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6 nov 2016

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El agua de alimentación
de la planta de intercambio iónico y varios límites recomendados

Introducción

En plantas de intercambio iónico, la composición del agua de alimentación afecta el funcionamiento de la planta. Es imprescindible conocer con precisión la calidad del agua bruta.

Los parámetros siguientes son esenciales:

Vamos a examinar el efecto de estos parámetros y tratar de establecer los límites prácticos de cada uno.

Salinidad del agua

Es la cosa más importante de conocer para estimar el funcionamiento de una planta de intercambio iónico. Es también la primera cosa de averiguar si el sistema no funciona de manera normal. No podemos fiarnos de un análisis hecho en el pasado. Algunos de los efectos de un cambio de salinidad son:

Tipo de cambio Efecto
Salinidad más alta Ciclos más cortos, volumen de producción reducido;
a veces, baja de la calidad del agua tratada.
Salinidad más baja Ciclos más largos, volumen de producción aumentado. Se puede probablemente reducir la frecuencia de las regeneraciones.
Cambio de composición del agua (p. ej. menos bicarbonato y más cloruro). Cambio de la calidad del agua tratada. Los volúmenes de resina pueden ser mal equilibrados, y el desgasificador tiene más (o menos) CO2 a eliminar.
Aumento de la sílice Puede producir una fuga de sílice más alta y necesitar un cambio de las condiciones de regeneración.

La imagen de abajo es una representación esquemática del análisis de agua con sus cationes y aniones. Un análisis correcto debe ser equilibrado.
Feed water analysis

Haga un clic en la imagen para verla con detalles adicionales.

Véanse también los detalles del análisis, con las unidades de concentración y una tabla de los iones principales encontrados en el agua.

En caso de variaciones estacionales de salinidad, hay que estimar de nuevo la capacidad de la planta, y posiblemente reajustar las condiciones de funcionamiento (frecuencia de regeneración y consumo de regenerantes). Si el analisis no se puede hacer en la planta misma, hay que enviar una muestra del agua a un laboratorio de buena reputación. Si su agua bruta es un agua municipal, la ciudad debería estar en condiciones de proporcionar un análisis preciso y detallado.

Para calcular las prestaciones de una planta o para optimizarla, recomendamos tomen el más probable análisis del agua de alimentación, y después hagan el cálculo otra vez con los análisis estacionales para establecer la duración del ciclo bajo todas las condiciones esperadas. Todos los análisis tienen que ser reales, es decir no ser máximos, mínimos o medios.

Las prestaciones esperadas de una planta existente deben ser actualizadas según las condiciones reales de operación. Tendrán que compilar los datos correspondientes:

  • Análisis del agua de alimentación (después del pretratamiento)
  • Tipos y volúmenes de todas las resinas
  • Método de regeneración (co-corriente, contra-corriente, lechos empacados etc.)
  • Cantidad y concentración de los regenerantes
Límites de salinidad

El intercambio iónico es la tecnología óptima para tratar concentraciones bajas, tales como se encuentran en la mayoría de las aguas de río o de pozo. En cambio, una salinidad alta resulta en ciclos muy cortos, y en casos extremos, el agua consumada por el proceso de regeneración puede sobrepasar el volumen del agua tratada. Se puede considerar como límite superior un valor aproximado de 20 meq/L, con algunas excepciones. Para tratar aguas de salinidad mayor, la ósmosis inversa es una solución bien probada.

El agua de mar no se puede desmineralizar con resinas de intercambio iónico, porque las resinas serían agotadas en menos de 3 volúmenes (bed volumes) tratados.


Materias en suspensión y turbidez

Idealmente, el agua de alimentación de una columna de intercambio iónico debería ser perfectamente clara y sin ninguna materia en suspensión. Es muy importante asegurar que los filtros mecánicos en la cabeza de la instalación funcionan correctamente. Una filtración imperfecta resulta en un exceso de materias sólidas en el lecho de resinas que puede producir:

  • pasos preferenciales en el lecho de resina resultando en ciclos anormalmente cortos;
  • pérdidas de carga elevadas que pueden producir una baja del caudal y necesitar contralavados frecuentes de la resina.

La medida tradicional de las materias en suspensión se hace con un filtro de 0.45 µm y el resultado se expresa en masa seca. La cantidad de materias suspendidas tolerada depende de la tecnología de las columnas y de la duración del ciclo. En los casos donde las resinas se pueden contralavar fácilmente, una concentración más alta de materias en suspensión es aceptable.

  • Las columnas regeneradas en co-corriente se contralavan (esponjamiento) antes de cada regeneración y por lo tanto no son muy sensibles a la cantidad de materias en suspensión, por lo menos cuando los ciclos no duran más de 24 horas; varios mg/L de MS son generalmente aceptables.
  • En cambio, si el ciclo es largo, las materias en suspensón acumuladas en la superficie del lecho pueden causar problemas de pérdida de carga aun cuando su concentración en el agua de alimentación sea baja.
  • Las columnas regeneradas en contra-corriente no se deben contralavar al fín de cada ciclo —de manera que no se desordene la estratificación del lecho— y hay que controlar la pérdida de carga con frecuencia para determinar si un contralavado es necesario.
  • Los lechos compactados (empacados) son más sensibles, porque no se pueden contralavar in situ. En general, la concentración de materias en suspensión debería ser mucho menor que 1 mg/L.
    • En sistemas de tipo Upcore, las materias en suspensión se depositan en la superficie del lecho de resinas, y una parte de ellas se eliminan en la primera etapa de la regeneración.
    • En sistemas de tipo Amberpack o lechos flotantes, las partículas ingresan en la parte inferior del lecho, la cual es parcialmente fluidificada, y se acumulan allá. Una cierta cantidad de sólidos se puede tolerar porque esos migran progresivamente hacia arriba, pero no se elimina hasta el momento que la resina este transferida a una columna externa de contralavado.
La turbidez se mide como NTU (Nephelometric Turbidity Units). No existe una relación sencilla entre turbidez y materias en suspensión.

Límites para materias en suspensión

No hay aquí datos absolutos. Lo más razonable es calcular la carga de materias en suspensión acumulada en la columna durante un ciclo y expresar el resultado por metro cuadrado de sección de la columna. Algunas sugerencias:

Materias en suspensión
Sistema Carga máxima por ciclo
Co-corriente 6 kg/m2
Split-flow 6 kg/m2
Contra-corriente compactado por aire o agua 2 kg/m2
Condensados 2 kg/m2
UpcoreTM y similares 0,5 kg/m2
AmberpackTM y similares 0,2 kg/m2
ADITM, ADNTM 0,1 kg/m2

Límites de turbidez

La turbidez no es un parámetro común en intercambio iónico. Es mejor referirse a la tabla de arriba que trata de las materias en suspensión. No obstante, se ha demonstrado que con sistemas de lechos compactos de tipo Amberpack o similares que no tengan una columna separada de contralavado, un valor de 1 NTU ya es excesivo.

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Temperatura

La temperatura del agua bruta y la de los regenerantes pueden afectar el funcionamiento del sistema.
Los efectos de un cambio de temperatura son los siguientes:

  • A baja temperatura, la capacidad útil de todas las resinas disminuye.
  • La regla de arriba sufre una excepción: a temperatura alta, la capacidad de eliminación de la sílice de una resina fuertemente básica decrece hasta ser casi nada si la temperatura sube a 60°C aproximadamente.
  • Las resinas fuertemente básicas estirénicas de tipo 2 (p. ej. Amberjet 4600) y acrílicas (Amberlite IRA458) no se pueden utilizar a temperaturas de más de 35°C. Temperaturas más altas resultan en una pérdida de capacidad fuerte, la cual causa un aumento de la fuga de sílice y una reducción del ciclo, y posiblemente problemas de lavado.
  • Las resinas intercambiadoras de cationes pueden funcionar a temperaturas altas, a veces más de 100°C, pero la presencia de oxígeno y de trazas de metales produce una oxidación progresiva de la resina.
Límites de temperatura

Véase la tabla que presenta los límites de todas las resinas intercambiadoras de aniones.
Las resinas intercambiadoras de cationes resisten a temperaturas de 100°C o más. Consulten las hojas técnicas de los fabricantes para más detalles.

pH

Las resinas toleran sin problema cualquier valor de pH entre 0 y 14. No obstante, hay que evitar choques osmóticos debidos a un cambio rápido de concentración o de pH.

Por otro lado, las resinas funcionan solo entre ciertos límites de pH. Los intercambiadores de cationes no funcionan a un pH muy bajo, y los intercambiadores de aniones no funcionan a un pH muy alto, porque serían regenerados permanentemente y no podrían intercambiar otros iones.

Eso quiere decir también que las resinas no son concebidas para funcionar —durante su agotamiento— con soluciones de alta concentración. Por eso, la tabla de abajo no debería incluir valores de pH mayores que 12 o menores que 2, lo que corresponde a 10 meq/L de NaOH o de ácido respectivamente.

Límites de pH
Gama de pH en servicio
Tipo de resina pH
Débilmente ácida (WAC) 6 – 14
Fuertemente ácida (SAC) 4 – 14
Débilmente básica (WBA) 0 – 7
Fuertemente básica (SBA) 0 – 9

Materias orgánicas

Ciertas moléculas orgánicas en el agua de alimentación pueden interferir en el proceso de intercambio. El efecto principal de materias orgánicas naturales es un envenenaliento irreversible de las resinas intercambiadoras de aniones.
Las materias orgánicas pueden resultar en los problemas siguientes:

  • Baja del pH (< 6) en el agua tratada cuando las materias orgánicas pasan a través del sistema.
  • Conductividad alta del agua tratada.
  • Aumento de la fuga de sílice.
  • Aumento del tiempo de lavado y del volumen de agua requerido para lavar.
  • Ciclos más cortos.

El método tradicional para medir las materias orgánicas (DQO) es una oxidación con permanganato de potasio y su resultado se expresa en mg/L de KMnO4.

Desgraciadamente, no hay correlación directa entre este método y el —más reciente —de la medida de carbon orgánico total (COT). No obstante, se pudo averiguar en experiencias prácticas que un factor aproximado se puede aplicar en numerosos casos, por lo menos en Francia, en el cual 1 mg/L de COT corresponde a ~ 5.5 mg/L de KMnO4.

Límites para materias orgánicas

Véase la tabla combinando los límites de materia orgánica para las resinas intercambiadores de aniones con los límites de temperatura.


Otros contaminantes

Otras impurezas en el agua de alimentación pueden interferir con el intercambio iónico. Los más comunes se encuentran abajo, con su efecto, los límites recomendados y la manera de evitar problemas.

Efectos Prevención/Tratamiento Límites
Hierro y manganeso
  • Pérdida de carga
  • Ciclos demasiado cortos (pérdida de capacidad)
  • Pérdida de calidad (aumento de las fugas)
  • Oxidación y filtración
  • Limpieza de las resinas con HCl
Límites para Fe
Ablandamiento y eliminación de nitratos: 1 mg/L
Desmineralización HCl : 15 mg/L
Desmineralización H2SO4 : 0,5 mg/L
Pulido de condensados: 0,1 mg/L (hasta 2 mg/L en la puesta en marcha)
Aluminio
  • Precipitación de Al(OH)3
    (a pH neutral)
  • Al se disuelve en ácidos y álcalis
Límites para Al
El aluminio no contamina las resinas si su concentración es solo una pequeña parte de la carga catiónica total.
Bario
  • Precipitación de BaSO4
  • Solo regenerar con HCl!
Límites para Ba
Si el bario constituye más de 0.1 % de los cationes totales, H2SO4 no se puede utilizar.
Aceite y grasa
  • Ciclos cortos (pérdida de capacidad)
  • Pérdida de calidad (aumento de las fugas)
  • Averiguar que la bombas y válvulas no producen fugas de aceite
  • Limpiar las resinas con un tensioactivo no iónico
Límites para aceite
Prácticamente cero
0,05 mg/L máximo
Oxidantes, cloro y ozono
  • Ciclos cortos (pérdida de capacidad)
  • Fuga de sodio detrás de la columna aniónica
  • Pérdida de carga cuando las resinas se reblandecen
  • Ajustar (reducir) la dosificación de Cl2 o O3
  • Colocar un filtro de carbón activado en el pretratamiento
  • Eliminar el exceso de oxidante con bisulfito
Límites para oxidantes
Véase la tabla con los límites recomendados.
Polielectrolitos
  • Ciclos cortos (pérdida de capacidad)
  • Pérdida de calidad (aumento de las fugas)
  • Ajustar la dosificación
  • Limpiar la resina con NaOH a 4 %
Límites para polielectrolitos
No hay recomendación general.
La prudencia es esencial. En duda, exija del proveedor del polielectrolito que confirme que su producto no pueda dañar las resinas.

Amberpack, Upcore, ADI y ADN son marcas de Dow Chemical


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