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Métodos de regeneración
de una columna de intercambio iónico

Introducción

La mayoría de las resinas de intercambio iónico se usan en columnas. El proceso de intercambio es una operación discontinua: una etapa de agotamiento, y una etapa de regeneración de las resinas agotadas. Hay dos métodos principales de regeneración:

También se encuentran en esta página informaciones sobre la cantidad de regenerantes (ratio de regeneración), sobre regeneración en série y sobre los tipos y concentraciones de los regenerantes.

Véase también las páginas sobre capacidad, columnas de intercambio (en inglés), description d'un ciclo completo, y principios de diseño (los dos últimos en español).

Regeneración en co-corriente (CFR)

Esta técnica es la más antigua: la solución a tratar pasa de arriba abajo, y la solución de regeneración pasa en la misma dirección.

La regeneración en co-corriente no es óptima, porque las resinas fuertemente ácidas y fuertemente básicas no están convertidas totalmente en forma H+ o OH respectivamente al final de la regeneración: una conversión completa necesitaría cantidades excesivas de regenerantes. Resulta que las capas inferiores del lecho de resina son mal regeneradas, mientras las capas superiores son muy bien convertidas. Al principio de la fase siguiente de agotamiento, la fuga iónica es alta porque los iones no eliminados en la parte baja de la columna son desplazados por iones H+ (o OH) producidos por el intercambio en la parte superior.

Regen co-courant

Degré de régénérationLa zona oscura en la imagen de arriba representa la proporción de resina agotada y la zona amarilla clara la de resina regenerada. La imagen de la derecha muestra lo que quiero decir: por ejemplo, al nivel A en la columna, la resina está 50% agotada y 50% regenerada. Por encima de la zona de intercambio, la resina está totalmente agotada, y por debajo, totalmente regenerada (en esta imagen).

En una regeneraciíon en co-corriente, la única manera de reducir la fuga permanente es aumentar la cantidad de regenerante para dejar una proporción menor de resina agotada en la parte baja de la columna al final de la regeneración.

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Regeneración en contra-corriente (RFR)

Un término más apropiado sería flujo inverso puesto que la resina no se mueve. No obstante, la expresión común es contra-corriente. En este caso, la solución regenerante pasa a través de la columna en la dirección opuesta a la del agua (o de la solución) a tratar. Hay dos casos distintos de regeneración en contra-corriente:

  1. Agotamiento de arriba abajo y regeneración de abajo arriba, como en los sistemas de bloqueo del lecho por aire o por agua, o en los procesos de lecho compacto UFDTM y UpcoreTM.
  2. Agotamiento de abajo arriba y regeneración de arriba abajo, como en los sistemas de lechos flotantes o AmberpackTM.

En todos los casos de regeneración en contra-corriente, no es preciso que el regenerante empuje los iones cargados en la resina a través de todo el lecho, puesto que basta rechazarlos de donde vinieron. Las capas de resina menos agotadas están regeneradas en primer lugar y tendrán el mejor grado de conversión al principio de la fase de agotamiento siguiente:

RFR

Lo mismo en el caso de agotamiento de abajo arriba y regeneración de arriba abajo (lechos flotantes):

RFR2

La regeneración en contra-corriente proporciona dos ventajas decisivas:

  1. El agua —o la solución— a tratar tiene una calidad mucho mejor que en el caso de co-corriente, debido a una fuga iónica pequeña.
  2. La cantidad de regenerante necesaria es menor, porque los iones contaminantes no tienen que ser "empujados" a través de todo el lecho de resina, y la calidad del agua tratada es casi independente de la cantidad de regenerante.
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Calidad del agua tratada

Al final de una regeneración en co-corriente, el agua tratada sale de la capa de resina menor regenerada, mientras que en contra-corriente la zona de salida es en la mejor regenerada. Resulta que en co-corriente los contaminantes de la parte baja de la columna "huyen" en el agua tratada, especialmente al principio del ciclo, debido a un efecto de auto-regeneración. En contra-corriente, todos los iones se eliminan en la capa de resina inmediatamente inferior.

El gráfico siguiente muestra la fuga típica medida durante la fase de agotamiento. Puede representar por ejemplo la conductividad en µS/cm pero también la fuga de calcio en ablandamiento o de sílice en desmineralización. La fuga obtenida con una regeneración en contra-corriente es, en general, muy baja e independiente de la cantidad de regenerante utilizada. En co-corriente, fugas bajas necesitan un consumo grande de regenerante.

Profils de fuite

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¡No esponjamiento en contra-corriente!

Las ventajas de la regeneración en contra-corriente están basadas en el arreglo de las capas de resina en la columna. Estas capas no deben ser perturbadas, y la resina mejor regenerada se debe encontrar siempre al final de la columna de donde sale el agua tratada. Por tanto, el lecho de resina no se contralava antes de la regeneración, y debe permanecer compactado, sin fluidificación. Por consiguiente, o las columnas están totalmente llenas de resina sin espacio libre (lechos compactos), o el lecho de resina se bloquea por encima con una presión de aire o de agua durante la inyección del regenerante y el desplazamiento para que no se fluidifique. Véase la página (en inglés) "ion exchange columns" con más detalles.

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Etapas de la regeneración

El procedimiento general de regeneración de una columna de resina es el siguiente:

  1. Contralavar el lecho de resina con un flujo ascendente de agua (¡solo co-corriente!) para eliminar las materias en suspensión acumuladas en la superficie del lecho.
  2. Introducir el regenerante diluido en agua de calidad apropiada. El caudal de regeneración es bajo, de manera que el tiempo de contacto sea de 20 a 40 minutos en general.
  3. Desplazar el regenerante con agua de dilución al mismo caudal.
  4. Lavar el lecho de resina con agua bruta hasta obtener la calidad esperada de agua tratada.
Este procedimiento es válido para la mayoría de los sistemas de intercambio iónico con una sola resina, tales como ablandamiento, descarbonatación o eliminación de nitratos. Las resinas quelatantes necesitan a veces dos regenerantes succesivos.
En desmineralización, se regenera en primer lugar el intercambiador de cationes con un ácido fuerte, luego el intercambiador de aniones con sosa cáustica. Se pueden también regenerar ambos intercambiadores simultáneamente.

Pueden ser necesarias etapas adicionales en ciertas aplicaciones especiales (véase abajo).

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Lechos mezclados

MB regenerationLa regeneración de un lecho mezclado es más complicada, con las etapas siguientes:

  1. Contralavar el lecho de resinas para separar hidráulicamente la resina intercambiadora de cationes y la resina intercambiadora de aniones (la cual tiene una densidad menor).
  2. Dejar el lecho asentarse.
  3. Opcionalmente, bajar el nivel de agua hasta la superficie del lecho.
  4. Introducir la sosa diluida en agua desmineralizada y extraerla por el colector intermedio.
  5. Desplazar la sosa con agua de dilución.
  6. Introducir el ácido diluido en agua desmineralizada por el colector intermedio y sacarlo por debajo.
  7. Desplazar el ácido con agua de dilución.
  8. Bajar el nivel de agua hasta la superficie del lecho de resinas.
  9. Mezclar las resinas con aire comprimido limpio o con nitrógeno.
  10. Llenar la columna lentamente con agua.
  11. Hacer el lavado final con agua bruta al caudal de producción hasta obtener la calidad deseada.
Nota 1: En el caso que no exista un distribuidor de sosa, esta "llueve" sobre la superficie del agua, lo que puede crear una dilución adicional, y la distribución de la sosa no es tan uniforme que con un distributor dedicado.
Nota 2: Ambas resinas se pueden regenerar simultáneamente para ganar tiempo. De lo contrario, empezar siempre con la resina intercambiadora de aniones.
Nota 3: En tratamiento de condensados, los lechos mezclados se regeneran generalmente en una instalación externa.
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Eficacia de la regeneración

HCl regeneration
H2SO4 regeneration
NaOH regeneration

Las tres imágenes de la izquierda ilustran la conversión de resinas fuertes completamente agotadas (en forma Na+ o Cl) en función de la cantidad de regenerante. El eje y "% Regeneration" representa el factor de conversión en forma H+ y OH respectivamente. Se pueden observar varias cosas:
  1. El ácido clorhídrico es más potente que el sulfúrico para regenerar una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida (SAC) inicialmente en la forma Na+.
    50 g de ácido clorhídrico por litro de resina convierten 60 % de la resina a la forma H+.
    50 g de ácido sulfúrico convierten solo 40 % de la resina.
  2. En equivalentes, el ácido clorhídrico sigue siendo más eficaz: 36,5 g HCl (1 eq) convierten 45 % de la resina, mientras 49 g H2SO4 (1 eq) no convierten más que 39 %.
  3. Para convertir la resina al 100 % de forma H+, se necesitan aproximadamente 6,5 eq de HCl (240 g/L) pero 8 eq de H2SO4 (400 g/L).
  4. Eso resulta de la segunda acidez del ácido sulfúrico siendo más débil que la primera.
  5. La regeneración con sosa cáustica de una resina fuertemente básica (SBA) de tipo 1 inicialmente en forma Cl es más difícil:
    50 g de NaOH, convierten solo 37 % de la resina; 40 g (1 eq) convierten 32 %.
    Se necesitan 37,5 eq de NaOH (1500 g) para convertir la resina SBA a 100 % en forma OH.
  6. El hecho que una resina SBA de tipo 1 sea más difícil de regenerar que una resina SAC se puede explicar por el valor del coeficiente de selectividad:
    K(Cl/OH) = 22 mientras K(Na/H) = 1,7.
En la práctica, no se regeneran estas resinas a un nivel de conversión alto, lo que no sería económico por el consumo de regenerante.

Por otro lado, las resinas débilmente ácidas y básicas (WAC y WBA) tienen una curva de regeneración casi lineal: se regeneran con una cantidad cerca del valor estechiométrico (véase más bajo).

Nota: todas las cantidades de regenerante son expresadas en gramos del ácido o del hidróxido de sodio puros (100 %) por litro de resina.

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Ratio de regeneración

Definición:
Definición del ratio de regeneración

Introducción

Ejemplo

Exceso

Llamamos exceso de regenerante la diferencia entre la cantidad de regenerante (en eq) y la carga iónica:

Exceso [en eq] = regenerante [eq] - carga iónica [eq]

Exceso [en %] = 100 x (ratio de regeneración – 1)

Rendimiento de regeneración

Es el inverso del ratio de regeneración. Este número es siempre menor que 1,0 (< 100 %):

Rendimiento [en %] = 100 x (eq de carga iónicqa / eq de regenerante)

El ratio de regeneración de 126 % de nuestro ejemplo corresponde a un rendimiento de 79,3 %.

Valores minimales (usamos aquí las abreviaturas en inglés)

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Regeneración en serie

Con parejas de resinas (una débil, una fuerte) hay que aplicar las tres reglas siguientes:

  1. El agua a tratar debe pasar primero por la resina débil, luego por la resina fuerte.
  2. La solución de regeneración debe pasar primero por la resina fuerte, luego por la resina débil.
  3. Las resinas deben permanecer siempre separadas.
    • En dos columnas distintas
    • En lechos estratificados
    • En columnas de dos compartimentos (AmberpackTM y similares)
Producción
Columnas separadas en producción
 Regeneración
Columnas separadas en regeneración

¿Por qué es así?

  1. La resina débil tiene una capacidad útil alta y se regenera fácilmente, pero no elimina todos los iones del agua bruta. Por lo tanto, debe estar ubicada en primera posición, y la resina fuerte eliminará todos los iones no eliminados en la resina débil.
  2. La resina fuerte necesita un gran exceso de regenerante, mientras que la resina débil casi no necesita exceso. El regenerante pasa pues por la resina fuerte, y es el exceso de sosa (o de ácido con resinas intercambiadoras de cationes) que regenera la resina débil.
  3. Si se mezclan las resinas, ambos efectos 1 y 2 se pierden.
Las imágenes de arriba representan una regeneración en co-corriente ("modo antiguo") de columnas separadas. Las imágenes que siguen muestran el caso de una columna de tipo Amberpack de dos cámaras.
Producción
Amberpack en producción
 Regeneración
Amberpack en regeneración

Los argumentos de arriba valen también para parejas de resinas de intercambio de cationes.

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Tipos y concentraciones de los regenerantes

Tipos de regenerantes
En general, resinas WAC (débilmente ácidas) se pueden regenerar con un ácido que tiene un pKa más bajo que él de la resina misma. El pKa de la mayoría de las resinas WAC es de 4,4 hasta 4,8. El ácido acético (pK 4,8) puede justo regenerar estas resinas, el ácido cítrico es eficiente, pero el ácido carbónico no sirve. En la mayoría de los casos, no obstante, se usan HCl o H2SO4 que son más baratos.

En general, resinas WBA (débilmente básicas) se pueden regenerar con un alcalí que tiene un pKa más alto que él de la resina misma. El pKa de las WBA estirénicas vale aproximadamente 8,5 y el de las acrílicas 9,5. El amoníaco (pK 9,3) puede entonces regenerar las WBA estirénicas. En la mayoría de los casos, no obstante, se emplea NaOH que es barata y de uso más cómodo.

Las resinas SAC (fuertemente ácidas) y SBA (fuertemente básicas) se pueden regenerar solo con un ácido o una base fuerte respectivamente.

Concentraciones

Las concentraciones usuales son:

En ciertos casos se emplean concentraciones diferentes de las de arriba, muchas veces más bajas, raramente más altas.
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Calidad del agua para regenerar

La calidad de agua de utilizar en cada etapa de la regeneración se encuentra en una página separada.

Neutralización de los regenerantes

Véase otra página (en inglés) sobre el método de neutralización de los vertidos de regeneración.

Aplicaciones especiales

Desendulzado y endulzado

Fuera del tratamiento de agua, la solución tratada por resinas tiene que ser desplazada con agua antes de regenerar, para evitar pérdidas de esta solución por mezcla con el regenerante. Esta etapa adicional se llama "desendulzado" (o desazucarado) porque fue introducida inicialmente en el tratamiento de azúcares. De manera similar, una etapa de "endulzado" tiene lugar después de regenerar y lavar las resinas para que no se diluya la solución a tratar. El proceso completo de regeneración consta entonces de las etapas siguientes:

  1. Contralavado (opcional) con la solución bruta
  2. Desendulzado: desplazamiento de la solución con agua
  3. Inyección del regenerante
  4. Desplazamiento del regenerante por agua
  5. Lavado rápido (enjuague final) con agua
  6. Endulzado: desplazamiento del agua por la solución bruta
La fracción que resulta del desendulzado se puede reciclar, lo que ocurre a menudo cuando la solución contiene sustancias de alto valor (metales preciosos, productos químicos caros).

Si la solución a tratar tiene una densidad alta, que puede ser mayor que la densidad de la resina, la etapa de agotamiento —muchas veces con caudal bajo— se puede hacer de abajo hacia arriba para evitar la flotación de la resina y fluidificación del lecho. Esta opción se encuentra por ejemplo en el tratamiento de azúcares.

Carrusel

CarrouselPara aumentar la concentración del eluido y la capacidad útil de la resina se puede operar con un sistema de tres (o más) columnas. En el esquema de la izquierda se encuentran dos columnas en agotamiento y la tercera en regeneración. La columna de cabeza ("lead") se agotará más allá de la fuga normal, mientras que la segunda ("lag") funcionará como pulido y garantizará una fuga mínima en la solución tratada.

Cuando el eluido contiene un compuesto de alto valor se consigue una concentración mayor que en el caso de una sola columna.



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© François de Dardel