvidos na água.
Remoção de nitrato e arsênico - Resinas aniônicas diminuem concentrações de nitrato e arsênico na água potável.    
Remoção de metais pesados -Resinas quelantes e resinas catiônicas de ácido forte removem metais pesados, como chumbo, níquel, cobre e cromo, de águas residuais industriais.
Remoção de amônia e nitratos - A troca iônica reduz a carga de nutrientes, como amônia e nitratos, em efluentes de reúso industrial.    
Polimento de água desmineralizada - Resinas de leito misturado no polimento final da água desmineralizada produzem água ultrapura para indústrias de geração de energia e fabricação de semicondutores, por exemplo.
Tratamentos - Resinas catiônicas fortemente ácidas eliminam dureza temporária e permanente dos elementos químicos presentes. Aplicadas no tratamento de efluentes; polimento de condensado; tratamento de açúcar e galvanoplastia etc.    
Flúor e sílica - Resinas aniônicas fortemente básicas removem qualquer ânion da solução. Realiza descoloração, remove flúor, sílica etc.
Fontes: BBI Filtração e Veolia Brasil.

Resinas na água
As colunas nas quais devem ser dispostas as resinas de troca iônica lembram um filtro. “Porém, essas colunas possuem detalhes técnicos específicos que os filtros granulados tradicionais não possuem, como, por exemplo, ser resistente a soluções de cloreto de sódio, ácido clorídrico e soda cáustica” – explica Angelo Krieger, da Permution. 
Na maioria dos sistemas de troca iônica, a água entra pelo topo da coluna e sai tratada pelo fundo, similar aos filtros. “De tempos em tempos, as resinas precisão ser regeneradas para que sua função de troca iônica seja restabelecida” – pontua. 
As resinas são alojadas em colunas ou tanques pelos quais a água flui para realizar a troca iônica. “As resinas em colunas de leito fixo são empacotadas em uma coluna cilíndrica, onde a água flui para baixo ou para cima através do leito de resina” – salienta Thiago Antoniolli, gerente comercial da BBI Filtração, distribuidora de resinas de troca iônica da Felite no Brasil. 
Enquanto resinas usadas para aplicações específicas. “Leitos fluidizados são utilizados para melhorar a eficiência do contato, permitindo que as resinas se movam dentro do fluxo de água” – menciona. 
Após cálculo de BED Volume/Hour, vazão por litro de resina, é desenvolvido o projeto com as corretas dimensões de tanques, válvulas, crepinas e outros itens para montagem. “As resinas são inseridas no tanque e devem ter tempo mínimo de contato com a água que passa nas esferas para garantir a efetiva troca iônica” – orienta Conrado Ferreira, do Grupo Hídrica.

Hilsdorf, da Veolia Brasil, se baseia na desmineralização para explicar a aplicação de resinas de troca iônica para tratamento de água. “O sistema de desmineralização por troca iônica opera em regime de batelada, porque sua parada para regeneração das resinas é necessária” – diz. 
No equipamento para desmineralização, a água passa por leito de resina catiônica, onde são removidos os cátions. Posteriormente, no leito de resina aniônica, segue para remoção dos ânions. “Após passagem do volume de água, as resinas saturam e sua capacidade de remoção dos íons é finalizada. Nesse momento, as resinas deverão ser reativadas/regeneradas quimicamente por meio de soluções ácidas e básicas em cada leito de resina” – ressalta Hilsdorf.
Para garantir boa performance na remoção dos sais, é preciso que o equipamento permita bom controle operacional para reativação adequada das resinas. “Devem ser observados ainda alguns contaminantes ou agentes prejudiciais às resinas, como oxidantes, matéria orgânica, óleos e graxas e metais pesados” – recomenda.

Tratamento
A BBI Filtração explica como o tratamento com resinas de troca iônica é realizado na água:
• Durante a Fase de Carregamento ou Ativação, a água passa por um leito de resina, e os íons são trocados. Por exemplo, no abrandamento da água, íons de cálcio e magnésio são substituídos por íons de sódio;
• Com o tempo, as resinas ficam saturadas com íons indesejados e precisam ser regeneradas. Na Fase de Regeneração, uma solução regenerante concentrada, como cloreto de sódio, é passada na resina para restaurar sua capacidade de troca iônica;
• A Retrolavagem remove o material particulado acumulado e expande o leito de resina, criando canais de fluxo mais uniformes.

Recarga
O que determina se a troca iônica está sendo feita de modo correto são os medidores de dureza, condutividade ou outros parâmetros. Assim como uma bateria, a resina precisa de “recarga” de íons sempre que saturar. “A recarga é realizada por injeção química no tanque. As tecnologias digitais, como o condutivímetro, por exemplo, indicam se a resina continua em pleno funcionamento ou se é preciso a recarga. A resina tem vida útil, e a recarga se torna necessária cada vez com maior frequência ao passar dos anos. Em determinado momento, estimado de três a cinco anos, é sugerida a troca das resinas” – aponta Conrado Ferreira, do Grupo Hídrica.

Ocorrências
Os problemas mais comuns nas resinas de troca iônica são as contaminações. “Algum elemento não desejado está presente no leito das resinas de troca iônica e impede seu perfeito funcionamento ou até mesmo ter seu colapso total, podendo ser de origem orgânica ou inorgânica” – conta Krieger, da Permution.

Independentemente de sua origem, as contaminações são indesejáveis nos leitos de resinas de troca iônica. “As contaminações atrapalham a rotina operacional dos usuários, obrigados a fazerem grandes paradas em seus processos. Por isso, deve-se monitorar sempre a qualidade da água bruta que vai entrar no leito de resina para prevenir paradas ou até mesmo sua substituição” – alerta.

A resina é um polímero que possui estruturas internas como se fossem pontes. O principal problema que pode ocorrer nas resinas, na opinião de Conrado, do Grupo Hídrica, é a quebra destas pontes, desfazendo o polímero e sua capacidade de troca iônica. “A quebra das pontes costuma ocorrer quando a resina recebe sobrecarga de cloro ou carga elevada de sujeira (turbidez)” – explica. 
Outro caso comum é o excesso de sílica, que satura precocemente a resina aniônica na desmineralização. “Caso haja alta presença de sílica na água, a resina aniônica satura antes da catiônica, desregulando o pH e condutividade da água produzida” – diz Conrado. 
Em todos os processos de desionização, existe o risco de impurezas fracamente ionizadas evoluírem das resinas para a aplicação à medida que se aproximam da exaustão. “Após um período de utilização, a capacidade de troca iônica de um sistema de purificação começa a ser esgotada e estes compostos são libertados primeiro. É por isso que são necessárias etapas de regeneração ou reativação do leito de resinas” – aponta Hilsdorf, da Veolia Brasil.
Segundo ele, as resinas podem ainda ser “envenenadas” por ferro, caso das catiônicas, e por matéria orgânica, caso das aniônicas. “Situação que requer lavagem ácida para ferro ou salmouragem das resinas para matéria orgânica” – comenta.

Contaminação
Contaminação orgânica: o acúmulo de materiais orgânicos, como ácidos húmicos e taninos, na superfície da resina bloqueia os sites ativos de troca.
Contaminação por ferro e manganês: ferro ou manganês podem precipitar e revestir as esferas de resina, reduzindo sua eficácia.
Óleos e graxas: substâncias oleosas na água de alimentação podem aderir às esferas de resina, obstruindo o processo de troca iônica.

Degradação física
Fraturamento mecânico: as esferas de resina podem se quebrar devido ao estresse físico ou às variações de pressão alta, reduzindo 
seu desempenho.    
Choque osmótico: mudanças repentinas na salinidade da água podem criar estresse osmótico, fazendo com que as esferas de resina inchem e se fraturem.

Degradação química
Oxidação: agentes oxidantes, como o cloro, podem danificar a funcionalidade da resina, afetando especialmente as resinas aniônicas.  
Regeneração excessiva: a regeneração incorreta, como a dosagem excessiva ou insuficiente de produtos químicos, pode degradar a estrutura da resina e encurtar sua vida útil.
Compactação da resina - Com o tempo, as resinas podem se compactar, levando a canalizações ou redução do contato entre a água e a resina, o que diminui a eficácia da troca iônica.
Crescimento biológico - Desinfecção inadequada pode formar biofilmes nas esferas de resina e obstruir as taxas de fluxo e a capacidade de troca, causando bloqueios no sistema.
Fonte: BBI Filtração. 

Contato das empresas
BBI Filtração: www.bbifiltracao.com.br
Grupo Hídrica: www.grupohidrica.com.br
Permution: www.permution.com.br
Veolia Brasil: www.latinoamerica.veolia.com