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29 Dic 2011

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Procesos básicos de intercambio iónico
en el tratamiento de agua

Introducción

Varias tecnologías de intercambio iónico existen para tratar aguas:

Encontrará aquí la descripción de estos procesos, las reacciones de intercambio y los cambios que ocurren en el agua. Los tipos de resinas están en otra página (en inglés), así como los métodos de regeneración (en español). Véase también los principios básicos del intercambio iónico, y la descripción de las columnas de intercambio (en inglés, pero con muchas imágenes) en otras páginas.

Ablandamiento

Aguas naturales contienen iones de calcio y de magnesio (véase análisis de agua) que forman sales no muy solubles. Estos cationes, así como el stroncio y el bario que son menos comunes y aún menos solubles, se llaman iones de dureza. Cuando se evapora el agua, estos cationes pueden precipitar. Eso es lo que se puede observar cuando bulle agua en el hervidor de la cocina.

El agua dura produce incrustaciones en tuberías y calderas domésticas e industriales. Puede crear turbidez en la cerveza o bebidas gaseosas. Sales de calcio ensucian vasos en su lavaplatos si la dureza del agua municipal es alta o si olvidó adicionar sal.

Resinas intercambiadoras de cationes fuertemente ácidas (SAC, véase tipos de resina) usadas en forma de sodio eliminan los cationes de dureza del agua. Columnas de ablandamiento agotadas con estos cationes se regeneran con cloruro de sodio (NaCl, sal común).

Reacciones

Aquí el ejemplo del calcio:

2 R-Na + Ca++ ---> R2-Ca + 2 Na+

R representa la resina, la cual está inicialmente en forma sodio. La reacción con el magnesio es idéntica.

Esta reacción es un equilibrio. se puede invertir aumentando la concentración de sodio en el lado derecho. Eso se hace con NaCl y la reacción de regeneración es:

R2-Ca + 2 Na+ ---> 2 R-Na + Ca++

¿Qué ocurre en el agua?

Raw water
Agua bruta
SAC (Na)
-->
soft water
Agua ablandada

La salinidad del agua es igual que antes, pero contiene ahora sodio en lugar de dureza. Un pequeño residuo de dureza permanece, que depende de las condiciones de regeneración.

Usos

Ejemplos de uso de ablandadores:

Ablandar el agua no reduce su salinidad: solo elimina los cationes de dureza y los reemplaza por sodio. Las sales de sodio son mucho mas solubles, de manera que no producen incrustaciones.
 
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Descarbonatación

Este proceso emplea una resina intercambiadora de cationes débilmente ácida (WAC), que es capable de eliminar dureza del agua cuando esa tiene alcalinidad (es decir bicarbonatos). El agua tratada tiene gas carbónico libre que se puede eliminar en una torre desgasificadora. La resina se regenera muy fácilmente con un ácido fuerte, preferentemente ácido clorhídrico.

Reacciones

Aquí el ejemplo del calcio:

2 R-H + Ca++(HCO3)2 ---> R2-Ca + 2 H+ + 2 HCO3

después, los cationes de hidrógeno se combian con los aniones de bicarbonato y producen ácido carbónico y agua:

H+ + HCO3 ---> CO2 + H2O

¿Qué ocurre en el agua?

Raw water
Agua bruta
WAC (H)
-->
decarbonated water
Agua descarbonatada
Recombinación del hidrógeno con el bicarbonato y eliminación del dióxido de carbono en la torre de desgasificación:
Decarbonated water
Agua descarbonatada
DEG
-->
Degassed water
Agua desgasada

La salinidad ha sido reducida. La dureza temporal ha desaparecido.

Usos

La descarbonatación sirve:

La descarbonatación disminuye la salinidad del agua eliminando cationes de dureza y aniones de alcalinidad.
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Descationiszación

La eliminación de todos los cationes no es un proceso individual muy corriente, sino como primera etapa de un tratamiento de condensados ante un lecho mezclado. Se hace con una resina intercambiadora de cationes fuértemente ácida (SAC) en forma H+.

Reaciones

Aquí el ejemplo del sodio, pero todos los cationes reaccionan igualmente. Es una reacción de equilibrio:

R-H + Na+ ---> R-Na + H+

La reacción inversa (de regeneración) ocurre aumentando la concentración de hidrógeno en el lado derecho. Se hace con un ácido fuerte, HCl o H2SO4:

R-Na + H+ ---> R-H + Na+

¿Qué ocurre en el agua?

Raw water
Agua bruta
SAC (H)
-->
Decationised water
Agua descationizada
DEG
-->
Degassed water
Descationizada y desgasada

En la segunda etapa, una torre de desgasificación elimina aquí tambien el dióxido de carbono, combinandp los aniones de bicarbonato y los cationes de hidrógeno producidos en la primera etapa. La salnidad del agua ha sido reducida y el agua tratada es ácida. Una pequeña fuga de sodio permanece (en rojo en la imagen).

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Desmineralización

En muchas aplicaciones se deben eliminar todos los iones del agua. Cuando se calienta agua para producir vapor, cualquiera impureza en ella puede precipitar y causar daño. Como hay cationes y aniones en el agua bruta (en concentración globalmente igual), se deben usar dos tipos de resina: un intercambiador de cationes y un intercambiador de aniones. Esta combionación produce agua pura, como ya presentado en la introducción general. La desmineralización se puede también llamar desionización. La resina catiónica se usa en forma hidrógeno (H+) , y la anionica en forma hidróxido (OH), de manera que se regenera la catiónica con un ácido y la aniónica con un álcali.

El dióxido de carbono se elmina con una torre desgasificadora torre desgasificadora cuando el agua contiene una concentración apreciable de bicarbonato.

En general, el intercambiador de cationes está colocado en primer sitio, delante del intercambiador de aniones. Si no fuese así, los cationes de dureza precipitarían en el medio ambiente alcalino de la resina aniónica en forma de Ca(OH)2 o de CaCO3, que tienen baja solubilidad.

Arreglo SAC – (DEG) – SBA
Examinemos primero un sistema sencillo de desmineralización con una resina fuértemente ácida (SAC) en forma H+, una torre de desgasificación (opcional) y una resina fuértemente básica (SBA) en forma OH. La primera etapa del proceso es la descationización de arriba:

RSAC-H + Na+ <---> RSAC-Na + H+

En el caso de calcio en lugar de sodio (válido también para magnesio y otros cationes divalentes):

2 RSAC-H + Ca++ <---> (RSAC)2-Ca + 2 H+

En la segunda etapa del proceso, todos los aniones son eliminados por la resina básica fuerte:

RSBA-OH + Cl <---> RSBA-Cl + OH

Los ácidos débiles producidos en la etapa de descationización, que son el ácido carbónico y silícico (H2CO3 y H2SiO3) se eliminan de misma manera:

RSBA-OH + HCO3 <---> RSBA-HCO3 + OH

Y al final, los iones H+ producidos en la primera etapa reaccionan con los iones OH de la segunda y forman nuevas moléculas de agua. Esta reacción es irreversible:

H+ + OH ---> H2O

¿Qué ocurre en el agua?

Intercambio de cationes (idéntico a la descationización de arriba):
Raw water
Agua bruta
SAC (H)
-->
Decationised water
Agua descationizada
DEG
-->
Degassed water
Descationizada y degasada
Intercambio de aniones:
Degassed water
Agua descat. y desgasada
SBA (OH)
-->
Demin water
Agua desmineralizada

El agua descationizada no contiene ningunos iones, excepto pequeñas trazas de sodio y de sílice, porque las resinas SAC y SBA tienen una menor selectividad para ellos. Con tal cadena sencilla de desmineralización regenerada en contra-corriente se obtiene un agua desmineralizada con una conductividad de solo 1 µS/cm aproximadamente, y una sílice residual de 5 a 50 µg/L, un valor que depende de la concentración de sílice en el agua bruta y de las condiciones de regeneración.
El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada. Los valores indicados con un pH-metro son erróneos cuando la conductividad es baja.

Regeneración

La resina fuértemente ácida (SAC) se regenera con un ácido fuerte, HCl o H2SO4:

R-Na + H+ <---> R-H + Na+

Y la resina fuértemente básica (SBA) se regenera con una base fuerte, NaOH en 99 % de los casos:

RSBA-Cl + OH <---> RSBA-OH + Cl

Arrreglo WAC/SAC – DEG – WBA/SBA
Las resinas débilmente ácidas (WAC) y débilmente básicas (WBA) ofrecen una capacidad útil alta y se regeneran muy fácilmente. Entonces se emplean tales resinas en combinación con resinas fuértemente ácidas (SAC) y básicas (SBA) en plantas grandes, para lograr un mejor rendimiento químico y un consume de regenerantes más bajo. La primera etapa con la resina WAC es una descarbonatación (eliminación de la dureza temporal), y la segunda etapa elimina todos los demás cationes. Las resinas débilmente ácidas WAC se emplean cuando el agua bruta tiene concentraciones relativamente altas de dureza y de alcalinidad.

Las resinas débilmente básicas (WBA) eliminan solo los ácidos fuertes detrás de la etapa de descationización. No son capaces de eliminar los ácidos débiles que son SiO2 y CO2. En su forma regenerada, no son disociadas, y entonces no tienen iones OH libres necesitados por un intercambio de aniones neutrales. Por el otro lado, su basicidad es suficiente para eliminar los ácidos fuertes creados por el intercambio de cationes.

RWBA + H+Cl ---> RWBA.HCl

En la última etapa, una resina fuértemente básica (SBA) es necesaria para eilminar los ácidos débiles como ya mencionado en el párrafo anterior:

RSBA-OH + HCO3 <---> RSBA-HCO3 + OH

¿Qué ocurre en el agua?

Intercambio catiónico empezando por una descarbonatación seguida por la eliminación de todos los demás cationes:
Raw water
Agua bruta
WAC (H)
-->
Decarbonated water
Agua descarbonatada
SAC (H)
-->
Decationised water
Agua descatiionizada
Intercambio aniónico empezando por la eliminación de los ácidos fuertes después de una desgasificación:
Degassed water
Agua descationizada y desgasada
WBA (FB)
-->
Partial demin water
Agua partialmente desmineralizada
SBA (OH)
-->
Demin water
Agua totalmente desmineralizada

La imagen siguiente es una cadena completa de desmineralización, incluyendo una columna de intercambio catiónico de dos cámaras (WAC y SAC), una torre de desgasificación, una columna de intercambio aniónico de dos cámaras (WBA y SBA), y un lecho mezclado como pulido final. El uso de la resina débilmente ácida (WAC) y de la torre de desgasificación depende de la concentración de dureza y de alcalinidad en el agua bruta, como mencionado en los párrafos anteriores.

Amberpack demin line
Cadena de desmineralización (haga clic para una imagen más grande)

Regeneración

La regeneración se hace en serie: la solución regenerante pasa primero por la resina fuerte y después por la resina débil; en general, el regenerante no consumido por la resina fuerte basta par regenerar la débil.

Las resinas intercambiadoras de cationes se regeneran con un ácido fuerte, preferentemente HCl porque H2SO4 puede precipitar sulfato de calcio.
Las resinas intercambiadoras de aniones se regeneran con sosa cáustica.

Demin line regeneration
Regeneración de la cadena de desmineralización (haga clic para una imagen más grande)

La calidad del agua tratada es la misma que la obtenida con el arreglo sencillo SAC—SBA, pero el consumo de regenerantes es más bajo porque las resinas débiles se regeneran prácicamente sin coste. Además, las resinas débiles tienen más capacidad que las fuertes, así que el volumen total de resinas es reducido.

Usos

Ejemplos de desmineralización:

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Lechos mezclados de pulido

MB
Un lecho mixto en producción
y en regeneración
Las últimas trazas de salinidad y de sílice se pueden eliminar en un lecho mixto donde una resina intercambiadora de cationes fuértemente ácida y una resina intercambiadora de aniones fuértemente básica muy bien regeneradas están mezcladas.

Los lechos mezclados producen un agua de calidad excelente, pero son difíciles de regenerar, porque hay que separar las resinas antes de regenerarlas. Además, precisan de cantidades elevadas de regenerantes, y las condiciones hidráulicas de regeneración no son óptimas. Entonces lechos mezclados se usan príncipalmente para el tratamiento de agua pre-desmineralizada o de baja salinidad, cuando los ciclos son largos.

¿Qué ocurre en el agua?

No queda casi nada en el agua tratada:

Demin water
Agua pre-desmineralizada
SAC (H) + SBA (OH)
-->
Decationised water
No queda nada

Lechos mezclados de pulido producen agua con una conductividad de menos que 0,1 µS/cm. Con un diseño óptimo y resinas apropiadas se puede alcanzar la conductividad del agua pura (0,055 µS/cm). La sílice residual puede ser 1 µg/L, a veces menos.
El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada. Los valores indicados con un pH-metro son erróneos cuando la conductividad es menor que 1 µS/cm.

Usos

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Eliminación de nitrato

La eliminación selectiva de nitratos en agua potable se puede hacer con resina fuértemente básicas (SBA) en ciclo cloruro, es decir con regeneración con una salmuera de NaCl. La reacción de intercambio es:

RSBA-Cl + NO3 <---> RSBA-NO3 + Cl

¿Qué ocurre en el agua?

Raw water
Agua bruta
SBA (Cl)
<-->
Decationised water
Agua desnitratada

Se puede usar resinas SBA convencionales, pero ellas también eliminan sulfatos. Véase la tabla de selectividad. En función del tipo de resina, una pequeña parte (resinas selectivas) o todo el sulfato (resinas convencionales) desaparece. El bicarbonato es eliminado parcialmente en la primera parte del ciclo.

Usos

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Eliminación selectiva de varios otros contaminantes

La eliminación selectiva de metales y otros contaminantes es importante en los casos de agua potable y de aguas de desecho. Muchas de estas aplicaciones necesitan resinas especiales, por ejemplo resinas quelatantes que forman complejos estables con metales.

Ejemplos

En muchas de estas aplicaciones se puede alcanzar una concentración de unos µg/L en el agua tratada.

Algunos contaminantes no se pueden eliminar fácilmente por intercambio iónico, por ejemplo As, F, Li. Véase el sistema periódico de los elementos con algunos datos de intercambio iónico. Véase también la página de los tipos de resina (resinas selectivas) y una página separada en inglés sobre el tratamiento de agua potable.

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Más información

Abreviaturas
Usamos las abreviaturas siguientes para los tipos de resina:

Véase una tabloa con la lista completa de abreviaturas y unidades eni nglés.

Agua
Véase detalles sobre el análisis de agua necesitado para calcular los procesos de esta página.
Página separada con aplicaciones en agua potable.

Columnas de intercambio iónico
Varios tipos de columnas están en una página en inglés con muchas gráficas. También torres de desgasificación.

Regeneración
Véase detalles sobre los procesos de regeneración con cantidades y concentraciones de regenerantes.

Reacciones de intercambio
Una página separada en inglés describe el equilibrio y las reacciones químicas de las resinas.


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