Capacidad de intercambio

Introducción

El intercambio iónico es un proceso cíclico: las resinas eliminan los iones que se encuentran en el agua o en la solución a tratar y se agotan así de manera progresiva, hasta que no haya sitios libres para cargar los iones de la solución. Se detiene entonces la fase de producción y hay que regenerar las resinas para empezar un ciclo nuevo.

La capacidad de intercambio corresponde a la cantidad de iones inmovilizados por la resina.

Definiciones

Capacidad total

La capacidad total de una muestra de resina es el nombre de sitios (grupos activos) donde puede suceder el intercambio de iones. Véase pormenores abajo. Valores típicos de capacidad total se encuentran aquí.

Capacidad útil

Se puede llamar también capacidad operativa. Es el número de sitios donde se produce el intercambio iónico durante la fase de agotamiento o de saturación. También representa el número de cargas eléctricas de los iones eliminados; no el número mismo de estos iones, puesto que ciertos iones tienen más de una carga. La capacidad útil depende de varios parámetros.

La capacidad de una resina se mide en unidades de eq/L (equivalentes por litro de resina). Es recomendable evitar los moles en el intercambio iónico, porque esta unidad no toma en cuenta la valencia y produce errores. Recordemos que 1 eq = 1 mol/valencia.

La capacidad útil es siempre menor que la capacidad total; vamos a ver porqué.

Zona de intercambio

Caso ideal

Principio del ciclo	Mitad del ciclo	Final del ciclo

En un caso ideal, la resina está completamente regenerada al principio del ciclo. Durante el período de agotamiento, la frente de intercambio es totalmente llana, es decir que cada capa infinitesimal de resina se convierte inmediatamente a la forma agotada a medida que los iones se eliminan del agua bruta o de la solución de tratar. La resina sigue cargando iones desde arriba y esta frente llana se mueve poco a poco hacia el fondo de la columna, hasta que llegue al fondo. En este caso el lecho de resina está totalmente agotado y la capacidad útil es igual a la capacidad total de la resina. Este caso no existe en la realidad, porque la frente de intercambio no es llana y la resina no está siempre completamente regenerada al principio del ciclo.

En el mundo real hay dos casos:

Caso N°1: la resina está totalmente regenerada al principio del ciclo (WAC & WBA)

Principio del ciclo

Mitad del ciclo

Final del ciclo

Al principio del ciclo de intercambio, la resina se encuentra en forma totalmente regenerada. Durante el período de agotamiento, las capas superiores del lecho se agotan progresivamente. No obstante, la reacción de intercambio no es instantánea, porque los iones deben caminar hasta los sitios disponibles dentro de cada perla de resina. Por eso, algunos iones pasan hasta una capa de resina más baja antes que las capas superiores estén completamente saturadas. La zona incluida entre la resina totalmente saturada y la resina completamente agotada se llama zona de intercambio, o zona de reacción, como se ve en las imágenes de arriba.

Después de cierto tiempo, cuando las capas superiores están totalmente agotadas y las capas inferiores empezan a agotarse, los iones no eliminados "huyen" en el agua tratada. La fase de agotamiento se detiene cuando la concentración de esta "fuga iónica" alcanza un valor pre determinado que se llama punto final del ciclo. En este punto el lecho de resina no está totalmente agotado.

Como se ha definido antes, la capacidad útil corresponde a la diferencia de carga iónica de la resina entre el principio y el punto final del ciclo. El comportamiento del caso N°1 es típico de las resinas intercambiadores débilmente ácidas (WAC) y débilmente básicas (WBA) que se pueden regenerar completamente con una cantidad de regenerante mínima, apenas más alta que el valor estequiométrico. Este valor estequiométrico es la cantidad de regenerante, expresada en equivalentes, exactamente igual a la carga iónica cargada durante el ciclo de intercambio. En práctica se regeneran estas resinas débiles con un pequeño exceso de regenerante por encima del valor estequiométrico. Véase la página "regeneración".

La capacidad útil típica de una resina intercambiadora de aniones débilmente básica (WBA) es de 70 a 90 % de su capacidad total. La capacidad útil de una resina intercambiadora de cationes débilmente ácida (WAC) depende de varios parámetros, por tanto no se puede estimar fácilmente. No obstante, como las resinas débilmente ácidas tienen una capacidad total alta y se regeneran casi sin exceso de ácido, su uso es recomendado con aguas que tienen altas concentraciones de alcalinidad y de dureza (véase también la página en inglés sobre el análisis de agua).

Caso N°2: la resina está parcialmente agotada al principio del ciclo (SAC & SBA)

Principio del ciclo

Mitad del ciclo

Final del ciclo

Este segundo caso lo encontramos con resinas fuertemente ácidas (SAC) y fuertemente básicas (SBA), que se regeneran más difícilmente y necesitan un exceso a veces grande de ácido o de sosa. Aún con exceso, no es económico regenerar totalmente estas resinas, puesto que esto necesitaría una cantidad muy grande de regenerante, de manera que en la mayoría de los casos la regeneración es incompleta. Las imágenes de arriba corresponden a un lecho de resina con agotamiento de arriba abajo y regeneración de abajo arriba.

La capacidad útil típica de las resinas fuertes (SAC y SBA) es de 40 a 70 % de su capacidad total.

Caso N°2b: resinas regeneradas en co-corriente

Principio del ciclo

Mitad del ciclo

Final del ciclo

El regenerante pasa a través del lecho de resina en la misma dirección que el agua a tratar: de arriba abajo. Resulta que las capas superiores del lecho están bién regeneradas al principio del ciclo, pero no las capas inferiores. Durante la fase de producción, una pequeña parte de los iones se desplazan hacia abajo y pasan al agua tratada, lo que produce una fuga iónica, ilustrada en la página en inglés "regeneration".

Por ejemplo si la resina ha sido regenerada con ácido, algunos de los iones H⁺ desplazados por los cationes entrantes caminan hacia el fondo y desplazan a su vez los cationes no eliminados de las capas inferiores durante la regeneraciób previa. Los cationes más fáciles de desplazar son los iones Na⁺, de manera que la fuga de sodio es mucho más grande que la producida por una regeneración de flujo inverso (contra-corriente).

Cinética del intercambio

Las resinas débilmente ácidas y básicas (WAC y WBA) reaccionan de manera variable según el caudal: cuando el caudal aumenta se alarga la zona de reacción.

Caudal bajo: la zona de intercambio es corta

Caudal alto: la zona de intercambio es larga

Cuando se reduce la zona de intercambio, la capacidad útil es más alta, porque una fracción mayor de la capacidad total puede ser utilizada antes que aparezca la fuga.

Las resinas fuertes (SAC y SBA) son menos sensibles al caudal.

En general, resinas finas tienen una mejor cinética que las gruesas; eso vale principalmente para resinas débiles (WAC y WBA).

Parámetros que afectan la capacidad útil

La capacidad útil depende de varios parámetros, siendo los más importantes:

• Concentración y tipos de iones a eliminar
• Caudal de producción
• Temperatura
• Tipo, concentración, cantidad y caudal de la solución regenerante
• Tipo de regeneración (co-corriente o contra-corriente)
• Altura de lecho (solo con regeneración en contra-corriente)
• Tamaño de las bolas de resina

Los productores de resinas de intercambio iónico publican datos con los que el usuario puede calcular la capacidad útil de sus resinas en las más comunes condiciones de operación. Muchos también ofrecen programas informáticos para diseñar plantas de intercambio. Yo mismo he desarrollado el programa de Rohm and Haas (ahora DuPont) conocido bajo el nombre de IXCalc.

Medida de la capacidad total

La capacidad total de una muestra de resina se mide por titración, y el resultado se expresa en eq/L. El método comprende una medida del volumen de la muestra y el procedimiento analítico es estricto. Puesto que el volumen varia según la forma iónica de la resina (véase el párrafo sobre las variaciones de volumen en la página "propiedades de las resinas"), la forma iónica de la resina analizada se debe siempre comunicar.

También hay que medir la capacidad másica seca (o capacidad por peso) de la muestra después de secarla. La capacidad másica corresponde al número de grupos activos por kg de resina seca, es decir sin tener en cuenta la humedad. Se expresa en eq/kg. La mención de la forma iónica también es imprescindible en este caso, porque los iones de tipo distinto tienen masas distintas.

La capacidad másica es importante por dos razones:

1. Medida en el proceso de control de calidad con resinas nuevas, la capacidad másica proporciona informaciones sobre la activación del polímero. Por ejemplo, si todos los anillos aromáticos de una resina fuertemente ácida han sido sulfonados, la capacidad total es de unos 5,5 eq/kg en forma H⁺.
2. Con resinas usadas, proporciona informaciones sobre un posible envenenamiento (fouling) de la resina: una resina envenenada contiene sustancias ajenas qua aumentan su masa, y por tanto la capacidad total másica disminuye, aún cuando ningún grupo activo falta en su estructura.

La capacidad útil en práctica

Hemos visto que la capacidad útil de una resina es una fracción de su capacidad total. Se expresa también en eq/L (equivalentes por litro de resina) y corresponde a la cantidad de iones (más precisamente al número de cargas) que se pueden intercambiar durante un ciclo.

La tabla siguiente contiene valores típicos de capacidad total y operativa de las resinas más comunes. Todos los valores son en eq/L, los más probables entre corchetes.

Tipo de resina*	Capacidad total	Capacidad útil
WAC (cat. débil)	3,7 a 4,5 [4,2]	1,0a 3,5
SAC (cat. fuerte)	1,7 a 2,2 [2,0]	0,6 a 1,7
WBA (an. débil)	1,1 a 1,7 [1,3]	0,8 a 1,3
SBA (an. fuerte)	0,9 a 1,4 [1,2]	0,4 a 0.,9

*Véase abreviaturas y tipos de resina (en inglés)

Tomemos, por ejemplo, una resina intercambiadora de cationes (SAC) usada en ablandamiento de un agua con una dureza de 4,4 meq/L, cuya capacidad útil —calculada en condiciones precisas de operación —sería de 1,1 eq/L, o sea 1100 meq/L.

Cada litro de esta resina puede tratar 1100 / 4,4 = 250 litros de agua dura antes de necesitar una regeneración. Significa que la producción esperada entre dos regeneraciones es de 250 volúmenes de lecho (en inglés bed volumes o BV). Si la dureza es más alta, la cantidad de agua blanda disminuye, y vice-versa. Véase también las unidades de capacidad y de concentración.

Cálculo experimental de la capacidad útil

Ablandamiento

Tiene una columna de resina fuértemente ácida en forma de sodio (SAC[Na]). Su agua bruta contiene una concentración de dureza de C meq/L. Para medir y calcular la capacidad útil de la columna, tendrá que medir de manera continua (o tomando muestras cada 5 a 15 minutos) la dureza residual saliendo de la columna. Trazando los valores individuales en un gráfico producirá la curva roja de abajo. El ciclo se termina cuando la dureza residual alcanza el valor predeterminado (punto final). En este momento, la columna ha producido un volumen Q de agua blanda. La cantidad R de iones duros eliminada por la resina se calcula en meq:

R = Q × C

Y la capacidad útil de su columna es:

Cap = Q × C / V (meq/L)

Ejemplo: su columna contiene V = 2000 L de resina (Amberjet 1000 Na), el agua bruta contiene C = 6 meq/L de dureza, el volumen producido Q es 360 m³ = 360'000 L, de manera que la capacidad útil de la columna es:

Cap = (360'000 × 6) / 2000 = 1080 meq/L = 1,08 eq/L

Un cálculo idéntico vale para la eliminación de nitratos con una resina selectiva (SBA[Cl]), donde la concentración de nitrato se utilza en vez de la dureza. La capacidad útil será más baja (típicamente alrededor de 0,3 eq/L).

Desmineralización

Aquí la situación es más complicada, porque tendrá por lo menos dos tipos de resina (intercambiadores de cationes y de aniones), a veces tres o cuatro (débil y fuerte). En caso de una planta de dos resinas (SAC y SBA) el perfil de la columna catiónica es similar al del ablandamiento de arriba, pero el parámetro de medida es la conductividad (detrás de la columna aniónica) en vez de la dureza. Para calcular la capacidad catiónica, tendrá que tomar la concentración total de cationes en el agua bruta, y para la aniónica considerar la concentración de aniones detrás de la torre de desgasificación (si existe), añadiendo a los aniones la sílice y el gas carbónico libre.

Observación importante

Los experimentos no se hacen con una resina virgen. Hay que realizar unos ciclos (dos o tres) antes que el sistema se equilibre. La capacidad del primer ciclo (llamado ciclo cero) es más alta, porque la resina está completamente regenerada, lo que no es válido en los ciclos siguientes.

Recomendaciones para ensayos con resinas en el laboratorio se encuentran aquí.