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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
TESIS DE GRADO
PREVIO A LA OBTENCIÓN DE:
INGENIERO QUÍMICO
TEMA: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN
DESMINERALIZADOR DE LECHO MULTIPLE
AUTORES: FANNY ESTHER HIDALGO DOMINGUEZ
MARCO VINICIO GUAMAN PEREZ
DIRECTOR DE TESIS: ING. MIRELLA BERMEO GARAY MSc
2006
2
CONTENIDO
CAPITULO I 1.1 RESUMEN 1.2 INTRODUCCIÓN 1.3 OBJETIVO CAPITULO II 2.1 EL AGUA
2.1.1 Historia 2.1.2 Propiedades 2.1.3 Estado natural 2.1.4 Clasificación del agua
2.2 DIFERENTES TIPOS DE AGUA 2.2.1 El agua y sus impurezas
2.3 CONCEPTO TEÓRICO DE DESMINERALIZACIÓN 2.3.1 Intercambio iónico
2.3.1.1 Fundamento 2.3.2 Como funcionan los intercambiadores iónicos
2.3.2.1 Reacción de intercambio iónico 2.3.3 Parámetros característicos de los intercambiadores iónicos
2.3.3.1 Capacidad de intercambio 2.3.3.2 Capacidad específica teórica 2.3.3.3 Selectividad
2.3.4 Como se trabaja con los intercambiadores iónicos 2.3.4.1 Técnicas generales 2.3.4.2 Intercambio iónico en discontinuo 2.3.4.3 Aplicaciones en discontinuo de resinas de intercambio
2.3.4.3.1 Intercambio iónico en columna 2.3.4.4 Etapas del proceso de intercambio en columna
2.3.4.4.1 Empaquetamiento de la columna 2.3.4.4.2 Acondicionamiento del intercambiador 2.3.4.4.3 Etapa de carga 2.3.4.4.4 Etapa de regeneración 2.3.4.4.5 La regeneración tiene dos inconvenientes 2.3.4.4.6 Modos de operación de intercambio en la columna
3
2.3.5 Ventajas del proceso 2.3.6 Aplicación de los intercambiadores de la industria
2.3.6.1 Tratamiento de aguas 2.3.6.1.1 Eliminación de la dureza del agua 2.3.6.1.2 Alcalinidad del agua 2.3.6.1.3 Eliminación de materia orgánica 2.3.6.1.4 Eliminación de nitratos 2.3.6.1.5 Eliminación del ión amonio 2.3.6.1.6 Desiónizacion del agua 2.3.6.1.7 Aplicaciones en la industria farmacéutica 2.3.6.1.8 Agricultura
2.3.7 Tipos de procesos de intercambio iónico 2.3.8. Proceso de intercambio tipo sodio
2.3.8.1 Principios de operación 2.3.8.1.1 Ciclo de servicio y agotamiento 2.3.8.1.2 Ciclo de regeneración 2.3.8.1.3 Retrolavado 2.3.8.1.4 Etapa de regeneración
2.3.8.1.4.1 Lavado lento 2.3.8.1.4.2 Lavado rápido
2.3.8.2. Intercambiadores catiónicos ciclo hidrógeno 2.3.8.2.1 Principios de operación 2.3.8.2.2 Reacciones de intercambio con los bicarbonatos
2.3.8.2.2.1 Fase agotamiento 2.3.8.2.2.2 Reacciones con sulfatos y cloruros
23.8.2.2.2.1 Fase agotamiento 2.3.8.2.3 Reacciones de regeneración catiónico
2.3.8.2.3.1 Regeneración con acido clorhídrico 2.3.8.2.3.2 Regeneración con acido sulfúrico
2.3.8.2.4 Capacidad y fuga de cationes 2.3.9 Proceso de desmineralización por intercambio iónico
2.3.9.1 Intercambio aniónico débil 2.3.9.1.1 Fase agotamiento 2.3.9.1.2 Fase regeneración
2.3.9.2 Intercambiadores aniónico fuerte 2.3.9.2.1 Fase agotamiento 2.3.9.2.2 Fase regeneración
2.4 PRINCIPIOS GENERALES DE LA DESMINERALIZACIÓN 2.5 PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DE UN DESMINERALIZADOR 2.6 TIPOS DE DESMINERALIZADORES
2.6.1 Sistema: CF + AD + DEG 2.6.2 Sistema: CF + DEG + AF 2.6.3 Sistema: CF + AD + DEG + AF 2.6.4 Sistema: CF + AD + DEG + CF + AF
4
2.6.5 Sistema: CF + DEG + AF + CF + AF 2.6.6 Sistema: CF + DEG + AF + CF + AF 2.6.7 Sistema: LM 2.6.8 Sistema: CF + AD + DEG + LM 2.6.9 Sistema: CF + DEG + LM 2.6.10 Importancia de la utilización del desgasificador
2.7 DIFERENTES USOS DEL AGUA DESMINERALIZADA 2.8 DIFERENTES PROCESOS DE DESMINERALIZACIÓN
2.8.1 Destilación 2.8.2 Osmosis inversa 2.8.3 Intercambio iónico
2.9 RESINAS 2.10 TIPOS DE RESINAS
2.10.1 Resinas orgánicas e inorgánicas 2.10.2 Resinas inorgánicas 2.10.3 Naturales 2.10.4 Sintéticos 2.10.5 Resinas iónicas orgánicas naturales 2.10.6 Resinas naturales 2.10.7 Resinas sintéticas 2.10.8 Formas de obtener una resina
2.11 CLASIFICACIÓN DE LAS RESINAS 2.11.1 Tipo de resina según su estructura de red 2.11.1.1 Tipo gel
2.11.1.2 Resinas macroporosas 2.11.1.3 Resinas isoporosas
2.11.2 Tipos de resinas según su grupo funcional 2.11.2.1 Resina Catiónica de acido fuerte
2.11.2.2 Resina catiónica de acido débil 2.11.2.3 Resina aniónica de base fuerte 2.11.2.4 Resina aniónica de base débil 2.11.2.5 Resinas quelatantes
2.12 PROPIEDADES DE LAS RESINAS 2.12.1 Propiedades físicas 2.12.2 Propiedades químicas
2.12.2.1 Sustancias sólidas 2.12.2.2 Capacidad de intercambio de una resina 2.12.2.3 Capacidad en peso seco 2.12.2.4 Capacidad en peso húmedo 2.12.2.5 Capacidad en volumen húmedo 2.12.2.6 Capacidad de operación 2.12.2.7 Capacidad de rotura 2.12.2.8 Vida útil de una resina
5
2.12.3 Efectos de la contaminación de una resina 2.12.3.1 Capacidad desminuida 2.12.3.2 Goteo 2.12.3.3 Acanalamiento
2.13 CRITERIOS TÉCNICOS PARA LA SELECCIÓN DE RESINAS 2.14 REACCIONES DE INTERCAMBIO QUE EFECTÚAN LAS RESINAS
2.14.1 Ciclo catiónico 2.14.1.1 Fase agotamiento 2.14.1.2 Fase regeneración
2.14.2 Ciclo aniónico 2.14.2.1 Fase agotamiento 2.14.2.2 Fase regeneración
2.15 CARACTERÍSTICA DE LA RESINA SELECCIONADA CAPITULO III 3.1 ECUACIONES DE DISEÑO 3.2 ECUACIONES A UTILIZARSE EN EL DISEÑO DE LA
UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MULTIPLES 3.2.1 Cálculo del volumen de resina catiónica 3.2.2 Cálculo del volumen de resina aniónica 3.2.3 Cálculo de la altura de los lechos 3.2.4 Cálculo de resistencia de material utilizado para los lechos 3.2.5 Determinación del flujo de entrada 3.2.6 Nivel de regenerante 3.2.7 Consumo estimado de agua de lavado 3.2.8 Ecuación de diseño del desgasificador
3.3 DATOS TEORICOS DE DISEÑO DE LECHOS MULTIPLES 3.3.1 Consideraciones económicas 3.3.2 Desgacificador 3.3.3 Diseño del desgacificador
3.4 DATOS EN QUE SE BASA EL DISEÑO DE LOS LECHOS 3.4.1 Características de las resinas seleccionadas
3.4.1.1 Resina catiónica fuerte 3.4.1.2 Resina aniónica 3.5 MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MULTIPLES 3.6 DISEÑO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA
3.6.1 Construcción de los lechos 3.6.2 Construcción del desgasificador 3.6.3 Construcción de la cuba recolectora 3.6.4 Montaje de la unidad desmineralizadota
6
3.7 DETERMINACION DE LOS VALORES DE ACUERDO A LAS ECUACIONES DE DISEÑO
3.7.1 Volumen de resina catiónica fuerte 3.7.2 Volumen de resina aniónica fuerte 3.7.3 Cálculo del la altura requerida de los lechos catiónicos 3.7.4 Cálculo del porcentaje de expansión del lecho 3.7.5 Cálculo del área de intercambio en el lecho 3.7.6 Cálculo de la altura requerida de los lechos anionicos 3.7.7 Cálculo del porcentaje de expansión del lecho 3.7.8 Cálculo del área de intercambio en el lecho 3.7.9 Cálculo de la resistencia del acrílico, material de los lechos 3.7.10 Cálculo de la transferencia del CO2 3.7.11 Cálculo teórico de la duración de los ciclos
3.7.11.1 Columna catiónica 3.7.11.2 Columna aniónica
3.7.12 Cálculo de las capacidades operativas de los lechos 3.7.12.1 Columna catiónica fuerte 3.7.12.2 Columna aniónica fuerte 3.8 PROGRAMA DE SIMULACION PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA CAPITULO IV 4.1 MANUAL DE OPERACIÓN Y SISTEMA DE CONTROL DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA 4.2 REGENERACION Y ENJUAGUE DE LAS RESINAS
4.2.1 Regeneración y enjuague de las resinas 4.2.1.1 Regeneración y enjuague de las resinas catiónicas 4.2.1.2 Manual de operación regeneración de resinas Catiónicas 4.2.1.3 Enjuague de las resinas catiónicas
7
INDICE DE FIGURAS
Pág. FIGURA 2.1
Representación de una molécula de agua …………………………….. 6
FIGURA 2.2
Esquema de enlaces de hidrógeno en el agua………………………. 7
FIGURA: 2.3.
Ciclo natural del agua----------------------------------------------------------- 9
FIGURA 2. 4
Planta desalinizadora de agua de mar--------------------------------------- 12
FIGURA 2.5
Desalinizador por evaporación súbita----------------------------------------- 13
FIGURA 2.6.
Representación de los sitios activos de una resina------------------------------ 24
FIGURA 2.7.
Proceso de difusión de una resina-------------------------------------------------- 25
FIGURA 2.8
Retención de cobre mediante una resina quelatante--------------------------- 29
FIGURA 2.9.
Esquema de las entradas de carga y regenerante-------------------------- 30
FIGURA 2.10
Regeneración a contracorriente--------------------------------------------------- 31
FIGURA 2.11
Sistema CF + AD +DEG------------------------------------------------------------- 52
FIGURA 2.12
8
Sistema CF +DEG +AF--------------------------------------------------------------- 53
FIGURA 2.13
Sistema CF +AD +DEG +AF--------------------------------------------------------- 54
FIGURA 2.14
Sistema CF +AD +DEG +CF +AF----------------------------------------------------- 55
FIGURA 2.15
Sistema CF +DEG +AF +CF +AF----------------------------------------------------- 56
FIGURA: 2.16
Sistema CF +DEG +AF +CF +AF-------------------------------------------------------- 57
FIGURA 2.17
Sistema LM ---------------------------------------------------------------------- 58
FIGURA 2.18
Sistema CF +AD +DEG +LM------------------------------------------------------------ 59
FIGURA: 2.19
Sistema CF +DEG +LM ---------------------------------------------------------------- 60
FIGURA: 2.20
Sistema CF +DEG +LM ---------------------------------------------------------------- 60
FIGURA: 2.21
Zeolita en su forma cristalina------------------------------------------------------------- 68
FIGURA 2. 22
Estructura de chitosan----------------------------------------------------------------------- 69
FIGURA: 2.23 Poli condensación entre fenol –formaldehído------------------------------------------- 71
9
FIGURA 2.24
Polimerización entre el divinilbenceno y el ácido metacrílico------------------------ 72
FIGURA 2.25
Estructura del ácido iminodiacético-------------------------------------------------------- 75
FIGURA 3.1
Secciones de tubo acrílico transparente cortados -------------------------- 107
FIGURA 3.2
Acople de reducciones de diámetro ---------------------------------------------- 107
FIGURA 3.3
Colocación de la resina en los lechos ----------------------------------------- 108
FIGURA 3.4 Desgasificador armado --------------------------------------------------------------- 109 FIGURA 3.5
Cuba de almacenamiento armada
Esquema y fotografía ----------------------------------------------------------------- 110 FIGURA 3.6. Diagrama de flujo del proceso de desmineralización -------------------------- 113 FIGURA 4.1
Flujo del regenerante respectivo en las columnas catiónicas
y aniónicas---------------------------------------------------------------------------------- 114
FIGURA 4.2 Esquema del enjuague de los lechos regenerados catiónicos y aniónicos respectivamente ------------------------------------------------------------- 125 FIGURA 4.3 Equipo en operación de regeneración normal -------------------------------------- 126
10
INDICE TABLAS
Pág. TABLA 2.1.
Principales constituyentes del agua de mar -------------------------------- 14
TABLA 2.2.
Principales constituyentes del agua potable ------------------------------------ 16
TABLA. 2.3.
Características de los principales tipos de resinas -------------------------------- 76
TABLA 2.4.
Propiedades físicas de intercambiadores catiónicos -------------------------------- 77
TABLA. 2.5.
Propiedades físicas de intercambiadores aniónicos ----------------------------------- 78
TABLA 3.1 Descripción general de la resina Lewatit Mono Plus S – 100 ------------------ 102
TABLA 3.2
Propiedades físicas y química de la resina Lewatit Mono Plus S – 100--------- 103
TABLA 3.3
Descripción general de la resina Lewatit Mono Plus M – 500 ------------------ 104
11
TABLA 3.4
Propiedades físicas y químicas de la resina Lewatit Mono Plus M – 500 ----- 105
TABLA 3.5
Dimensionamiento de la unidad desmineralizadora ---------------------------------- 118
TABLA 4.1
Valores de entrada para el lecho catiónico de la hoja técnica
y datos determinados ---------------------------------------------------------------------- 127
TABLA 4.2
Valores de entrada para el lecho aniónico ------------------------------------------ 128
TABLA 5.1 Valores obtenidos luego del primer paso por el lecho
Catiónico fuerte ------------------------------------------------------------------------------- 129
TABLA 5.2 Valores obtenidos luego del primer paso por el lecho
Aniónico fuerte ------------------------------------------------------------------------------- 134
TABLA 5.3 Valores obtenidos luego del segundo paso por el lecho
Catiónico fuerte ---------------------------------------------------------------------------------138
12
TABLA 5.4 Valores obtenidos luego del segundo paso por el lecho
Aniónico fuerte ------------------------------------------------------------------------------- 141
TABLA 5.5 Valores obtenidos luego del último paso por el lecho Mixto ---------------------- 144
TABLA
Valores de los análisis del agua potable, realizados en el
laboratorio de aguas de la facultad de Ing. Química de la
Universidad de Guayaquil.( Ver anexos )
TABLA Resultado de los análisis del agua desmineralizada realizados en la
Facultad de Ciencias Químicas de la Politécnica del Chimborazo.
( Ver anexos )
13
INDICE DE GRÁFICOS
Pág. GRÁFICO 5.1. a Primera corrida catiónica. Sólidos Totales vs volumen ---------------------- 131 GRÁFICO 5.1.b pH vs volumen ---------------------------------------------------------------------- 131 GRÁFICO 5.1.c Dureza vs volumen --------------------------------------------------------------------- 132 GRÁFICO 5.1.d Conductividad vs volumen ------------------------------------------------------------- 133 GRÁFICO 5.2.a Primera corrida aniónica. Sólidos Totales vs volumen ----------------------------- 135 GRÁFICO 5.2.b Cloruros vs volumen ---------------------------------------------------------------------- 136 GRÁFICO 5.2.c pH vs volumen ------------------------------------------------------------------------------- 137 GRÁFICO 5.3.a Segunda corrida catiónica pH vs volumen -------------------------------------------- 139 GRÁFICO 5.3.b Conductividad vs volumen ----------------------------------------------------------------- 139
14
GRÁFICO 5.3.c Dureza vs volumen --------------------------------------------------------------------- 140 GRÁFICO 5.4.a Segunda corrida aniónica. Sólidos Totales vs volumen ----------------------------- 142 GRÁFICO 5.4.b pH vs volumen ------------------------------------------------------------------------------- 143 GRÁFICO 5.5.a Corrida final por el lecho mixto: Sólidos Totales vs volumen ------------- ------- 145 GRÁFICO 5.5.b pH vs volumen --------------------------------------------------------------------------------- 146
15
CAPITULO I
1.1 RESUMEN
El presente trabajo se fundamenta en el diseño y construcción de un
desmineralizador de lechos múltiples con fines didácticos dentro de nuestra
Facultad .El agua desmineralizada producida a partir de agua potable, ha sido
obtenida mediante un proceso de intercambio iónico. Se ha utilizado dos columnas
de intercambio catiónico, dos columnas de intercambio aniónico, interpuestas por
un desgasificador y finalmente se instaló un lecho mixto. Las mismas que se han
dispuesto en columnas separadas donde el agua a tratar pasa primero a través de
la columna catiónica donde se produce el ablandamiento y posteriormente a través
de la columna aniónica donde se produce la desmineralización propiamente dicha.
El sistema que hemos seleccionado para el presente trabajo son lecho catiónico y
lecho aniónico. Si los dos intercambiadores están mezclados en una sola columna
el sistema se identifica como intercambiador de lecho mixto, arreglo que
frecuentemente es el mas utilizado. Al producirse el intercambio iónico, los catiónes
y aniones de la solución son intercambiados por iones equivalentes que están en el
intercambiador respectivo, siendo por lo tanto eléctricamente neutros.
Los principales cationes contenidos en el agua son: Calcio, Magnesio, Sodio,
potasio estos son intercambiados por iones hidrógeno, a su vez los aniones
presentes como: Bicarbonatos, Sulfatos, Cloruros, Nitratos, Sílice, Dióxido de
Carbono son intercambiados por los iones hidróxido, produciéndose de esta
manera una neutralización de los cationes de hidrógeno y de sus distintas
combinaciones, procedentes de los ácidos que se encuentran en el flujo de entrada
como en el de salida, Así como también de los iones de hidróxido, con lo cual
estamos hablando de una agua desmineralizada. Una vez que las resinas llegan a
saturarse se tiene que regenerar, tal operación se lo realiza con soluciones de
Ácido Clorhídrico al 10% para las resinas catiónicas y solución de NaOH al 4% para
las resinas aniónicas fuertes.
Se ha partido de un agua potable de 115 ppm de STD. Logrando obtener 0.4 ppm
de STD. Al final del sistema se ha logrado una eficiencia del 99 % en la operación.
16
1.2 INTRODUCCIÓN
En la desmineralización de una agua, este proceso se fundamenta
específicamente en el intercambio iónico, proceso unitario en el que los iones de
las diferentes especies en disolución desplazan los iones insolubles de un
determinado material de intercambio. El uso extendido de este proceso es
ablandamiento de aguas residuales y domésticas, en el que los iones de calcio y
magnesio presentes en estas aguas son reducidos, por lo tanto también reduce su
dureza.
Para la reducción de los sólidos totales disueltos, es necesario utilizar tanto
resinas de intercambio catiónico como resinas de intercambio aniónico.
Primeramente, el agua potable se hace circular a través de un intercambiador de
cationes, en el que los iones positivos se sustituyen por iones hidrógeno. La
muestra a tratar por intercambio catiónico se hace pasar por una resina de
intercambio aniónico, proceso en el que los iones aniónicos se sustituyen por iones
hidróxido. Por lo tanto. Los sólidos disueltos en el agua, se sustituyen por iones
hidrógeno e hidroxilo que reaccionan para formar la molécula de agua.
Los intercambiadores de iones suelen ser del tipo columna con flujo descendente.
El agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión,
circula en sentido descendente a través del lecho de resina, y se extrae por la parte
inferior. Cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo
de lavado a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a una
posterior regeneración. La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido
fuerte, como el sulfúrico o el ácido clorhídrico. El regenerador de resinas aniónicas
más comúnmente empleado es el hidróxido de sodio.
La desmineralización por intercambio iónico puede tener lugar en diferentes
columnas de intercambio dispuestas en series, también ambas resinas se pueden
mezclar en un lecho mixto. Las cargas hidráulicas del agua suelen variar entre 120
y 240 N/m y las profundidades típicas de los lechos se sitúan entre 0.60 y 2.0 m.
17
Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en
las unidades de proceso pueden taponar los lechos de intercambio iónico,
provocando grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces. La obturación de
las resinas puede producirse por la presencia de materia orgánica residual en los
efluentes de tratamientos biológicos. Antes de la desmineralización por intercambio
iónico, es necesario llevar a cabo alguna forma de tratamiento químico y de
decantación. No todos los iones disueltos se eliminan por igual; cada resina tiene
una serie selectiva.
18
1.3 OBJETIVOS
Diseñar y construir un sistema de desmineralización de lechos
múltiples para la obtención de una agua desmineralizada de excelente
calidad.
Proporcionar al Departamento de Aguas y medio Ambiente, de un
sistema de desmineralización con fines didácticos múltiples.
Proveer de un volumen de 2300 l / ciclo de agua desmineralizada, al
Laboratorio de aguas para sus múltiples necesidades, como enjuague de
recipientes, preparación de reactivos etc.
Presentar al interesado de esta temática, ya sea a nivel de estudiante o
investigador, un conjunto de pautas de lo que es el diseño y funcionamiento
de un desmineralizador de lechos múltiples.
Contribuir con el presente trabajo, a dar un paso a estudios futuros que
caminaran a la par con el avance y desarrollo científico sobre la
desmineralización.
19
CAPITULO II
GENERALIDADES
2.1 EL AGUA
2.1.1 HISTORIA
Agua, nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrógeno y
oxígeno H2O. Los antiguos filósofos consideraban el agua como un elemento
básico que representaba a todas las sustancias líquidas. Los científicos no
descartaron esta idea hasta la última mitad del siglo XVIII.
El agua es usada ampliamente en la vida diaria, se puede decir que es el recurso
natural más preciado y el más indispensable de nuestro planeta; donde la
encontramos en sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso.
La experiencia ha establecido con bastante precisión especificaciones definitivas
para satisfacer los requisitos de agua en la mayoría de las industrias; pero por
razones técnicas se debe utilizar aguas naturales que contienen siempre impurezas
El agua es un líquido incoloro e inodoro, su fórmula química es H2O (HOH) y está
compuesta de un volumen de oxígeno y dos de hidrógeno como se muestra en la
figura 2.1 el agua químicamente pura es difícil de encontrar debido a que es un
solvente universal, porque muchas substancias se disuelven en ella.
A causa de esta propiedad el agua se contamina frecuentemente con las
substancias con las que entra en contacto.
20
FIGURA 2.1 REPRESENTACIÓN DE UNA MOLÉCULA DE AGUA
(H2O)
2.1.2 PROPIEDADES
El agua pura es un líquido inodoro e insípido. Tiene un matiz azul, que sólo puede
detectarse en capas de gran profundidad. A la presión atmosférica (760 mmHg), el
punto de congelación del agua es de 0 °C y su punto de ebullición de 100 °C.
El agua alcanza su densidad máxima a una temperatura de 4 °C y se expande al
congelarse. Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre
enfriado, es decir, que puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura
esté por debajo de su punto de congelación; se puede enfriar fácilmente a unos
menos 25 °C sin que se congele.
El agua sobre enfriada se puede congelar agitándola, descendiendo más su
temperatura o añadiéndole un cristal u otra partícula de hielo.
Sus propiedades físicas se utilizan como patrones para definir, por ejemplo, escalas
de temperatura.
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA.
21
El agua es uno de los agentes ionizantes más conocidos (véase Ionización). Puesto
que todas las sustancias son de alguna manera solubles en agua, se le conoce
frecuentemente como el disolvente universal. El agua combina con ciertas sales
para formar hidratos, reacciona con los óxidos de los metales formando ácido y
actúa como catalizador en muchas reacciones químicas importantes.
Los enlaces de hidrógeno son enlaces químicos que se forman entre moléculas que
contienen un átomo de hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo (un átomo
que atrae electrones). Debido a que el átomo electronegativo atrae el par de
electrones del enlace, la molécula se polariza. Los enlaces de hidrógeno se forman
debido a que los extremos o polos negativos de las moléculas son atraídos por los
polos positivos de otras, y viceversa como se muestra en la figura 2.2. Estos
enlaces son los responsables de los altos puntos de congelación y ebullición del
agua.
FIGURA 2.2 ESQUEMA DE ENLACES DE HIDRÓGENO EN EL AGUA
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA.
22
2.1.3 ESTADO NATURAL
El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres
estados de la materia, o sea, sólido, líquido y gas. Como sólido o hielo se
encuentra en los glaciares y los casquetes polares, así como en las superficies de
agua en invierno; también en forma de nieve, granizo y escarcha, y en las nubes
formadas por cristales de hielo.
Existe en estado líquido en las nubes de lluvia formadas por gotas de agua, y en
forma de rocío en la vegetación. Además, cubre las tres cuartas partes de la
superficie terrestre en forma de pantanos, lagos, ríos, mares y océanos.
Como gas, o vapor de agua, existe en forma de niebla, vapor y nubes. El vapor
atmosférico se mide en términos de humedad relativa, que es la relación de la
cantidad de vapor de agua en el aire a una temperatura dada respecto a la máxima
que puede contener a esa temperatura.
2.1.4 CLASIFICACION DEL AGUA
El agua esta generalmente clasificada en dos grupos:
Agua de Superficie
Agua de Tierra
El agua de superficie es solo lo que el nombre implica, es agua encontrada en un
río, laguna u otras superficies, esta agua usualmente no es alta en contenido
mineral, y muchas veces se llama agua suave, aunque usualmente no lo es, el
agua superficial está expuesta a muchos y diferentes contaminantes, como
desechos animales, insecticidas, desechos industriales y muchos materiales
orgánicos. Incluso el agua de superficie encontrada en montañas posiblemente,
contiene giardia, bacterias, coliformes por las heces de animales salvajes la cual
debería ser hervida o desinfectada por algún método antes de tomarlo como se
muestra en la figura 2.3.
23
Agua de tierra se dice que es la que está atrapada debajo de la tierra, lluvias que
se filtran en la tierra, ríos que se pierden de la superficie, la nieve derretidas son
uno de los pocos de los recursos que recargan las fuentes debajo de la tierra por
las muchas fuentes de recargo algunas o todas de los contaminantes encontrados
en el agua de la superficie.
FIGURA: 2.3. CICLO NATURAL DEL AGUA
Agua pura
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA.
Manantial
24
2.2. DIFERENTES TIPOS DE AGUA
• AGUA MINERAL
Se denomina así al agua que surge naturalmente de ciertos manantiales, y que
contiene ciertas sales minerales, y otras sustancias; a las que se atribuyen efectos
benéficos sobre el cuerpo humano. El origen de la designación como “mineral” tanto
puede deberse a la naturaleza de los componentes, como a que generalmente
mana de zonas rocosas.
• AGUA PESADA
Es una forma de agua, que está compuesta por moléculas integradas por la forma
de hidrógeno denominada deuterio, con cualquier isótopo natural del oxígeno; y que
tiene ciertas propiedades especiales.
Entre ellas, la más apreciada es su efecto de desaceleración de los electrones en
los reactores atómicos, por lo cual está considerada un material de uso estratégico
y su elaboración es muy costosa y comercialización, está severamente controlada
• AGUA DESTILADA
Es el agua purificada, resultante de someter agua de origen natural, a un proceso
de evaporación y ulterior condensación (destilación), generalmente mediante un
aparato llamado “alambique”; lo que permite separarla de todas las impurezas que
contenía el líquido originario.
Para mejorar la purificación, se eliminan generalmente los volúmenes iniciales; y
también se somete a un proceso de bidestilación. No debe confundirse la
bidestilación con la destilación fraccionada; proceso éste que se utiliza para separar
en un líquido diversas sustancias que se encuentran mezcladas en él, y tienen
distintos puntos de ebullición, como se realiza principalmente para la obtención de
los diversos componentes del petróleo.
25
• AGUA POTABLE
Es aquella que, aún teniendo sustancias en solución, igualmente es apta para el
consumo humano o animal, por no ser nocivas las sustancias disueltas. Es el
resultado de un proceso de depuración, filtrado y otras operaciones; pero que no
conducen a obtener un agua químicamente pura.
• AGUA DURA
Es agua que contiene disueltas cantidades importantes de sales de calcio y
magnesio, que se combinan con el jabón formando sustancias insolubles y no
permiten que el jabón forme espuma. Existen procedimientos para depurar el agua
de esos componentes, dando lugar a las “aguas ablandadas”.
• AGUA DESIONIZADA
Es agua que para retirarle los iones libres, se ha sometido al proceso de
purificación mediante un proceso de intercambio de iones mediante una sustancia
insoluble, a fin de que los iones disueltos se combinen con moléculas de agua.
Generalmente es agua previamente destilada, que se utiliza en algunos
dispositivos, tales como los radiadores de los automóviles.
• DESALINIZACIÓN DEL AGUA
En las plantas de desalinización se elimina el componente salino del agua, bien del
agua de mar o del agua continental salobre. En la actualidad se continúa
investigando en nuevas técnicas o en el perfeccionamiento de las ya utilizadas para
desalinizar el agua.
Para satisfacer las crecientes demandas de agua dulce, especialmente en las áreas
desérticas y semidesérticas, como se aprecia en la figura 2.4.
26
FIGURA 2. 4: PLANTA DESALINIZADORA DE AGUA DE MAR
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA.
Se han desarrollado varios procesos para producir agua dulce a bajo costo. Tres de
los procesos incluyen la evaporación seguida de la condensación del vapor
resultante, y se conocen como: evaporación de múltiple efecto, destilación por
compresión de vapor y evaporación súbita. En este último método, que es el más
utilizado, se calienta el agua del mar y se introduce por medio de una bomba en
tanques de baja presión, donde el agua se evapora bruscamente. Al condensarse el
vapor se obtiene el agua pura.
La congelación es un método alternativo que se basa en los diferentes puntos de
congelación del agua dulce y del agua salada. Los cristales de hielo se separan del
agua salobre, se lavan para extraerles la sal y se derriten, convirtiéndose en agua
dulce.
27
FIGURA 2.5 DESALINIZADOR POR EVAPORACIÓN SÚBITA
En otro proceso llamado ósmosis inversa, se emplea presión para hacer pasar el
agua dulce a través de una fina membrana que impide el paso de minerales. La
ósmosis inversa sigue desarrollándose de forma intensiva. se separa en iones
positivos y negativos, que se extraen pasando una corriente eléctrica a través de
las membranas catiónicas y aniónicas
Desalinización del agua por evaporación súbita es el método más utilizado para
desalinizar el agua. El agua de mar se calienta y después se bombea a un tanque
de baja presión, donde se evapora parcialmente.
A continuación el vapor de agua se condensa y se extrae como agua pura. El
proceso se repite varias veces (aquí se muestran tres etapas). El líquido restante,
llamado salmuera, contiene una gran cantidad de sal, y a menudo se extrae y se
procesa para obtener minerales. Obsérvese que el agua de mar que entra se
utiliza para enfriar los condensadores de cada evaporador. Este diseño conserva la
energía porque el calor liberado al condensarse el vapor se utiliza para calentar la
siguiente entrada de agua de mar. Un problema importante en los proyectos de
desalinización son los costos para producir agua dulce. La mayoría de los
expertos confían en obtener mejoras sustanciales para purificar agua ligeramente
FUENTE: Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA.
28
salobre, que contiene entre 1.000 y 4.500 partes de minerales por millón, en
comparación a las 35.000 partes por millón del agua del mar. Puesto que el agua
resulta potable si contiene menos de 500 partes de sal por millón, desalinizar el
agua salobre es comparativamente más barato que desalinizar el agua del mar.
• AGUA DEL MAR.
El mar es el hábitat de una increíble cantidad de vida animal y vegetal. En realidad
se trata de una gigantesca solución de iones y otras sustancias en las que existen
tales plantas y animales. Gran parte de los constituyentes disueltos del agua de mar
son iones y muchas fuentes han demostrado que al parecer se producen sólo
pequeñas variaciones en las cantidades relativas de dichos iones. Los principales
constituyentes del agua de mar típica en gramos por kilogramos son:
TABLA 2.1
PRINCIPALES CONSTITUYENTES DEL AGUA DE MAR
Constituyentes Concentración Concentración
(Gramos /kilogramo) Constituyente (Gramos /kilogramo)
Ión sodio, Na+ 10.76 Ión cloruro, Cl- 19.353
Ión magnesio, Mg2+ 1.294 Ión sulfato SO4= 2.712
Ión calcio, Ca2+ 0.413 Ión carbonato de
Hidrógeno 0.142
Ión potasio, K+ 0.387 Ión bromuro Br- 0.067
Ión estroncio, Sr2+ 0.008 Ión fluoruro F- 0.001
Ión carbonato de Ión yoduro I- 0.00006
Ácido bórico, H3BO3 0.004
Nitrógeno, N2 0.010
Oxígeno, 02 0.007
Bióxido de carbono, CO2 0.6
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA .
29
El agua de mar contiene cerca de 3.5% por masa de iones disueltos. Como se
puede ver en la lista anterior, los iones sodio y cloruro son los predominantes, lo
que explica que el agua de mar tenga un sabor salobre. Hay muchos otros
elementos, denominados trazas, que están presentes en el agua en
concentraciones muy pequeñas. Cuando se evapora una muestra de agua de mar,
se recupera una mezcla de compuestos iónicos.
La salinidad del agua de mar, tal como la definen los oceanógrafos, es la masa en
gramos de los sólidos en un kilogramo de agua de mar evaporada a una masa
constante, a cuatrocientos ochenta grados centígrados. Puesto que las cantidades
relativas de las substancias disueltas es algo variable, la salinidad del agua de mar
se puede relacionar directamente con la clorinidad de dicha agua. La clorinidad se
define como el número de gramos de ión cloruro, ión bromuro y ión yoduro que
contiene un kilogramo de agua de mar. En la determinación experimental de la
clorinidad, los iones bromuro y los yoduro se substituyen por iones cloro para los
cálculos que se deben hacer. La relación que se ha observado experimentalmente
entre la salinidad y la clorinidad es:
Salinidad (gramos por Kg. de agua de mar) = 1.805 clorinidad (gramos por Kg. de
agua de mar) + 0.030. Algunos de los principales constituyentes del agua de mar se
extraen con fines comerciales; se obtienen millones de toneladas de sal (NaCl) del
mar mediante la evaporación solar. También, cada año se obtienen más de cien
mil toneladas de bromo del mar utilizando el cloro para convertir el ión bromuro en
bromo:
CI2 + 2 Br. 2 CI + Br2 (bromo)
• AGUA DE LAGOS Y RIOS.
El agua de mar tiene una salinidad relativamente constante; pero las aguas de ríos
y lagos tienen composiciones variables. Esto es posible ya que tanto unos como
otros a menudo contienen agua que ha estado en contacto con varias formaciones
geológicas.
30
Este líquido puede haber fluido a grandes o cortas distancias sobre la tierra, pudo
haber disuelto minerales y substancias de vida vegetal en descomposición a lo
largo de su recorrido y, además, pueden contener materiales descargados por los
seres humanos.
Existen algunos lagos que se sabe que son salados, ya que han acumulado
grandes cantidades de sales minerales disueltas. Exceptuando el agua de los lagos
salados, las aguas naturales de lagos y ríos no son saladas y se conocen con el
nombre de agua dulce. Existen muchas otras substancias presentes en el agua de
lagos y ríos. Puesto que el agua superficial, junto con la de los pozos, sirve para
uso y consumo públicos, se han establecido normas químicas a nivel nacional para
el agua potable.
TABLA 2.2
PRINCIPALES CONSTITUYENTES DEL AGUA POTABLE
Especies químicas Máximas concentración permisible
en mg / l (ppm)
Arsénico (Iónico) 0.05
Ión bario 1.0
Ión cadmio 0.01
Ión cloruro 250
Cromo (iónico) 0.05
Cobre (iónico) 1.5
Ión cianuro 0.0
Ión fluoruro sobre 2.0
Hierro (iónico) 0.8
Plomo (iónico) 0.05
Sulfonato de alquilo lineal 0.5
Magnesio (iónico) 0.05
Ión nitrato más ión nitrito 10 es N
Selenio (iónico) 0.01
Ión plata 0.05
Ión sulfato 200
Comptos. Orgánicos 0.15
Total sólidos disueltos 1000
Ión Zing 5
FUENTE: “Agua” Enciclopedia Encarta 2006 Microsoft USA .
31
• AGUAS RESIDUALES
Conjunto de las aguas que son contaminadas durante su empleo en actividades
realizadas por las personas.
Las labores domésticas contaminan el agua, sobre todo, con residuos fecales y
detergentes. Los trabajos agrícolas y ganaderos pueden producir una
contaminación muy grave de las aguas de los ríos y los acuíferos. Los principales
causantes son los vertidos de aguas cargadas de residuos orgánicos, procedentes
de las labores de transformación de productos vegetales, o de los excrementos de
los animales.
Otra fuente de contaminación de las aguas son las industrias. Muchas de ellas,
como la papelera, textil y siderúrgica, necesitan agua para desarrollar su actividad.
La consecuencia es el vertido de aguas residuales cargadas de materia orgánica,
metales, aceites industriales e incluso radiactividad. Para evitar los problemas que
pueden causar los contaminantes de las aguas residuales existen sistemas de
depuración que sirven para devolverles las características físicas y químicas
originales.
2.21. EL AGUA Y SUS IMPUREZAS
El agua tal como se presenta en la naturaleza siempre tiene impurezas, en la forma
de Sólidos suspendidos, sólidos disueltos y gases disueltos.
Las impurezas más comunes son las que se detallan a continuación.
a ) SÓLIDOS SUSPENDIDOS
Son aquellos que no se disuelven en el agua y que pueden ser removidos o
separados por filtración.
32
b ) SÓLIDOS DISUELTOS
Son aquellos que generalmente se disuelven en el agua y que por lo tanto no
pueden ser removidos por filtración ej. Cloruros, sulfatos, etc.
c ) GASES DISUELTOS
Pueden disolverse en el agua pero a menos que ellos se combinen químicamente
con otras impurezas disueltas, los gases son expulsados del agua durante el
proceso de ebullición y por lo tanto no se lo considera como sólidos disueltos
d ) TURBIDEZ
Es el material suspendido que interfiere en el paso de la luz. La turbidez causa las
siguientes dificultades:
• Formación de depósitos en tuberías de calderas, sistemas de enfriamiento, etc.
• Bloqueo y contaminación de resinas de intercambio iónico disminuyéndoles capacidad.
• Causa espuma en calderas, limitando los ciclos de concentración por sólidos suspendidos.
La turbidez se expresa en unidades de J.T.U. (Jackson Turbidity Units) y N.T.U.
(Nefererometric Turbidity Units).
33
e ) COLOR
Se debe a compuestos inorgánicos complejos resultantes de la descomposición
material vegetal. El color causa las siguientes dificultades:
Produce espuma en calderas y arrastre de sólidos en el vapor.
Bloquea resinas iónicas disminuyendo su capacidad de
intercambio. Interfiere en la fabricación de productos.
Por ser nutriente orgánico favorece el crecimiento de microorganismos en
torres de enfriamiento.
Puede manchar y reducir la efectividad de ciertos inhibidores de corrosión.
Las unidades de color se expresa en U.C. base platino
f ) DUREZA
Es una medida del contenido de sales de calcio (Ca++) y magnesio (Mg++) presentes
en el agua, la dureza causa los siguientes problemas:
Principal fuente de formación de incrustaciones en tuberías y equipos.
Altos valores de dureza en el agua encarecen el tratamiento
Las unidades de dureza se expresan en mg/l de carbonato de calcio (CaCO3)
g ) ALCALINIDAD Es la capacidad que tiene el agua para neutralizar ácidos en presencia de
carbonatos (CO3=), hidróxidos (OH-), bicarbonatos (HCO3
=) es la causa más común
de la alcalinidad de las aguas naturales. Se expresa como carbonato de calcio.
34
h ) SÍLICE
Se presenta en forma soluble, o en suspensión coloidal. Se debe a arcillas o a
silicatos presentes en el agua
Los problemas que ocasiona la sílice son:
Disminuye la eficiencia del intercambio de calor.
Incrustaciones menos frecuentes, en sistemas de enfriamiento, en forma
de Silicatos
I ) HIERRO
Está presente en el agua como consecuencia de corrosión. En sistema de generación
de vapor se produce más que todo por corrosión de equipos que manejan los
condensados. El hierro en la forma de óxido se deposita en la caldera,
constituyéndose en una de las mayores causas de la ruptura de tubos. Su presencia
en la caldera se evita controlando la corrosión en el sistema de retorno de
condensados y/o removiéndolos del condensado.
j ) OXÍGENO DISUELTO
El oxígeno disuelto corroe los tubos de caldera y el sistema de retorno de condensado
etc., La remoción del oxígeno se lo hace por deareación térmica, sulfato de sodio o
hidracina.
35
k ) DIÓXIDO DE CARBONO LIBRE
Está presente en el agua en forma de gas. Su presencia se debe a la descomposición
de materia orgánica, actividad biológica, o al dióxido de carbono presente en la
atmósfera. Los problemas que causa es la comunicación de tendencia corrosiva al
agua.
2.3 CONCEPTOS TEÓRICOS DE DESMINERALIZACIÓN E
INTERCAMBIO IÓNICO
La desmineralización consiste en la conversión de sales presentes en el agua a sus
respectivos ácidos por intercambio de cationes de hidrógeno y la eliminación de
estos ácidos por medio de intercambiadores aniónicos dando como producto final
una agua desmineralizada la cual es el resultado de la neutralización de los cationes
de hidrógeno y aniones hidroxilo. Los principios de desmineralización del agua son
idénticos a los de ablandamiento, esta operación fue una de las primeras
aplicaciones del intercambio iónico y actualmente es una de las principales
aplicaciones.
Los principios básicos del intercambio iónico no han cambiado, pero como se
indicó anteriormente, los materiales usados han mejorado mucho. Las resinas de
mayor aplicación son las de poli estireno con grupos sulfónicos, esta resina tiene
elevada capacidad, excelente estabilidad y mediana selectividad para iones
distintos del Ca++ y Mg++ que normalmente están presentes en las aguas
naturales.
Las únicas diferencias son: se utilizan resinas catiónicas y aniónicas
simultáneamente y las resinas están en las formas ácidas y básicas
respectivamente. Al utilizar resinas en las formas ácida y básica, los iones liberados
son hidrógeno e hidroxilo respectivamente.
36
2.3.1 INTERCAMBIO IÓNICO
2.3.1.1 FUNDAMENTO
Este proceso consiste en aprovechar la capacidad que tiene las resinas de
intercambiar iones entre una fase sólida y una fase líquida en forma reversible, es
decir que regresa a su estado original y sin cambio permanente en la estructura del
sólido.
Generalmente, la gran utilidad del intercambio iónico descansa en el hecho de usar
una y otra vez los materiales de intercambio iónico puesto que el material
intercambiador puede ser regenerado ya que el cambio que sufre en la “fase de
operación” no es permanente.
Las resinas de intercambio iónico están constituidas de dos partes principales: una
parte estructural (matriz polimérica) y una parte funcional, que comprende el grupo
iónico activo que tiene, a su vez un ión fijo y un ión móvil.
La parte de los intercambiadores iónicos comerciales son de material plástico
sintético, como polímeros de estireno y divinil benceno. Los intercambiadores
iónicos para el tratamiento de agua son: en esencia insoluble y su vida útil esperada
es de 5 a10 años.
Para ser útil un material de intercambio iónico debe reunir cierto número de
requerimientos básicos, mucho de los cuales están interrelacionados de tal manera
que no es posible cambiar uno sin alterar el otro.
El intercambiador debe tener una “alta capacidad total”, es decir que tenga
un grado de sustitución iónica bastante elevado.
La resina debe estar “químicamente estructurada” como para manifestar
buenas características de equilibrio al manejar solutos. La resina debe
estar diseñada para operar en un rango adecuado de pH y tener un grado
suficiente de selectividad.
37
Sus propiedades cinéticas (determinado por sus grupos funcionales y por su
estructura reticular) deben ser tales que la resina mantenga una alta capacidad
operativa.
La resina debe ser extremadamente insoluble ya que de lo contrario el
producto sería alterado en calidad.
Debe tener una buena estabilidad química, esto es resistencia a los ataques
de ácidos y bases, oxidación, reducción o radiación.
Es necesario también una buena estabilidad física, las fuerzas impuestas a
una resina provienen de la presión hidráulica, presión osmótica, que resulta
de los cambios de volúmenes causados por los cambios electrolíticos y de la
concentración de los electrolitos y fuerzas puramente mecánica.
Es muy importante que la resina debe estar disponible a un precio tal que haga
rentable el proceso.
El intercambio iónico tiene una capacidad limitada para almacenar iones en su
estructura, llamada capacidad de intercambio; en virtud de esto, llegará finalmente
a saturarse con iones indeseables. Entonces se lava con una solución fuertemente
regenerante que contiene iones deseables, los mismos que sustituyen a los iones
indeseables acumulados, dejando al material en condiciones útiles de operación.
Esta operación es un proceso químico cíclico, y el ciclo completo incluye de
ordinario retrolavado regeneración, enjuagado y servicio.
38
2.3.2. COMO FUNCIONAN LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS 2.3.2.1. REACCIÓN DE INTERCAMBIO IÓNICO
Los intercambiadores iónicos son matrices sólidas que contienen sitios activos
(también llamados grupos ionogénicos) con carga electroestática, positiva o
negativa, neutralizada por un ión de carga opuesta (contraión). En estos sitios
activos tiene lugar la reacción de intercambio iónico. Esta reacción se puede ilustrar
con la siguiente ecuación tomando como ejemplo el intercambio entre el ión sodio,
Na+, que se encuentra en los sitios activos de la matriz R, y el ión calcio, Ca2+,
presente en la disolución que contacta dicha matriz.
FIGURA 2.6: REPRESENTACION DE LOS SITIOS ACTIVOS DE UNA
. RESINA .
FUENTE: http/www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico.
A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha
disolución desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La
eficiencia de este proceso depende de factores como la afinidad de la resina
39
por un ión en particular, el pH de la disolución, si el grupo activo tiene carácter
ácido o básico, la concentración de iones o la temperatura etc. Es obvio que para
que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la
resina y viceversa.
Este movimiento se conoce como proceso de difusión como se puede apreciar en la
figura 2.7. La difusión de un ión está en función de su dimensión, carga
electroestática, la temperatura y también está influenciada por la estructura y
tamaño de poro de la matriz. El proceso de difusión tiene lugar entre zonas de
distinta concentración de iones, de más concentrado a menos, hasta que tengan la
misma concentración.
FIGURA 2. 7 PROCESO DE DIFUSION DE UNA RESINA
FUENTE: http/www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
40
2.3.3 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LOS INTERCAMBIOS
IÓNICOS 2.3.3.1 CAPACIDAD DE INTERCAMBIO Se define como la cantidad de iones que una resina puede intercambiar en
determinadas condiciones experimentales. Depende del tipo de grupo activo y del
grado de entrecruzamiento de la matriz y se expresa en equivalentes por litro de
resina, o por gramo. (Un equivalente es el peso molecular en gramos del
compuesto dividido por su carga eléctrica).
2.3.3.2.- CAPACIDAD ESPECÍFICA TEÓRICA
Se denomina así al número máximo de sitios activos del intercambiador por gramo.
Este valor suele ser mayor que la capacidad de intercambio, ya que no todos los
sitios activos son accesibles a los iones en disolución
2.3.3.3.- SELECTIVIDAD
Propiedad de los intercambiadores iónicos por la que un intercambiador muestra
mayor afinidad por un ión que por otro. La selectividad de una resina por un ión
determinado se mide con el coeficiente de la selectividad K, depende de las
interacciones electroestáticas que se establezcan entre el ión y el intercambiador y
de la formación de enlaces con el grupo ionogénico.
La regla principal es que un intercambiador preferirá aquellos iones con los que
forme los enlaces más fuertes. La estructura de poro y la elasticidad del
intercambiador también influye en su selectividad, como ocurre con las zeolitas. Su
estructura de poro rígida les permite actuar como tamices moleculares, impidiendo
la entrada de ciertos iones sencillamente por su tamaño.
41
2.3.4. ¿CÓMO SE TRABAJA CON LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS?
2.3.4.1. TÉCNICAS GENERALES
El tratamiento de una disolución con un intercambiador iónico se puede llevar a
cabo mediante dos configuraciones distintas, en discontinuo o en columna.
2.3.4.2. INTERCAMBIO IÓNICO EN DISCONTÍNUO
En las operaciones en discontinuo, se mezcla el intercambiador y la disolución en
un recipiente hasta que el intercambio de iones alcanza el equilibrio.
Esta configuración no puede aplicarse para devolver el intercambiador a su forma
iónica original, ya que el proceso de regeneración en discontinuo no es
químicamente eficiente. Es necesario recuperar el intercambiador por decantación y
transferirlo a una columna para proceder a su regeneración. Este método, a pesar
de ser muy eficiente, tiene pocas aplicaciones industriales.
2.3.4.3 APLICACIONES EN DISCONTÍNUO DE RESINAS DE INTERCAMBIO
2.3.4.3.1. INTERCAMBIO IÓNICO EN COLUMNA
Esta configuración es la que se emplea más a menudo en los procesos de
intercambio iónico. El intercambiador se coloca en el interior de una columna
vertical, a través de la cual fluye la disolución a tratar.
El proceso global consta de varias etapas que a continuación describiremos
brevemente.
2.3.4.4. ETAPAS DEL PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO EN COLUMNA 2.3.4.4.1. EMPAQUETAMIENTO DE LA COLUMNA
Consiste en introducir el intercambiador en el interior de la columna evitando la
formación de bolsas de aire entre sus partículas para así obtener un lecho uniforme.
42
Esta operación se realiza habitualmente lavando el intercambiador con agua
destilada, que además resulta útil para eliminar posibles impurezas y para provocar
el fenómeno de swelling. El swelling puede causar graves problemas si tiene lugar
una vez que el intercambiador se encuentra confinado en la columna y no se ha
dejado espacio suficiente para alojarlo una vez que ha incrementado su volumen.
2.3.4.4.2. ACONDICIONAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR
Muchas resinas comerciales se venden en una forma iónica que puede no ser la
adecuada para el tratamiento que se desea realizar. Por ejemplo, una resina básica
fuerte que tenga como contraión un grupo OH_ y que, por necesidades del proceso,
sea deseable tener un ión Cl-. En la etapa de acondicionamiento se procede a
cambiar el contraión de la resina poniéndola en contacto con una disolución
concentrada del ión que se desea tener. Una vez que se ha conseguido este
objetivo y la resina está en la forma iónica deseada, debe eliminarse el exceso de
esta disolución lavando la resina con agua destilada.
2.3.4.4.3. ETAPA DE CARGA
En esta etapa tiene lugar el intercambio de iones entre la disolución a tratar y el
intercambiador. La disolución a tratar se introduce en la columna y fluye
gradualmente a través del intercambiador.
Las condiciones de operación (velocidad de flujo, pH de la disolución etc.)
dependerán del tipo de intercambiador utilizado, y es importante optimizarlas para
obtener un buen rendimiento en cuanto a capacidad y selectividad. Cuando el
intercambiador comienza a estar saturado con los iones de la disolución que entra,
se observa un aumento de la concentración de dichos iones en la disolución que
sale de la columna.
Esta descarga de iones se conoce como breakthrough, e indica que el tratamiento
de la disolución por el intercambiador ya no está siendo efectivo. Una vez que la
concentración de estos iones en la disolución de salida iguala a la concentración de
entrada, el intercambiador ha agotado toda su capacidad de intercambio en las
condiciones de operación.
43
FIGURA 2.8 RETENCIÓN DE COBRE MEDIANTE LA RESINA QUELATANTE
FUENTE: http/www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico 2.3.4.4.4. ETAPA DE REGENERACIÓN
La etapa de regeneración consiste en devolver el intercambiador saturado a su
forma iónica inicial, empleando una disolución concentrada en el ión originalmente
asociado al intercambiador (por ejemplo, un ácido mineral para una resina ácida
fuerte). Esta etapa es importante en el proceso de intercambio iónico ya que el
buen funcionamiento del intercambiador en sucesivos procesos de carga depende
de una regeneración eficiente.
Para obtener el máximo rendimiento de esta etapa es importante optimizar
parámetros como la concentración y volumen de disolución regenerante así como la
velocidad de flujo.
2.3.4.4.5 LA REGENERACIÓN TIENE DOS INCONVENIENTES IMPORTANTES
El gasto económico en regenerante. Puede reducirse reutilizándolo hasta
que pierda su eficiencia aunque esta opción tampoco es del todo económica
ya que implica establecer unas condiciones para su almacenaje.
44
La generación de residuos, ya que después de regenerar el intercambiador
se obtienen disoluciones altamente ácidas o básicas generalmente muy
concentradas en metales que deben ser tratadas o eliminadas.
2.3.4.4.6 MODOS DE OPERACIÓN EN EL INTERCAMBIO IÓNICO EN
COLUMNA
En los procesos de intercambio iónico en columna se puede trabajar de dos modos:
Las disoluciones de carga y de regeneración se introducen siempre por la
parte superior de la columna. Ver la figura 2.9.
FIGURA 2.9: ESQUEMAS DE LAS ENTRADAS DE CARGA Y
REGENERANTES
FUENTE: http/www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
El regenerante se introduce en dirección opuesta a la disolución de carga,
es decir, por la parte inferior de la columna. Este proceso se denomina,
proceso a contracorriente.
45
FIGURA 2.10: REGENERACIÓN A CONTRACORRIENTE
FUENTE: http/www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
El procedimiento más habitual es el primero, ya que supone un equipamiento más
barato que el segundo. No obstante, este modo de operación utiliza el regenerante
menos eficientemente que el proceso en contracorriente. En éste, al pasar el
regenerante de abajo hacia arriba, se fluidiza el lecho de intercambiador, de manera
que se aumenta la superficie de contacto, la regeneración es más rápida y se
necesita menos volumen de regenerante.
2.3.5. LAS VENTAJAS DEL PROCESO IÓNICO EN EL TRATAMIENTO DE
AGUAS SON LAS SIGUIENTES:
Se adapta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de
las impurezas iónicas son relativamente bajas.
Las resinas actuales tienen altas capacidades de intercambio que permiten
conseguir procesos compactos requiriendo inversiones moderadas.
Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil
regeneración.
46
Las instalaciones pueden ser automáticas o manuales para adaptarse a las
condiciones específicas. La capacidad teórica de intercambio de una resina
es la cantidad de grupos ionogénicos por unidad de peso o de volumen.
Dado que las resinas se hinchan y contraen según la forma iónica, la referencia al
peso es mucho más constante, pero se suele usar la capacidad volumétrica de la
forma completamente hinchada, expresada en meq/litro. La capacidad aparente es
un valor práctico que indica cuántos iones de la solución pueden ser captados
realmente bajo las condiciones específicas de operación.
La capacidad aparente de una resina catiónica para el Na+ por ejemplo, depende
del pH de la solución, de la concentración de Na+ en la solución y del nivel de
regeneración o volumen de regenerante empleado. Pero, además, situada en el
recipiente de intercambio, dependerá de la fuga de ión Na+ que se considere
admisible.
Es importante considerar que los vertidos de la regeneración son corrosivos y en
general, aún después de mezclarlos, se precisará una neutralización previa al envío
del efluente como vertido.
2.3.6. APLICACIONES DE LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS EN LA INDUSTRIA
Además de su clásica aplicación en tratamiento de aguas, la tecnología de
intercambio iónico se aplica a distintos procesos dentro de la industria, como
purificación, catálisis, recuperación de metales valiosos, etc. A continuación se
describen brevemente estas áreas de aplicación de los intercambiadores iónicos
47
2.3.6.1. TRATAMIENTO DE AGUAS 2.3.6.1.1. ELIMINACIÓN DE LA DUREZA DEL AGUA
El paso del agua por rocas sedimentarias como la piedra caliza, provoca que dos
de los iones más comunes en aguas naturales sean el calcio y el magnesio. Estos
cationes divalentes cuando se encuentran en altas concentraciones son los
responsables de la dureza del agua. El empleo de agua dura tanto para usos
domésticos como industriales, provoca problemas de formación de depósitos e
incrustaciones y dificulta la acción de los detergentes, ya que se forman espumas y
precipitados que reducen su eficiencia.
Las zeolitas se utilizan en la eliminación de la dureza de aguas domésticas e
industriales por su capacidad de intercambiar los iones calcio y magnesio presentes
en el agua por iones sodio alojados en su estructura. Por esta misma razón, estos
minerales han reemplazado a los fosfatos en la composición de los detergentes,
precisamente para mejorar su efectividad al secuestrar los iones calcio y magnesio
del agua. El 80% de la producción de zeolitas se emplea en esta aplicación.
Además, el uso de zeolitas naturales tiene la ventaja de ser compatible con
medidas de protección del medio ambiente.
En la eliminación de la dureza del agua también se emplean intercambiadores
iónicos más versátiles como carbón sulfonado, resinas sulfonadas de fenol-
formaldehído y, en los últimos años resinas de poli estireno sulfonado. En las aguas
naturales también hay una pequeña fracción de iones hierro y manganeso, cuya
presencia es indeseable ya que pueden manchar los tejidos, formar depósitos en
tuberías, tanques u otros elementos, así como inducir su corrosión. Estos iones
pueden eliminarse mediante intercambio iónico, pero este proceso tiene ciertas
limitaciones ya que ambos iones pueden precipitar en la superficie de la resina.
2.3.6.1.2 ALCALINIDAD DEL AGUA
En el agua también se encuentran distintos aniones como bicarbonato, carbonato,
hidróxidos, cloruro, sulfato, fluoruro, fosfatos etc. Los tres primeros son los
responsables de la alcalinidad del agua, que no es más que la capacidad que
48
tiene el agua de neutralizar ácidos. Es decir, un agua altamente alcalina será capaz
de aceptar muchos iones hidrógeno antes de que su pH empiece a descender. La
alcalinidad se expresa en términos de mg/l de carbonato de calcio
El agua altamente alcalina tiene un sabor amargo. En la industria, la alcalinidad es
un problema cuando se emplea agua hirviendo, ya que el vapor de agua es rico en
CO2 que al condensarse forma ácido carbónico capaz de atacar el metal de las
conducciones. Para eliminar los aniones responsables de la alcalinidad del agua se
utilizan resinas aniónicas de intercambio, generalmente en forma cloruro, de modo
que se intercambian los aniones del agua por el cloruro de la resina. Otro proceso
posible es emplear una resina débilmente ácida.
2.3.6.1.3. ELIMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA
Es habitual encontrar en aguas superficiales cierta cantidad de ácidos orgánicos,
como ácidos húmicos o taninos. La presencia de esta materia orgánica en el agua
para uso doméstico puede conferirle olor, color y un sabor desagradable, pero el
interés en eliminar estos compuestos radica en su tendencia a convertirse en
trihalometanos cuando se procede a la cloración del agua. Estas sustancias
pueden eliminarse empleando resinas aniónicas de intercambio en forma cloruro,
especialmente resinas acrílicas.
2.3.6.1.4. ELIMINACIÓN DE NITRATOS
El uso excesivo de fertilizantes, el estiércol y los efluentes procedentes de
explotaciones ganaderas son los responsables de la contaminación del agua por el
anión nitrato NO3 La presencia de cantidades elevadas de este anión en el agua
potable pueden provocar graves problemas en bebes menores de 6 meses
(síndrome del niño azul). La eliminación de este anión se puede realizar mediante
resinas de intercambio aniónico en forma cloruro.
2.3.6.1.5. ELIMINACIÓN DEL IÓN AMONIO
Las aguas residuales vertidas por industrias, redes de alcantarillado y producidas
en procesos agrícolas y ganaderos son las responsables de la presencia del ión
amonio en lagos, ríos y, a la larga, en pozos de agua potable. La presencia de
49
amonio en el agua reduce la concentración de oxígeno disuelto necesario para la
vida acuática y acelera la corrosión de metales y materiales de construcción.
Para la eliminación de amonio mediante intercambio iónico, además de las resinas
catiónicas convencionales, se emplean también intercambiadores iónicos
inorgánicos. Las zeolitas, por su selectividad a este catión, son el material de
elección en la fabricación de filtros para eliminar amonio del agua, tanto en
piscifactorías como en acuarios.
2.3.6.1.6. DESIONIZACIÓN DEL AGUA
El agua desionizada es un ingrediente esencial en aplicaciones médicas,
laboratorios, en la industria farmacéutica, cosméticos, microelectrónica...etc.
El proceso de desionización del agua consiste en reducir la concentración de iones
presentes en ella a niveles muy bajos, proceso que puede llevarse a cabo mediante
intercambio iónico.
En este proceso se emplea una resina catiónica de intercambio para eliminar los
cationes (sodio, calcio, magnesio, etc.) y dos resinas aniónicas, una básica débil
que absorberá los ácidos fuertes y otra básica fuerte para intercambiar los aniones
(cloruro, sulfato, bicarbonato etc.).
Como la concentración de iones en el agua determina su capacidad de conducir la
electricidad, la efectividad del proceso de ionización se determina midiendo los
parámetros resistividad o conductividad.
2.3.6.1.7. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA.
Los intercambiadores iónicos y resinas adsorbentes se utilizan ampliamente en la
industria farmacéutica en aplicaciones muy diversas que pueden agruparse en las
siguientes categorías.
Se emplean resinas de intercambio en la recuperación y purificación de diversos
productos, como antibióticos, vitaminas, enzimas, proteínas. Este proceso sustituye
a la tecnología tradicional, que utilizaba la extracción con disolventes.
50
Como excipientes en la formulación de fármacos, para enmascarar el mal sabor del
principio activo, estabilizar el fármaco y acelerar la desintegración de la pastilla
después de su ingestión.
Dosificación controlada de fármacos: El intercambiador iónico libera lentamente el
fármaco alojado en su matriz polimérica.
Algunas resinas de intercambio iónico han demostrado tener actividad terapéutica,
y se aplican en la reducción de colesterol en sangre, para adsorber sales biliares,
etc.
2.3.6.1.8. AGRICULTURA
El fenómeno de intercambio iónico es básico en la agricultura, ya que tiene un
importante papel en la absorción de nutrientes por parte de las plantas. De hecho,
el suelo es un gran sistema intercambiador de iones, con capacidad para calcio,
magnesio, potasio, amonio, nitratos y fosfatos. Las zeolitas se han aplicado para
controlar la liberación de nutrientes al suelo agrícola, ya que tienen la ventaja que
sustituyen a los fertilizantes solubles que pueden contaminar el agua y además que
impiden la pérdida de nutrientes por disolución. También se emplean para retener la
humedad del suelo y para elevar el pH en suelos ácidos.
2.3.7. TIPOS DE PROCESOS DE INTERCAMBIO IÓNICO.
En la actualidad se identifican dentro del campo industrial dos procesos de
intercambio iónico, de acuerdo al elemento intercambiador ya sea sodio o
hidrógeno.
2.3.8. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO TIPO SODIO
El ablandamiento con zeolita es el proceso de intercambio iónico mas antiguo y
mas simple. Elimina la dureza del agua, incluyendo el hierro y el manganeso si
estos constituyentes pueden mantenerse en forma iónica reducida. Cuando el
lecho intercambiador de iones está saturado con los constituyentes de dureza, el
intercambiador se regenera con una salmuera de cloruro de sodio.
51
Durante la etapa de procesamiento la corrida de ablandamiento puede variar la
dureza del agua y también puede cambiar la velocidad del flujo a través del
sistema, aunque el lecho continúa operando de manera efectiva en la producción
de agua blanda.
El término proceso a la zeolita se afianzó definitivamente tanto en la práctica como
en la literatura técnica. Otros términos que también se hicieron de uso común en
conexión con estos procesos, fueron el intercambio básico, usado en describir las
reacciones y agua cero dureza para describir el efluente producido por estos
procesos.
Todas las zeolitas sódicas y otros materiales silicosos que tienen estas
propiedades de intercambio de sodio, son obviamente intercambiadores catiónicos
sódicos, pero no todos los intercambiadores catiónicos sódicos son zeolitas, ni
tienen necesariamente naturaleza silicosa. De hecho, los intercambiadores
catiónicos modernos más usados no son zeolitas ni son de carácter mineral, si no
que son compuestos orgánicos sulfonados que se pueden usar tanto en el ciclo
sódico como en el de hidrógeno. El nombre de zeolitas deriva de dos palabras
griegas zein + lithos que significa “piedra hirviente”.
2.3.8.1. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN CICLO SODIO
2.3.8.1.1. CICLO DE SERVICIO Y AGOTAMIENTO Cuando el agua dura se pasas a través de un lecho de un intercambiador catiónico,
el magnesio, calcio se fijan en el intercambiador catiónico, el que transfiere a la
solución una cantidad equivalente de sodio. Usando el símbolo R para el radical
intercambiador, las reacciones de ablandamiento son:
Ca - 2HCO3 R - Ca 2NaHCO3 Mg SO4 + Na2R Mg + Na2SO4
2Cl 2NaCl
Calcio Bicarbonato Intercambiador Calcio Bicarbonato de sodio y/o Intercambiador catiónico y/o sulfato de sodio Magnesio Sulfato catiónico Magnesio Cloruro de sodio Sódico Cloruro
52
En un intercambiador ciclo sodio, el agua suavizada presenta fugas de dureza y
estas dependen principalmente de la dureza del agua cruda, concentración de
sodio y la calidad de la regeneración.
Durante el ciclo de servicio el agua entra al suavizador por la parte superior a través
de un distribuidor, pasa por el lecho de resina y sale por la parte inferior como agua
suavizada. El flujo al suavizador debe ser lo más constante posible e igualmente
deben ser evitadas operaciones de arranque y paradas bruscas.
El ciclo de suavización es más eficiente a velocidades de flujo de seis a ocho GPM /
pie2 de área de resina. La operación del suavizador por arriba de esta condición
produce caminos preferenciales, compactación del lecho y fugas de dureza. La
operación del suavizador por debajo de seis a ocho GPM / pie2 de área de resina
causa dificultades tales como disminución de la capacidad de intercambio y fugas
de dureza. Esto es debido al bajo flujo, ya que el agua no es forzada a pasar por el
lecho para asegurar un óptimo contacto resina – agua y el intercambio completo no
ocurre.
Concluido el ciclo de suavización, por agotamiento de la resina, la unidad debe ser
sacada de servicio y proceder a la regeneración.
2.3.8.1. 2. CICLO DE REGENERACIÓN
La resina agotada es tratada con una solución de cloruro de sodio (Salmuera) con
una concentración de aproximadamente 10 % para que el sodio pueda remover el
calcio y magnesio de la resina agotada.
El proceso de regeneración es realizado de acuerdo a la siguiente ecuación:
R – Ca + 2NaCl Na2 R + CaCl2
Mg MgCl2
Interc. Calcio Cloruro Intercambiado Cloruro de Sodio Catiónico y/o de catiónico Cloruro de Magnesio
Magnesio Sodio sódico
INSOLUBLE SOLUBLE INSOLUBLE SOLUBLE
53
El ciclo de regeneración, el cual regenera la resina agotada, se realiza en cuatro
pasos: (retrolavado, regeneración, lavado lento, y lavado rápido).
2.3.8.1.3. RETROLAVADO
EL retrolavado es el primer paso de la regeneración y consiste en introducir agua
cruda por la parte inferior del lecho, para remover el material suspendido y aflojar el
lecho de resina. Normalmente se realiza en 10 minutos o cuando el agua de
retrolavado se torne clara. El flujo de agua de retrolavado debe producir una
expansión del lecho no mayor del 50% de su volumen para evitar pérdidas de
resina.
2.3.8.1.4. ETAPA DE REGENERACIÓN
La etapa de regeneración propiamente dicha consiste en pasar el regenerante por la parte superior del lecho, al 10% de concentración y a un flujo de 0.5 a 1.0 GPM/
pie3 de resina para asegurarse un adecuado tiempo de contacto y eficiencia de la
regeneración.
2.3.8.1.4.1 LAVADO LENTO
Este es el próximo paso a seguir, el agua permite desplazar el remanente de
salmuera hacia la parte inferior del lecho al mismo flujo de la regeneración. Esto
permite una completa regeneración debido a que se asegura el contacto con la
parte inferior del lecho.
2.3.8.1.4.2 LAVADO RÁPIDO
Finalizado el lavado lento se inicia el lavado rápido para remover el residuo de sal
del lecho de resina y se realiza a una rata de flujo de 1,5 GPM / pie3 de resina.
Generalmente, la unidad retorna al servicio cuando el contenido de cloruro del
efluente es igual al del influente.
54
La frecuencia de la regeneración depende del caudal de agua suavizada, del
contenido de calcio y magnesio en el agua cruda, de la cantidad de resina y de la
cantidad de sal usada por regeneración.
2.3.8.2 INTERCAMBIADORES CATIÓNICOS CICLO HIDRÓGENO
El desarrollo de materiales para intercambio iónico que podrían regenerarse con
ácido para intercambiar iones hidrógeno por cationes en el agua proporciona el
primer proceso químico práctico para la eliminación de sodio, potasio y amoniaco,
cuyas sales son solubles en grado extremo. Ya sean dado las reacciones
generalizadas para el intercambio del ciclo de hidrógeno. El efluente es ácido,
contiene CO2 equivalente a la alcalinidad entrante, y sustancialmente todos los
cationes en el influente han sido intercambiados por hidrógeno, salvo los que se
han fugado. La fuerte acidez del agua tratada debe ser corregida con el propósito
de suministrar un agua satisfactoria para casi cualquier uso convencional. Es fácil
eliminar el CO2 correspondiente a la composición típica de la atmósfera es menor
que 1 mg/l.
2.3.8.2.1 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN En el proceso de intercambio catiónico ciclo hidrógeno, los iones de calcio,
magnesio y sodio son intercambiados por hidrógeno.
El resultado neto es que los iones de calcio, magnesio y también sodio son
removidos del agua, la cantidad teórica de ácido carbónico formada de los
bicarbonatos se descompone en CO2 y agua y que las cantidades de ácido
clorhídrico que corresponden a los cloruros presentes en el agua cruda, se
encuentran en el efluente.
En este proceso de intercambio, la regeneración se efectúa con una solución de
ácido mineral, los ácidos más comúnmente utilizados son el sulfúrico y el clorhídrico
su selección depende de consideraciones económicas.
Aunque es posible obtener algunos iones hidrógeno reemplazable con las zeolitas
sílicas en el ciclo hidrógeno, su uso no es práctico ya que son destruidas por el
55
ataque del ácido. Al regenerarlos con un ácido, se convierten en intercambiadores
ciclo hidrógeno.
2.3.8.2.2. REACCIONES DE LOS INTERCAMBIADORES CATIÓNICOS CICLO
HIDRÓGENO CON LOS BICARBONATOS 2.3.8.2.2.1 FASE AGOTAMIENTO
Los bicarbonatos de calcio y magnesio son removidos en su totalidad en el
intercambio de este tipo, dejando solamente el CO2 que es fácilmente eliminable y
mientras que los cloruros y sulfatos forman los ácidos correspondientes.
Ca Ca
Mg 2HCO3 + 2HR Mg 2 R + 2H2O + 2CO2
Na2 Na2
Calcio Bicarbonato Intercambiador Intercambiado Agua Bióxido Magnesio catiónico catiónico de Sodio hidrógeno calcio, magnesio carbono. Sodio (Soluble) (Insoluble) (Insoluble) (Soluble)
El bióxido de Carbono es fácilmente eliminable por medios mecánicos como la
desgasificación o desaireación. El intercambiador catiónico es un material insoluble
de forma granular o en perlas.
2.3.8.2.2.2. REACCIONES DE INTERCAMBIO CATIÓNICO CICLO HIDRÓGENO CON SULFATOS Y CLORUROS.
2.3.8.2.2.2.1 FASE AGOTAMIENTO
Cuando el agua que contiene los iones de Ca, Mg y Na pasan a través de un
intercambiador catiónico ciclo hidrógeno, estos iones se intercambian por hidrógeno
56
y los radicales Sulfatos y cloruros son convertidos a sus respectivos ácidos
fuertes, ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, etc.
Como se indican en las siguientes reacciones:
Ca SO4 2R-Ca 2HCl
Mg Cl2 + 2HR 2R-Mg + H2SO4
Na2 2R-Na2
Calcio Sulfato Intercambiador Intercambiador Ácido Magnesio y/o catiónico catiónico Clorhídrico y/o Cloruro hidrógeno calcio, magnesio Sulfúrico. Sodio sódico (Soluble) (Insoluble) (Insoluble ) (Soluble)
Cuando el agua que contiene sulfatos o cloruros se pasa a través de un
intercambiador catiónico ciclo hidrógeno, este elimina los metales formándose
cantidades equivalentes de los ácidos minerales correspondientes sulfúrico y
clorhídrico y eliminan por aeración, el efluente es ácido, como lo señala las
reacciones anteriores.
2.3.8.2.3. REACCIONES DE REGENERACIÓN EN LOS INTERCAMBIADORES CATIÓNICOS CICLO HIDRÓGENO.
Cuando la capacidad de los intercambiadores catiónicos se agota, se hace
necesaria la regeneración con ácido para eliminar el calcio, magnesio y sodio y
restaurar la condición del intercambiador ciclo hidrógeno.
2.3.8.2.3.1 REGENERACIÓN CON ÁCIDO CLORHÍDRICO.
Con las resinas Catiónicas de poliestireno que deben operarse a altas capacidades,
se obtienen excelentes resultados usando ácido clorhídrico; todos los productos de
la regeneración son altamente solubles por lo que pueden emplearse soluciones
57
hasta de 15% de concentración durante todo el ciclo de regeneración sin peligro. En
nuestro caso hemos utilizado una solución de HCl al 10%.
Las reacciones se lo expresa como sigue.
Ca Cl2Ca
Mg R2 + 2HCl 2HR + Cl2Mg
Na2 2ClNa
Intercambiador Ácido Catiónico clorhídrico Intercambiador Cloruro de Calcio catiónico calcio, magnesio Magnesio y/o sodio hidrógeno y/o sodio (Insoluble) (Soluble) (Insoluble) (soluble) La frecuencia de la regeneración de la resina es determinada por la concentración
de dureza o alcalinidad del agua tratada.
2.3.8.2.3.2. REGENERACIÓN CON ÁCIDO SULFÚRICO
Generalmente este regenerante es el más barato y el más ampliamente usado. Las
reacciones son como sigue.
Ca CaSO4
Mg R2 + H2SO4 2HR + MgSO4
Na2 Na2SO4
Interc. Catiónico ácido Interc. Catónico Sulfato de Calcio Calcio, magnesio Sulfúrico hidrógeno Sulfato de Magnesio y/o sódico Sulfato de Sodio (Insoluble) (Soluble) (Insoluble) (Soluble)
58
2.3.8.2.4. CAPACIDADES DE INTERCAMBIO CATIÓNICO Y FUGA DE CATIONES
Con intercambiador catiónico dado, la capacidad y fuga de cationes varia de
acuerdo con:
El nivel al cual el intercambiador se regenera
Proporción de iones sodio al total de cationes en el agua.
Proporción de los aniones que dan alcalinidad a los aniones totales en el
agua.
2.3.9. PROCESO DE DESMINERALIZACIÓN POR INTERCAMBIO
IÓNICO
El proceso de desmineralización se efectúa removiendo los cationes en un
intercambiador catiónico ciclo hidrógeno, y los aniones en un intercambiador
aniónico.
El efluente del proceso de intercambio catiónico ciclo hidrógeno, lleva ácidos
formados de los aniones presentes en el agua. Los ácidos que pueden estar
presentes son sulfúrico (H2SO4), clorhídrico (HCl), y si se encuentran nitratos, ácido
nítrico (HNO3).
2.3.9.1. INTERCAMBIADORES ANIÓNICOS DÉBILMENTE BÁSICOS Los dos tipos principales de intercambiadores aniónicos que pueden usarse en los
procesos de desmineralización son: (1) intercambiadores aniónicos débilmente
básicos, (2) intercambiadores aniónicos fuertemente básicos.
2.3.9.1.1 FASE AGOTAMIENTO
Los intercambiadores aniónicos débilmente básicos pueden emplearse para
eliminar ácidos ionizados fuertes pero no lo harán con los ácidos ionizados débiles.
En las siguientes reacciones, se usa el término R3N para representar
59
intercambiadores aniónicos débilmente básicos en sus reacciones con los ácidos
fuertemente ionizados.
H2SO4 + 2R3N (R3N) 2- H2SO4 Acido sulfúrico intercambiador intercambiador aniónico Aniónico débilmente hidrosulfato Básico HCl + R3N R3N- HCl Acido clorhídrico intercambiador intercambiador aniónico Aniónico débilmente hidroclorato Básico HNO3 + R3N R3N- HNO3 Acido nítrico intercambiador intercambiador aniónico Aniónico débilmente hidronitrato Básico (Soluble) (Insoluble) (Insoluble) 2.3.9.1.2. FASE REGENERACIÓN Al final de cada ciclo de operación, el intercambiador aniónico se regenera con
carbonato de sodio (Na2CO3), se enjuaga y se pone en servicio. Las reacciones de
regeneración pueden escribirse como sigue:
(R3N)2 H2SO4 + Na2CO3 2R3N + Na2SO4 + CO2 + H2O Intercambiador carbonato intercambiador sulfato de bióxido de agua aniónico de sodio aniónico de sodio carbono hidrosulfato débilmente básico 2R3N .HCL + Na2 CO3 2R3N + 2NaCL + CO2 + H2O Intercambiador carbonato intercambiador cloruro de bióxido de agua aniónico de sodio aniónico de sodio carbono hidrocloruro débilmente básico 2R3N.HNO3 + Na2CO3 2R3N + 2NaNO3 + CO2 + H2O Intercambiador carbonato intercambiador nitrato de bióxido de agua aniónico de sodio aniónico de sodio carbono hidronitrato débilmente Básico (insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble) (soluble) A medida que los ácidos débiles se eliminan en el intercambiador aniónico, el efluente contiene la misma cantidad de sílice que el agua cruda.
60
2.3.9.2. INTERCAMBIADORES ANIÓNICOS FUERTEMENTE BÁSICOS: 2.3.9.2.1 FASE AGOTAMIENTO
Los intercambiadores iónicos fuertemente básicos intercambian iones hidroxilos
por iones fuertemente ionizados como el sulfato, cloruro y nitratos; Así también
remueven ácidos débilmente ionizados como el carbónico y el silícico.
Empleando el símbolo R4N como el radical del intercambiador aniónico básico
fuerte, las reacciones de estas resinas aniónicas con las dos clases de ácidos se
muestran como sigue:
H2SO4 + 2R4NOH (R4N) 2-SO4 + 2H2O Acido sulfúrico intercambiador intercambiador aniónico Agua
Aniónico fuertemente sulfato Básico HCL + R4NOH R4NCL + H2O Acido clorhídrico intercambiador intercambiador aniónico Agua
Aniónico fuertemente cloruro Básico HNO3 + R4NOH R4NNO3 + H2O Acido nítrico intercambiador intercambiador aniónico Agua
Aniónico fuertemente nitrato Básico H2CO3 + R4NOH R4NHCO3 + H2O Acido carbónico intercambiador intercambiador aniónico Agua
Aniónico fuertemente bicarbonato Básico H2SIO3 + R4NOH R4NHSIO3 + H2O Acido silícico intercambiador intercambiador aniónico Agua
Aniónico fuertemente silicato Básico (Soluble) (insoluble) (insoluble)
61
2.3.9.2.2. FASE REGENERACIÓN Al final de la operación, el intercambiador aniónico fuertemente básico se retrolava,
se regenera con una solución de sosa cáustica (NaOH), esta consiste en el
reemplazo de los iones intercambiables (CL- , NO3, SO4, CO3H, SIO3H) por
hidroxilos, luego se enjuaga y se vuelve al servicio.
Las reacciones de regeneración son las siguientes:
(R4N) 2- SO4 + 2NaOH 2 R4NOH + Na2SO4 Intercambiador hidróxido intercambiador sulfato aniónico de sodio aniónico de sódio Sulfato fuertemente básico R4NCL + NaOH R4NOH + NaCL Intercambiador hidróxido intercambiador cloruro aniónico de sodio aniónico de sódio Cloruro fuertemente básico R4NNO3 + NaOH R4NOH + Na NO3 Intercambiador hidróxido intercambiador nitrato aniónico de sodio aniónico de sódio Nitrato fuertemente básico R4NHCO3 + 2NaOH R4NOH + Na2CO3 + H2O intercambiador hidróxido intercambiador carbonato agua aniónico de sodio aniónico de sódio bicarbonato fuertemente básico
R4NHSiO3 + 2NaOH R4NOH + Na2SiO3 + H2O Intercambiador hidróxido intercambiador silicato de agua aniónico de sodio aniónico de sodio silicato fuertemente básico
62
2.4 PRINCIPIOS GENERALES DE LA DESMINERALIZACIÓN
Al igual que en la desmineralización total se hace por intermedio de iones. Los
cationes y los aniones se reemplazan sucesivamente por iones hidrógeno y
radicales hidroxilo.
1.- Ca – SO4 + 2HR 2R - Ca + H2 SO4
2.- Mg - 2Cl + 2HR 2R - Mg + 2HCl
3.- 2Na - HCO3 + 2HR 2R - 2CO2 + 2H2O
4.- 2NO3 + 2HR 2R + 2HNO3
El agua tratada de este modo no contiene más que ácidos fuertes o débiles. El
ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono más agua.
Pasa sobre una resina llamada aniónica del tipo ROH., sobre la cual se producen
las reacciones.
5.- H2SO4 + 2R - OH 2R – SO4 + 2 H2O
6.- 2HCl + 2R - OH 2R – 2Cl + 2 H2O
7.- 2HNO3 + 2R – OH 2R – 2NO3 + 2 H2O
Generalmente el anhídrido carbónico se ha eliminado en una gran parte por
desgasificación posterior al paso por la resina catiónica.
Los intercambiadores de cationes reciben el nombre de catiónicos y son de dos tipos:
Catiónicos Fuertes - (o fuertemente ácidos) son activos frente a
todos los cationes (reacciones 1, 2, 3. 4). Están constituidos por
polímeros de estireno y de diviniIbenceno sulfonado.
63
Catiónicos débiles - llamados más frecuentemente carboxílicos: no
ejercen acción más que frente a carbonatos.
Los intercambiadores de aniones se clasifican también dos grupos:
Fuertemente básicos - activos frente a todos los aniones
Débilmente básicos- cuya acción se limita a los aniones
Según la importancia de las cantidades de agua a tratar y de los rendimientos
finales a obtener pueden uti1izarse.
Un aparato, con lechos mezclados que contienen a la vez resinas
aniónicas y catiónicas fuertes
2.5 PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DE UN DESMINERALIZADOR
Las etapas que se siguen para elegir un sistema de desmineralización son las
siguientes:
Determinar la calidad y volumen diario de agua requeridos.
Analizar las calidades de los suministros de agua disponibles.
Seleccionar el tipo de pretratamiento necesario.
Decidir el sistema de desmineralización y el tipo de resinas.
Especificar la duración del ciclo, el tipo de regenerante y la disponibilidad de
almacenamiento de agua tratada.
Determinar en función de las capacidades de intercambio, velocidades de
paso, nivel de regenerante y parámetros físicos, los volúmenes de resina y
64
demás características del sistema. La operación de intercambio iónico
simple debe ir precedida del pretratamiento adecuado.
El sistema de dos columnas, catión fuerte - anión fuerte se aplica en instalaciones
de baja inversión, en las cuales son suficientes conductividades de agua tratada
entre 5 y 20 microsiemens, y la sílice no es un problema importante, siendo
admisibles de 0,02 a 0,15 ppm. Si la alcalinidad es alta conviene disponer un
desgasificador entre ambas resinas para eliminar el CO2 liberado, aunque implica
un bombeo adicional. Para aguas de alta alcalinidad y dureza incluye una resina
catiónica débil antes de la catiónica fuerte. Los cationes de las sales de ácido débil
son absorbidos por la resina CD de forma mucho más económica. Cuando el agua
contiene altos porcentajes de sales de ácido fuerte se sitúa una resina aniónica
débil antes de la fuerte.
Los cloruros y sulfatos se eliminan en la primera de estas dos resinas, lo que
permite una regeneración muy eficaz. Según sea la composición del agua pueden
emplearse las cuatro resinas, en columnas independientes o dobles.
Cuando se requieren calidades superiores de agua se utiliza un lecho mixto, en el
cual las resinas aniónicas y catiónicas, ambas fuertes, van mezcladas en una
columna. El lecho mixto se sitúa como un pulido final.
Con el lecho mixto final se consiguen calidades de agua con conductividades
inferiores a 1 micro siemens, y concentraciones de sílice entre 0,001 y 0,005 ppm.
A continuación se va a ilustrar y explicar los arreglos de los equipos que se pueden
usar en nueve tipos básicos de sistemas de desmineralización.
Simbología de identificación de los sistemas a tratar
CF= Intercambiador Catiónico
AD= Intercambiador Aniónico Débilmente Básico
AF= Intercambiador Aniónico Fuertemente Básico
LM= Intercambiador de Lecho Mixto
DEG= Desgasificador.
65
Es preciso anotar que cuando se muestra DEG (desgasificador) con líneas
punteadas en los diagramas, quiere decir que esa unidad puede o no usarse.
En otras palabras el desgasificador es el medio más económico para eliminar la
totalidad de Dióxido de Carbono (C02), por medios mecánicos que por medios
químicos.
2.6 TIPOS DE INSTALACIONES DE DESMINERALIZADORES
2.6.1 SISTEMA: CF+ AD + DEG
Este sistema se usa en procesos de desmineralización de agua donde no se
requiere eliminación de sílice.
Durante la operación, el agua, en primer lugar, fluye por el intercambiador
catiónico intercambiando iones de hidrógeno, resultando en la formación de
ácidos minerales muy ionizados resultantes del contenido del agua de sulfatos,
cloruros y/o nitratos, ácido carbónico débilmente ionizado a partir de los
bicarbonatos y/o alcalinidad presente de carbonatos (el ácido carbónico se
descompone en bióxido de carbono y agua) y acido silícico también poco ionizado.
En el segundo paso, el efluente del primer intercambiador catiónico pasa a través
de la resina aniónica débilmente básica, que elimina los ácidos fuertemente
ionizados, pero no remueve bióxido de carbono ni sílice. El efluente puede
entonces tratarse en un desgasificador para reducir el contenido de bióxido de carbono hasta menos de 5 o 10 ppm, cualquiera que se desee. El efluente
descarbonatado se descarga del fondo del desgasificador al tanque recibidor de
donde es bombeado al servicio.
Dependiendo de la composición del agua cruda y del nivel de regeneración en el
intercambiador catiónico, este sistema normalmente removerá los electrólitos
hasta 2 ppm; el bióxido de carbono puede reducirse a 10 o 15 ppm, el contenido
de sílice no sufre cambio.
Al final del ciclo de operación, el intercambiador catiónico se lava, se regenera
66
con ácido sulfúrico o ácido clorhídrico, luego se enjuaga para eliminar
subproductos solubles (principalmente sulfatos o cloruros de calcio, magnesio y
sodio si se empleó el ácido clorhídrico, y exceso de ácido y finalmente se vuelve
al servicio.
Al intercambiador aniónico se le hacen las mismas operaciones con una solución
de hidróxido de sodio, luego se enjuaga y se pone al servicio.
FIGURA 2.11. SISTEMA CF+ AD + DEG
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.2 SISTEMA: CF + DEG + AF
Este sistema se usa en proceso de desmineralización de agua donde se requiere
eliminar sílice. El primer paso en este sistema es exactamente igual al descrito
anteriormente en el sistema CF+AD+DEG.
El efluente del primer paso, por lo general, se pasa a través de un desgasificador
para eliminar el CO2 cuando la cantidad de éste es pequeña, esto se omite. Si se
usa desgasificador el agua se bombea al segundo paso. Si se ha omitido el
desgasificador, entonces el bombeo no es necesario y el efluente
pasa directamente del primer paso al segundo bajo su propia presión.
En cualquier caso, en el segundo paso se usa resina fuertemente básica del Tipo 1 o
2 que remueve tanto ácidos minerales ionizados (ácidos sulfúrico, clorhídrico y/o nítrico)
y los débilmente ionizados (ácido carbónico y el silícico)» Al final del ciclo, la resina
aniónica se retrolava y se regenera con sosa, se enjuaga y se pone al servicio.
C
AD
D E G
AD
CF
67
En este sistema de desmineralización, los sólidos totales pueden reducirse de 2 a
10 ppm como residuo; y la sílice, dependiendo de su contenido en el agua cruda,
del tipo de resina usada y si se regenera con hidróxido de sodio caliente o fría, su
contenido se reducirá de 0.02 ppm a 0.15 ppm.
FIGURA 2.12 SISTEMA: CF + DEG + AF
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.3 SISTEMAS: CF + AD + DEG + AF
Este tipo de desmineralización y remoción de sílice, se emplea en aguas en las que
los aniones fuertemente ionizados (sulfatos, cloruros y/o nitratos) constituyen un
porcentaje grande de los aniones totales.
El equipo consiste de intercambio catiónico hidrógeno: un intercambiador aniónico
débilmente básico y un intercambiador aniónico fuertemente básico.
El flujo pasa primero a través del intercambio catiónico intercambiando iones
hidrógeno (paso 1). Después por el intercambiador aniónico débilmente básico
(paso 2), y luego, si no se usa desgasificador a través de un intercambiador
aniónico fuertemente básico.
Al final del ciclo, el Intercambiador catiónico se regenera de la manera usual. Y los
dos intercambiadores aniónicos primero se retrolavan y luego se regeneran con
solución de hidróxido de sodio que se pasa primero por la resina fuertemente
básica y luego por la resina débilmente básica.
C
AF
D E G
AF CF
68
Si el hidróxido de sodio se calienta para pasarse por el intercambíador
fuertemente básico, debe enfriarse antes de pasarse por el de débilmente básico.
Esta operación se hace generalmente por dilución. Los costos de operación son
menores.
FIGURA 2.13 SISTEMA: CF + AD + DEG + AF FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.4 SISTEMA: CF + AD + DEG + CF + AF
Este sistema de desmineralización y remoción de sílice, es usado en aguas en las
que los aniones fuertemente ionizados constituyen un porcentaje sustancial de los
aniones totales.
El flujo pasa primero a través del intercambiador catiónico, intercambiando iones
hidrógeno el segundo paso por el intercambiador aniónico débil, que se usa
precediendo la unidad aniónica fuertemente básica. Este intercambiador catiónico
secundario, por lo tanto, elimina la fuga de cationes tan completamente que el
efluente final del paso cuatro, usualmente no contiene más que 1 ppm de sólidos
totales. El contenido de sílice en el efluente es de 0.02 ppm – 0.15 ppm.
Cuando se usa un desgasificador, se coloca entre el primero y segundo paso.
Al final del ciclo, las unidades se lavan y los intercambiadores aniónicos se
regeneran a contracorriente con sosa cáustica, como se dijo bajo el tipo C. Las
unidades de intercambio catiónico también se regeneran a contracorriente
C
AD
D E G
AF AF
AD CF
69
pasando el ácido primero por la segunda unidad catiónica y luego por la primera.
FIGURA 2.14 SISTEMA: CF + AD + DEG + CF + AF
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.5 SISTEMA: CF + DEG + AF + CF + AF
Este sistema se usa ampliamente, pero no en forma exclusiva, en aguas en las
que los aniones alcalinos constituyen una proporción sustancial de los aniones totales, al
tratar estas aguas se usa un desgasificador colocado entre el primero y segundo
paso. Con aguas de baja alcalinidad el desgasificador no se emplea.
En cualquier caso, puesto que la mayoría de los cationes se eliminan en los primeros
dos pasos, la carga de las siguientes dos unidades es muy pequeña. Por lo tanto, las
unidades de acabado contienen lechos mucho más pequeños que las unidades
primarias, y pueden trabajarse a flujos más grandes, pueden usarse para manejar
los flujos de una batería primaria, y no deben ser regeneradas con la misma
frecuencia que las unidades del primer paso. Si se desea. Cuando se regeneran, se
pueden lograr ciertas economías en la cantidad de regenerante usado, tratando los
intercambiadores catiónicos de acabado en contracorriente con los
intercambiadores catiónicos primarios. Lo mismo se aplica para las unidades de
intercambio aniónico. .El total de sólidos en el efluente es de 1 o menos ppm. La
sílice está dentro del rango , 0.15 ppm 0.02 ppm.
C
AD
D E G
C
AF AF AD CF CF
70
FIGURA 2.15 SISTEMA: CF + DEG + AF + CF + AF
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.6 SISTEMA: CF + DEG + AF + CF + AF
CARACTERÍSTICAS DE UN DESMINERALIZADOR DE LECHOS
MÚLTIPLES.
Este sistema se diferencia del anterior en que el intercambiador catiónico hidrógeno
que se usa en el tercer paso es del mismo tamaño que el usado en el primer paso:
en que el intercambio aniónico fuertemente básico usado en
el cuarto paso es del mismo tamaño que el usado en el segundo;
que los intercambiadores catiónicos y aniónicos en pares, se alternan en operación
en flujo ascendente y que los flujos son los mismos en todas las unidades. La
calidad del efluente es 1 o menos ppm de STD. La sílice está dentro del rango de
0.15 a 0.02 ppm.
Ya que este sistema se usa normalmente con aguas en las que la alcalinidad
constituye un porcentaje mayor del total de aniones, usualmente se emplea un
desgasificador entre cualquiera de las dos unidades primarias. Si la alcalinidad es baja,
se puede omitir el desgasificador.
Puesto que la mayoría de los cationes se eliminan en los primeros dos pasos, la carga
de las siguientes dos unidades son muy reducidas, es decir muy poca de su capacidad
a sido usada. Por lo tanto mientras las dos primeras unidades del primer paso se
agotan, se retrolavan y se regeneran antes de ponerla al servicio, las dos siguientes
C
D E G
AF
C
AF AF AF CF CF
71
unidades (paso 3 y 4) llevan la carga total, la tubería y válvula se arreglan de tal
manera que el agua entra primero a la unidad No. 3, luego al desgasificador y
después a la unidad No. 4 y prestan servicio. Cuando las unidades 1 y 2 vuelven al
servicio las unidades 3 y 4 siguen trabajando.
Cuando las unidades 3 y 4 han alcanzado el final del ciclo de operación, se
interrumpe el servicio de estas y se regeneran, y durante este intervalo, las unidades
1 y 2 con el desgasificador trabajando ahora entre ellas, llevan la carga completa:
cuando las unidades 3 y 4 vuelven al servicio, toman su posición original de llevar a
efecto el tercer y cuarto paso del proceso. De esta manera el sistema F da un
servicio contínuo. Los intercambiadores catiónicos hidrógeno usados en este
sistema, pueden ser: Resina poliestireno de alta capacidad, resina carbonácea y
los intercambiadores aniónicos pueden ser del Tipo 1 o 2.
FIGURA 2.16 SISTEMA: CF + DEG + AF + CF + AF
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.6.7 SISTEMA: LECHO MIXTO
El lecho consiste de una mezcla íntima de resina de poliestireno de alta
capacidad, trabajando en el ciclo hidrógeno y un intercambiador aniónico
fuertemente básico Tipo 1 o Tipo 2. A medida que el agua fluye por este lecho,
interviene en una profusión de contactos alternantes entre la resina catiónica y la
aniónica. De aquí que, la unidad de lecho mezclado ya se use sola o como
unidad de acabado, efectúa una remoción tan completa de los electrolitos que la
concentración de sólidos en el efluente es menor de 1 ppm. Respecto a la
eliminación de sílice tiene de 0.15 a 0.02 ppm
C
D E G
AF
C
AF AF AF CF CF
72
Los costos de operación, sin embargo son mayores que con otros
sistemas, pero pueden reducirse usando el lecho mezclado como operación, de
acabado, o para hacer un pretratamiento de agua cruda.
Al final del ciclo de operación, la resina catiónica y la básica
deben ser separadas antes de poderse regenerar. Esta operación se
efectúa controlando el retrolavado, el que debido a la baja densidad específica
de la resina aniónica, separa las dos resinas de una capa superior de resina
aniónica y una inferior de resina catiónica. En un método de regeneración los
lechos se regeneran en la misma unidad, ya sea uno a la vez o simultáneamente,
la resina catiónica con ácido y la resina aniónica con sosa cáustica los
desperdicios se desalojan a través del lecho, una corriente de aire para lograr una
mezcla intima de la resina catiónica y aniónica, después de la cual se pone la
unidad al servicio.
Otro método de regeneración se efectúa separando primero los lechos mezclados
por medio de un lavado controlado, como se describió anteriormente, sacando cada
lecho por separado de cada unidad, generalmente por medios mecánicos,
regenerándolos y enjuagándolos por separado y regresándolos y mezclándolos en
la unidad antes de volverlos al servicio.
FIGURA 2.17 SISTEMA: LM
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
LM LM
73
2.6.8 SISTEMA: CF + AD + DEG + LM
Este sistema se usa con aguas en las que los aniones AMT (acidez mineral libre
constituyen un porcentaje sustancial de los aniones totales.
Con tales aguas, el primer paso se efectúa en un intercambiador catiónico ciclo
hidrógeno, el segundo en un intercambiador aniónico débilmente básico, si es ne-
cesario, puede usarse un desgasificador. y en el tercer paso se emplea una
unidad de lecho mixto.
Puesto que la mayoría de los electrolitos se eliminan en los primeros dos pasos,
la carga en la unidad de acabado, lecho mixto, es pequeña y consiste únicamente
de la fuga de cationes sílice y pequeñas cantidades de CO2.
Consecuentemente, los costos de operación son menores que el sistema LM. La
calidad del efluente es de la misma característica que la del lecho mixto. Una
modificación de este sistema puede ser usada con aguas en la que los aniones
alcalinos constituyen la mayoría de los aniones totales.
En esta modificación en vez de una resina aniónica débilmente básica se usaría
una resina aniónica fuertemente básica.
FIGURA 2.18 SISTEMA: CF + AD + DEG + LM FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
AD
D E G
LM
AD LM
CF
74
2.6.9 SISTEMA: CF + DEG + LM
Intercambiador catiónico con by-pass seguido por desgasificador y lecho
mezclado. Este sistema es aplicable con aguas en las que los aniones alcalinos
constituyen un gran porcentaje de los aniones totales. Por lo tanto, en este
sistema siempre se usa desgasificador.
En el primer paso, casi toda el agua se tratará en el intercambiador catiónico que
cuenta con un by-pass, de manera que una pequeña cantidad de flujo de agua
cruda puede mezclarse con el efluente del intercambiador catiónico. El flujo de
agua debe ser lo suficiente para que su alcalinidad neutralice los ácidos minerales
del efluente de la unidad catiónica.
En una operación eficiente, la mezcla deberá ser prácticamente cero, tanto para
acidez como para alcalinidad. La mezcla pasa a través de un desgasificador que
elimina el contenido total de dióxido de carbono (el formado en el intercambiador
catiónico de hidrógeno más el formado en la neutralización y el que se encuentra
libre en el agua cruda) hasta un residuo muy bajo.
El siguiente paso se lleva a efecto en el lecho mezclado, que elimina pequeñas
cantidades de electrólitos sílice y el CO2 residual. La calidad del efluente es menor
de 1 ppm de STD. Y la sílice se reducirá de 0.15 ppm a 0.02 ppm, los costos de
operación son menores, ya que la mayoría de la alcalinidad y el CO2 formado se
eliminan del agua antes de entrar a la unidad de lecho mezclado.
FIGURA 2.19 SISTEMA: CF + DEG + LM
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
C
LM
D E G
LM
CF
75
2.6.10 IMPORTANCIA DE LA UTILIZACIÓN DEL DESGASIFICADOR
La presencia de contenidos elevados de dióxido de carbono y ácidos carbónico en
el agua dura, permite que después del paso de agua por el intercambiador
catiónico, éste ácido carbónico formado de los bicarbonatos se descompone en
dióxido de carbono y agua, el cual será removido por un proceso mecánico, lo cual
nos lleva a evitar que el intercambiador aniónico venga a tener subdimensionamiento,
considerando la remoción de ese CO2 por la acción de la resina.
Esto significa que llegaremos a volúmenes de resinas aniónica menores con una
sustancial economía de soda en la regeneración
Normalmente se utiliza éste proceso cuando el contenido de C02 del efluente del
intercambiador catiónico presenta porcentajes superiores a (30 / 40) %.
Sin embargo si el contenido de dióxido de carbono es relativamente pequeño o si el
flujo de agua no es muy grande, el desgasificador se puede omitir.
Es de mencionar que el sistema construido y seleccionado corresponde al tipo
(CF+AF+DEG+CF+AF+LM), el sistema a tratar no son volúmenes grandes de agua que
además este sirve de alimentación y no contiene elevadas cantidades de CO2 libres.
En éste sistema de desmineralización construido, los sólidos totales disueltos
pueden reducirse hasta menos de 1 ppm..
76
2.7. DIFERENTES USOS DEL AGUA DESMINERALIZADA E INTERCAMBIO IÓNICO
El agua desmineralizada se produce vía intercambio iónico con resinas catiónicas y
aniónicas. Las resinas necesitan ser regeneradas con un ácido o una sustancia
cáustica. Para reducir el costo de la regeneración de grandes sistemas de agua
desmineralizada se retrata el agua con una unidad de ósmosis inversa, que reduce
el contenido de sales totales en más del 90% y reduce así el costo que produce la
regeneración. Después de los intercambiadores catiónicos y aniónicos los
intercambiadores de cama mixta se utilizan para reducir la conductividad aún más.
En general. Con muchas aguas naturales la desmineralización es de precios
menores que la destilación. También, seleccionando el sistema de
desmineralización más propio, se puede obtener una agua de prácticamente
cualquier grado de pureza deseado. En las plantas de instalaciones nucleares, los
desmineralizadores pueden usarse no solamente en el agua de alimentación a las
calderas, sino también para tratar los condensados con aguas que tienen altos
contenidos de materia mineral. Sin embargo la destilación es mucho más
económica que la desmineralización.
Además de tratar gran variedad de aguas de calderas, los desmineralizadores se
utilizan extensamente en el tratamiento de aguas de proceso que se emplean en la
manufactura de productos farmacéuticos, plásticos, Cerámica, catalíticos, Pinturas,
material fotográfico, equipos ópticos, dieléctricos, espejos, Derivados de la
celulosa, café soluble, bebidas, cosméticos, hielo. Ej.
Agua de alimentación de las calderas
Usos farmacéuticos
Industria de la electrónica
Usos alimenticios
Usos industriales
77
Para cada uso se utiliza una conductividad específica. Sin embargo siempre seguirá
habiendo una cierta conductividad, debido al equilibrio ácido/básico del agua. El
agua desmineralizada de mejor calidad tiene una resistencia de aproximadamente
18,2 mega ohmios por centímetro o una conductividad de 0,055 micro siemens por
centímetro.
2.8 DIFERENTES PROCESOS DE DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA 2.8.1. DESTILACIÓN
Elimina del agua las impurezas convirtiendo el agua en vapor, para posteriormente
recondensarla. Al salir del destilador el agua está libre de microorganismos
pero se puede contaminar como consecuencia de fallas en el sistema de
enfriamiento, en el tanque de almacenamiento o en los sistemas de distribución.
Ventajas:
No altera la composición del agua.
Se pueden utilizar varios destiladores en serie para obtener un agua de mayor
pureza (agua bidestilada o tridestilada).
Desventajas:
Representa un riesgo para el personal.
Requiere un buen sistema de enfriamiento, almacenamiento y distribución.
Costoso.
78
2.8.2. ÓSMOSIS INVERSA
Es un proceso en el cual se aplica presión a un solvente para forzarlo a pasar a
través de una membrana semipermeable, desde una solución más concentrada a
una menos concentrada.
En otras palabras, en el proceso de ósmosis inversa se aplica una presión para
hacer pasar el agua desde la zona de mayor concentración a la de menor
concentración, de esta forma se obtiene un agua libre de iones, de material
orgánico e inorgánico disueltos, partículas, pirógenos y de microorganismos.
Para aplicar este método se emplean membranas semipermeables cuyo tamaño de
poro es mucho más pequeño que los de los filtros mecánicos convencionales, por
lo tanto se requieren presiones diferenciales mucho más grandes para pasar el
agua a través de ellas.
Ventajas:
Permite la remoción de aproximadamente el 99% de la contaminación
microbiana. No introduce residuos químicos.
Tiene un costo menor que los métodos que emplean calor y éste se
mantiene constante independientemente del grado de impurezas que
contenga el agua. No representa un riesgo para el personal.
Desventajas:
El método resulta más costoso que los métodos químicos.
El agua, que va a ser sometida a este tratamiento, debe tener una calidad
química y microbiológica determinada para evitar el deterioro y/o la
contaminación de la membrana.
No se deben emplear presiones demasiado elevadas porque esto puede
provocar la ruptura de la membrana.
79
2.8.3 DESMINERALIZACIÓN O INTERCAMBIO IÓNICO
Este método se basa en la remoción de impurezas del agua mediante la
utilización de resinas sintéticas que tienen afinidad por las sales disueltas ionizadas.
En este proceso se emplea el principio de intercambio iónico y las resinas
empleadas pueden ser de intercambio catiónico, aniónico o mixtas. El sistema de
purificación de agua por intercambio iónico puede consistir en dos, múltiples o
una combinación de lechos desmineralizadores.
En la industria el agua desmineralizada se utiliza con frecuencia para la
elaboración de ciertas preparaciones, para el lavado de vidriería, equipos y
envases, preparación de agentes sanitarizantes, y para alimentar las unidades de
destilación o de ósmosis inversa.
Ventajas:
No requiere un elevado gasto de energía.
Elimina del agua el material inorgánico disuelto.
Desventajas:
Puede aportar contaminantes al agua.
Es necesario regenerar con frecuencia las resinas de intercambio iónico.
80
2.9. RESINAS
Una resina es un polímero compuesto de un número elevado de moléculas
repetitivas enlazadas.
En el sentido más amplio de la palabra, una resina sintética consiste en una red de
radicales hidrocarburos a los cuales están unidos grupos funcionales iónicos
solubles. Las moléculas de hidrocarburos están unidas transversalmente formando
una matriz tridimensional que imparte una insolubilidad y tenacidad global a la
resina. La extensión, o grado de reticulación, determina la estructura porosa interna
de la resina, y ésta no debe ser tan grande que restrinja el movimiento libre de los
iones cambiables. Como los iones deben difundir dentro y fuera de la resina para
que ocurra el intercambio, los iones de tamaño superior a uno dado pueden ser
excluidos de la reacción mediante una selección adecuada del grado de
reticulación.
La naturaleza de los grupos iónicos unidos al armazón de la resina determina
ampliamente el comportamiento de la misma. El número total de grupos por unidad
en peso de resina determina la capacidad de intercambio, y el tipo de grupo afecta
al equilibrio de intercambio iónico y a la selectividad iónica. Cambiadores catiónicos
son resinas que llevan cationes cambiables y contienen grupos funcionales ácidos,
tales como: el sulfónico R—SO3H; fenólico R—OH, carboxílico R—COOH; y
fosfórico R—P03H2. La letra R representa la red orgánica de la resina.
2.10. TIPOS DE RESINAS 2.10.1. RESINAS ORGÁNICAS E INORGÁNICAS.
Los intercambiadores iónicos forman un grupo de materiales muy heterogéneo,
cuya única característica común es que contienen una carga eléctrica fija capaz de
enlazar a iones de carga opuesta. Se clasifican en dos grandes grupos:
intercambiadores orgánicos e intercambiadores inorgánicos. Ambos grupos
incluyen materiales sintéticos y naturales.
81
2.10.2 RESINAS INORGÁNICAS
2.10.3 NATURALES. Son aluminosilicatos como zeolitas, arcillas minerales y
feldespatos.
2.10.4 SINTÉTICOS.- Generalmente se pueden subdividir en las siguientes
: categorías.
Óxidos metálicos hidratados, Ej. óxido de titanio hidratado, ácido
poliantimónico.
Sales insolubles de metales polivalentes, Ej. Fosfato de titanio.
Sales insolubles de hetero poliácidos, ej. molibdo fosfato amónico.
Sales complejas basadas en hexaciano ferratos insolubles.
Zeolitas sintéticas.
Las zeolitas y las arcillas son minerales de aluminosilicatos ampliamente
distribuidos en la corteza terrestre. Algunas proceden de la erosión de las rocas,
otras aparecen como depósitos sedimentarios y, por último, algunas tienen origen
volcánico.
Las zeolitas - Son sólidos micro porosos con una estructura cristalina bien definida.
La unidad constructora básica es el tetraedro TO4 (donde T=Si, Al, B, Ga, Ge, P...)
cuya unión tridimensional a través de los átomos de oxígeno da lugar a la estructura
poliédrica típica de las zeolitas.
Esta estructura tridimensional presenta pequeños poros y canales en los que se
alojan los iones intercambiables y donde tiene lugar la reacción de intercambio
iónico.
82
FIGURA 2.21 ZEOLITA EN SU FORMA CRISTALINA
FUENTE: http//www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
Las unidades TO4 más comunes son SiO4 -4 y AlO4-5. La fórmula general de las
zeolitas se puede escribir como:
Ma/n[(AlO2)a(SiO2)b]·xH2O.
La capacidad de intercambio de cationes de las zeolitas proviene de la carga
negativa que lleva asociada la unidad AlO4. Cuando n Al3+ sustituyen a Si4+, es
necesario un contra catión Mn+ para neutralizar la carga negativa resultante.
El contra catión M suele ser el ión Na+ o H+ (en cuyo caso la zeolita constituye un
ácido sólido) y tienen la particularidad de ser fácilmente reemplazables por otros
cationes que puedan difundir a través de los canales de la zeolita.
Las arcillas minerales - Son aluminosilicatos estructurados en capas
bidimensionales. Están formadas por una capa resultado de combinar tetraedros de
SiO4 y otra capa resultado de combinar octaedros de Al unido a seis oxígenos o a
seis grupos OH.
Ambas capas se unen entre sí compartiendo oxígenos. La capacidad de
intercambiar cationes es resultado de la sustitución del Si4+ por el Al3+ en la capa
tetraédrica, lo cual supone un exceso de carga negativa que es contrarrestado por
cationes susceptibles de ser reemplazados.
83
Las zeolitas tienen una estructura de poro rígida, mientras que las estructuras en
capa de las arcillas minerales tienen cierta elasticidad dependiendo de en que
forma iónica se encuentre el mineral. En ambas, zeolitas y arcillas, las propiedades
de intercambio iónico se basan principalmente en la densidad de carga y en el
tamaño de poro.
2.10.5 RESINAS IÓNICAS ORGÁNICAS 2.10.6 RESINAS NATURALES
Existen varios polímeros naturales que actúan como intercambiadores iónicos,
como celulosa, ácido algínico, chitina, chitosan, dextrano y agarosa, y también
derivados de éstos.
Chitina y chitosan son dos polisacáridos naturales que han mostrado excelentes
propiedades en la fijación de metales. La chitina es un polímero lineal de alto peso
molecular de la N-acetil-D-glucosamina, que abunda en las paredes celulares de
algunos hongos y en el caparazón de crustáceos como cangrejos, langostas y
langostinos. El chitosan es un derivado de la chitina que se obtiene por hidrólisis de
esta última, y consiste en uniones de D-glucosamina.
La presencia de nitrógeno en su estructura hace que sean susceptibles de
emplearse como polímeros quelatantes de metales.
FIGURA 2.22 ESTRUCTURA DE CHITOSAN
Estructura del chitosan
FUENTE: http//www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
84
El ácido algínico - Es un polisacárido lineal formado por dos monómeros, el ácido
D-manurónico y el ácido L-gulurónico. Es un componente del esqueleto de las algas
pardas, de donde se aísla. Debido a esta función de soporte, el ácido algínico
destaca por ser un polímero fuerte y a la vez flexible, propiedad que ha determinado
sus aplicaciones industriales.
El ácido algínico puede ser soluble o insoluble en agua dependiendo del catión al
cual se asocie su sal. Las sales sódicas, amónicas o de otros metales alcalinos son
solubles, mientras que las sales de metales polivalentes, como calcio, son
insolubles, con la excepción del magnesio. Los cationes polivalentes se unen al
polímero allí donde encuentran dos residuos de ácido gulurónico cercanos, por lo
que se considera que estos cationes son los responsables del entrecruzamiento de
la cadena polimérica. Esta afinidad por los cationes polivalentes unida a la
insolubilidad del polímero resultante, indican su posible aplicabilidad como
extractante de metales. Los polisacáridos dextrano y celulosa son polímeros de D-
glucosa, (1-6)-glucosa y b(1-4)-glucosa respectivamente.
La agarosa.- Es un polisacárido preferentemente neutro y es el componente que
determina el poder gelificante del agar. Consiste en cadenas alternadas de D-
galactosa-3,6-3,6-anhidro-L-galactosa.
La celulosa natural.- Tiene propiedades intercambiadoras debido al pequeño
número de grupos carboxilo que contiene su estructura. Se emplea como estructura
base mediante derivatización para dar lugar a intercambiadores catiónicos, como la
carboximetilcelulosa, o aniónicos, como la dietilaminoetil (DEAE) celulosa.
El dextrano.- Se hace reaccionar con epiclorhidrina que actúa entrecruzando las
cadenas para dar polímeros de estructura tridimensional. Los tres son matrices
comunes empleadas en cromatografía de intercambio iónico y en la separación de
proteínas ya que al tener poros de gran tamaño permiten la separación de
biomoléculas cargadas. Estos intercambiadores se conocen también por sus
nombres comerciales, Sephadex (dextrano), Sepharose (agarosa) y Sephacel
(celulosa).
85
2.10.2.2 RESINAS SINTÉTICAS.
Las resinas sintéticas de intercambio iónico consisten en una matriz polimérica
reticulada por la acción de un agente entrecruzante y derivatizada con grupos
inorgánicos que actúan como grupos funcionales. Son los materiales más
habituales en las aplicaciones de intercambio iónico en la industria.
Las resinas sintéticas comenzó con la síntesis de las mismas mediante
polimerización por condensación (fenol-formaldehído, epiclorhidrina-amina) y,
posteriormente, se sintetizaron mediante polimerización por adición. La mayoría de
las resinas comerciales están basadas en la estructura estireno-divinilbenceno,
debido a su buena resistencia química y física y a su estabilidad en todo el rango de
pH y a la temperatura.
También se emplean matrices poliméricas basadas en el ácido acrílico o
metacrílico.
FIGURA: 2.23 POLICONDENSACIÓN ENTRE FENOL –FORMALDEHÍDO
FUENTE: http//www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
86
FIGURA 2.24: POLIMERIZACIÓN ENTRE EL DIVINILBENCENO Y EL ÁCIDO
METACRÍLICO
FUENTE: http//www. tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
En el proceso de fabricación de la matriz polimérica, estireno y divinilbenceno, que
son insolubles en agua, se mezclan mediante un agitador a una velocidad que
rompe la mezcla en pequeñas esferas. Estas esferas a medida que transcurre la
reacción se endurecen formando perlas esféricas, que es la forma en la que se
suelen presentar estas resinas. En este punto, el copolímero no está
funcionarizado.
El entrecruzamiento confiere a la resina estabilidad y resistencia mecánica, así
como insolubilidad. El grado de entrecruzamiento es un factor importante de
controlar ya que no sólo determina las propiedades mecánicas de la resina, sino
también su capacidad de hincharse (swelling) y de absorber agua.
El hinchado del polímero se produce cuando el disolvente penetra en los poros de
la estructura polimérica, ensanchándolos y abriendo por tanto la estructura. A
simple vista, se observa un aumento en el volumen que ocupa la resina. El proceso
de swelling favorece la permeabilidad de iones en la matriz de la resina y mejora la
accesibilidad a los grupos funcionales. Como inconveniente, el aumento de tamaño
de la resina puede dar problemas de exceso de presión si la resina está
empaquetada en una columna y también, que la resina sufra procesos de hinchado
y deshinchado puede, con el tiempo, afectar a la estabilidad mecánica del polímero.
87
2.10.8 HAY DOS FORMAS DE OBTENER UNA RESINA DE INTERCAMBIO IÓNICO FUNCIONARIZADA
1. Incorporar el grupo funcional durante la polimerización, por ejemplo
empleando monómeros ya funcionarizados.
2. Primero se lleva a cabo el proceso de polimerización y después se
introducen los grupos funcionales sobre la matriz polimérica mediante las
reacciones químicas oportunas, como sulfonación o cloración-aminación.
A pesar de que con el primer proceso se obtiene resinas más homogéneas, las
limitaciones que provoca el entrecruzamiento y hace que el proceso más utilizado
sea el segundo. Sobre los polímeros ya funcionarizados pueden realizarse otras
reacciones químicas para llevar a cabo su derivatización y obtener resinas con
grupos funcionales más específicos que permitan aplicaciones más concretas.
2.11 LAS RESINAS PUEDEN CLASIFICARSE EN FUNCIÓN DE
Estructura de la red polimérica
Tipo de grupo funcional
2.11.1 TIPOS DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO SEGÚN SU
ESTRUCTURA DE RED
2.11.1.1. Tipo gel: También conocidas como resinas microporosas ya que
presentan tamaños de poro relativamente pequeños.
En estas resinas el fenómeno swelling es muy importante, ya que se hinchan en
mayor o menor medida en función del porcentaje de agente entrecruzante
empleado durante la polimerización y del disolvente en el que se encuentre la
resina.
88
Por ejemplo, una resina con baja proporción de divinilbenceno se hinchará mucho
en disolución acuosa, abriendo ampliamente su estructura, lo cual permitirá la
difusión de iones de gran tamaño.
2.11.1.2 Resinas macroporosas: También llamadas macro reticulares. Durante la
síntesis de estas resinas a partir de sus monómeros, se utiliza un co-solvente que
actúa interponiéndose entre las cadenas poliméricas creando grandes superficies
internas. Este disolvente se elimina una vez formada la estructura rígida del
polímero. Las perlas tienen una relación área/volumen mayor que las resinas tipo
gel, y por tanto, mayor capacidad de intercambio. La estructura macro reticular
favorece la difusión de los iones, mejorando por tanto la cinética de intercambio.
2.11.1.3 Resinas isoporosas: Se caracterizan por tener un tamaño de poro
uniforme, con lo que aumenta la permeabilidad de los iones en el interior de la red.
Son resinas de alta capacidad, regeneración eficiente y de costo más bajo que las
resinas macroporosas.
2.11.2 TIPOS DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO SEGÚN EL GRUPO FUNCIONAL
2.11.2.1 RESINAS CATIÓNICAS DE ÁCIDO FUERTE Se producen por
sulfonación del polímero con ácido sulfúrico. El grupo funcional es el ácido
sulfónico, -SO3H
2.11.2.2 RESINAS CATIÓNICAS DE ÁCIDO DEBIL: El grupo funcional es un
ácido carboxílico -COOH, presente en uno de los componentes del copolímero,
principalmente el ácido acrílico o metacrílico.
2.11.2.3 RESINAS ANIÓNICAS DE BASE FUERTE. Se obtienen a partir de la
reacción de copolimeros de estireno-divinilbenceno clorometilados con aminas
terciarias. El grupo funcional es una sal de amonio cuaternario, R4N+.
89
2.11.2.4 RESINAS ANIÓNICAS DE BASE DÉBIL: Resinas funcionarizadas con
grupos de amina primaria, -NH2, secundaria, -NHR, y terciaria, -NR2. Suelen
aplicarse a la adsorción de ácidos fuertes con buena capacidad, pero su
cinética es lenta.
2.11.2.5.- RESINAS QUELATANTES: En estas resinas el grupo funcional tiene
las propiedades de un reactivo específico, ya que forman quelatos
selectivamente con algunos iones metálicos. Los átomos más frecuentes son
azufre, nitrógeno, oxígeno y fósforo, que forman enlaces de coordinación con
los metales.
Sus ventajas sobre las demás es la selectividad que muestran hacia metales de
transición y que el carácter de ácido débil del grupo funcional facilita la
regeneración de la resina con un ácido mineral.
No obstante son poco utilizadas en la industria por ser más caras que las
anteriores y por tener una cinética de absorción más lenta.
La resina quelatante más conocida tiene como grupo funcional el ácido
iminodiacético, cuya fórmula puede verse en la siguiente figura.
FIGURA 2.25: ESTRUCTURA DEL ÁCIDO IMINODIACÉTICO
FUENTE: http//www.tecnociencia.es/especiales/intercambio iónico
90
TABLA. 2.3.: CARACTERÍSTÍCAS DE LOS PRINCIPALES TIPOS DE RESINAS
Tipo de resina Capacidad útil (Eq/l) Regenerante Equicor. % Contracor. %
CF(abland.) 1 - 1.5 CINa (10%) - -
CF(desmin.) 1 - 1.5 CIH (4 - 10%) 160 - 130 120 - 150
- SO4H2 (1 - 8%) - -
CD 1 - 2.2 CIH (4%) 105 - 130 -
- SO4H2 (0.8%) - -
AF (tipo I) 0.4 - 0.7 NaOH (3.5%) 200 - 400 130 - 150
AF (tipo II) 0.5 - 0.8 NaOH (3.5%) 180 - 300 125 - 150
AD 0.8 - 1.2 NaOH (1 - 4%) 120 - 160 -
FUENTE: file://A:Intercambio%20 iónico.httm
2.12. PROPIEDADES DE LAS RESINAS.
2.12.1 PROPIEDADES FÍSICAS
Las resinas de intercambio iónico son generalmente producidas y usadas en la
forma de partículas granulares o partículas esféricas.
En aplicaciones especiales estas partículas esféricas pueden variar de material
retenido sobre malla 16 (menor 0.004 mm de diámetro).
En los procesos de ciclo promedio, sin embargo las partículas fluctúan entre 16 a
50 mallas (0.3 - 1.2 mm de diámetro), ya que en la mayoría de las aplicaciones de
91
estos materiales incluye su uso en soluciones acuosas muy diluidas, las
propiedades físicas de los polímeros hidratados completamente son los más
comúnmente usados en la operación de columnas.
Todas las propiedades físicas dependen de algún grado de la forma química del
grupo funcional (aunque a veces es conveniente determinar las propiedades).
Es más usual transformar la resina para una forma iónica conocida antes de hacer
algunas medidas físicas. Las propiedades del intercambiador de cationes son mas
comúnmente medidas en el sodio o en forma hidrógeno, mientras que el
intercambiador de iones son evaluados.
Estas formas estándar son seleccionadas porque son los únicos, de los cuales son
más vendidas las resinas y también porque representan las formas de regeneración
comunes para aplicaciones comerciales. En casos donde la resina es regenerada a
otras formas iónicas, las propiedades físicas pueden ser más provechosamente
determinadas sobre esa forma de regeneración.
TABLA 2.4
PROPIEDADES FÍSICAS DE INTECAMBIADORES CATIÓNICOS TÍPICOS
INTERCAMBIADORES CATIÓNICOS SÓDICOS
TAMAÑO (MALLA) PESO (lb./pie3) COLOR
Resina de poliestireno alta capacidad 16 - 50 53 ámbar
carbonáceas 16 - 50 24 - 30 negro
Zeolitas sintéticas (tipo gelatinoso) 16 - 50 51 blanco o blanco amarillo
Greensand alta capacidad 16 - 50 80 negro
Greensand estándar 16 - 50 85 verde
FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
92
TABLA 2.5
PROPIEDADES FÍSICAS DE INTECAMBIADORES ANIÓNICOS TÍPICOS
INTERCAMBIADORES ANIÓNICOS COLOR TAMAÑO MALLAS
PESOS (lb/pie3)
Resinas fuertemente básicas - tipo 1 (aminas cuaternarias de resinas de poliestireno que contiene grupos alquílicos en la estructura cuaternaria)
amarillo esferas
pequeñas 16 - 50 43 – 45
Resinas fuertemente básicas - tipo 2 (aminas cuaternarias de resinas de poliestireno que contienen grupos alquílicos y alcanol en la estructura cuaternaria)
amarillo esferas
pequeñas 16 - 50 43 – 45
Resinas de basicidad intermedia (aminas alifáticas) gránulos ámbar 16 - 50 20
Resinas debidamente básicas (aminas alifáticas) gránulos café - rojizo
16 - 50 17 FUENTE: Tratamiento de Agua de Procesos Industriales de Nordell - Eskel
2.12.2. PROPIEDADES QUÍMICAS
Las propiedades químicas de una resina de intercambio iónico son determinadas,
primero en su estructura esquelética y segundo por la naturaleza del grupo
funcional (-S03H, -COOH, -NH2). Cabe mencionar que el grupo funcional determina
la estructura esquelética, determina la estabilidad de la resina. Las propiedades
químicas más comúnmente determinadas son las sustancias sólidas, las
características de los grupos funcionales y la capacidad de la resina de intercambio
iónico.
2.12.2.1 SUSTANCIAS SÓLIDAS
Las sustancias sólidas de un polímetro de intercambio iónico son frecuentemente
usadas como un medio desagradable de estimar el cruce de enlace del polímero.
93
Como todas las otras propiedades químicas de estos materiales, la hidratación
depende de la naturaleza del grupo funcional y de su forma iónica. Para un grupo
dado y formado sin embargo, una reducción en la cantidad del agente de enlace en
el polímero resulta un aumento en la hidratación: la hidratación depende de la forma
iónica.
En general las resinas de intercambio catiónico pueden ser secadas,
particularmente esas que contienen iones de amonio cuaternario están sujetas a
degradación al secarse en la forma hidróxida.
2.12.2.2. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE UNA RESINA
Desde el punto de vista práctico, un intercambiador puede consolidarse como un
reservorio de iones intercambiadores. Los intercambiadores iónicos se caracterizan
de una manera cuantitativa por su capacidad que usualmente se define como el
número de iones intercambiables contenidos en una cantidad especifica de
material.
Los datos de capacidad se usan básicamente para dos propósitos:
Para caracterizar los materiales de intercambio iónico.
Para el uso en los cálculos de las operaciones de intercambio.
En el primer caso, la caracterización debe de definirse de ser posible de tal manera
que sea una constante característica del material, independiente de las condiciones
experimentales. En el segundo caso, es más práctico usar definiciones o
cantidades que reflejen el efecto de las condiciones de operación. La capacidad
puede expresarse en la base de peso seco, peso húmedo y columna húmeda.
94
2.12.2.3 CAPACIDAD EN PESO SECO
Está expresada en mili equivalente por granos de resina seca, éste concepto es la
medida más precisa del grado de sustitución química durante la síntesis.
2.12.2.4. CAPACIDAD EN PESO HUMEDO
Esta definición considera la incorporación del agua a la resina y está expresada en
mili equivalente por grano de resina húmeda.
2.12.2.5. CAPACIDAD EN VOLUMEN HUMEDO
Este concepto involucra el número total de sitios de intercambio disponibles por
unidad de volumen de resina húmeda.
Se expresa en mili equivalente por mililitro de resina húmeda, una disminución de
este valor, puede indicar una disminución de los sitios activos de intercambio o una
rotura de la estructura polímera.
2.12.2.6 CAPACIDAD DE OPERACIÓN
Es una medida del trabajo útil obtenido de una resina, que opera en una columna
bajo un juego definido de condiciones.
Está determinada por la capacidad inherente de la resina, el nivel de regeneración,
la composición de la solución a tratarse, flujo de operación, temperatura, tamaño de
partículas y otros factores más. Se expresa usualmente en kilogramos/pie cúbico
de resina.
95
2.12.2.7 CAPACIDAD DE ROTURA
Es la capacidad que se consigue antes de que el lecho haya alcanzado un
completo equilibrio. Este podría ser igual a la capacidad de operación.
2.12.2.8 VIDA ÚTIL DE UNA RESINA
Es importante hablar de los agentes que pueden disminuir la eficiencia de las
resinas catiónicas y aniónicas y que a veces puede llegar a obstruir los lechos de
una unidad desmineralizada.
Los agentes que atacan las resinas con mayor regularidad son los óxidos
hidratados de hierro, manganeso, cobre, aluminio, magnesio, sulfato de calcio,
aceites y materia orgánica en suspensión. La contaminación de las resinas
aniónicas es causada generalmente por la sílice.
Adicionalmente, en aquellos casos raros donde un intercambiador aniónico es el
primer elemento en el sistema de intercambiadores la contaminación por materia en
suspensión y óxidos metálicos también puede ocurrir.
2.12.3 EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN DE UNA RESINA
2.12.3.1 CAPACIDAD DISMINUIDA
Varios contaminantes cubrirán las bolitas de resina u ocuparán los sitios de
intercambio, sobre y dentro de las bolitas, con lo cual obstruye el flujo apropiado e
intercambio de iones, de este modo, la resina no es utilizada en su capacidad total
teórica y las horas de servicio del equipo entre una y otra regeneración disminuye.
Los contaminantes que causan este tipo de efecto son: hierro, manganeso, aluminio
y ácidos orgánicos de peso molecular alto.
96
2.12.3.2 GOTEO
Algunos contaminantes presentes después de la regeneración son extraídos del
lecho durante el ciclo de servicio.
Este conduce a un goteo continuo de iones contaminantes dentro de los efluentes.
Estos contaminantes son: sulfato de calcio, carbonato de calcio, hidróxido de
magnesio, sílice y ácidos orgánicos de peso molecular alto.
2.12.3.3 ACANALAMIENTO
La acumulación de partículas contaminantes debido a la acción filtrante de la resina
origina una resistencia, hacia el flujo de agua (que se detecta como un incremento
en la caída de presión a través del lecho de resina). El proceso en contracorriente
es diseñado para remover partículas aunque no siempre se logra un éxito.
2.13. CRITÉRIOS TÉCNICOS PARA LA SELECCIÓN DE RESINAS.
Los métodos de análisis de resinas de intercambio iónico pueden dividirse entre
aquellos en que se determina el material utilizado como base (polímero de estireno,
de acrílico, base sulfónica, etc.) y los que se orientan a evaluar el funcionamiento
de la resina. De estos últimos nos ocuparemos en esta presentación. En general
todos los métodos se desarrollan conforme a técnicas particulares compiladas por
ASTM (American Society for Testing Materials), son ampliamente aceptados por
la industria. Los métodos más comunes que permiten evaluar la perfomance de
una resina son:
capacidad de retención de agua
capacidad de intercambio
densidad
tamaño y distribución de partículas
97
Las resinas son plásticos, polímeros activados, desarrollados desde hace
aproximadamente 50 años para intercambiar iones. Más del 90% de las resinas
corresponden a polímeros de estireno o acrílico, formados por largas cadenas.
Estas cadenas se cruzan luego con un monómero (generalmente divinilbenceno),
formando un copolímero (resultante del cruzamiento, por ejemplo, entre estireno y
divinilbenceno), que toma la forma de una malla reticulada o matriz del copolímero.
A mayor "cruzamiento" o crosslinking, menores son los "agujeros" que quedan en
la matriz que podrían retener el agua.
De manera que al aumentar el cruzamiento disminuye la capacidad de retención de
humedad. Esta descripción elemental se adapta perfectamente a las resinas
estándar catiónicas. Son resinas fuertes de tipo gel que se usan para ablandar agua
o decationizarla.
Cuando las resinas son macroporosas, la matriz que se forma al realizar el
cruzamiento presenta discontinuidades, como si fuera un queso gruyere, que dan
lugar a la porosidad. Las resinas catiónicas suelen ser atacadas por el cloro
residual existente en el agua, u otros oxidantes que rompen su estructura
polimérica aumentando su capacidad de retención de agua. De esta manera, puede
verse el grado de envejecimiento que una resina presenta, simplemente
comparando su capacidad de retención con la de la misma resina nueva,
Con las resinas aniónicas, se puede retener desde menos de un 45% hasta un
60% de humedad, dependiendo de la porosidad. Por ello es necesario corroborar
con otros métodos la degradación de la resina.
Existe una regla casi infalible en lo que hace a la capacidad de intercambio: la
cantidad de soda cáustica que se usa para regenerar, aumenta al disminuir la
capacidad de retención de humedad. El envejecimiento provoca una pérdida en la
capacidad de intercambio, medida en mili equivalentes por litro de resina. Siempre
es conveniente hacer un seguimiento en la performance de las resinas aniónicas,
teniendo en claro que la capacidad de intercambio total puede no variar, pero la
resina habrá envejecido al alterarse la relación entre aniones débiles y fuertes
efectivamente intercambiados.
98
La vida útil de las resinas aniónicas no depende tanto del tiempo que éstas han
estado en servicio como de la cantidad de ciclos de regeneración a las que
estuvieron expuesta. El último punto es particularmente oportuno para prevenir
subdimensionar el volumen de resina aniónica al diseñar un sistema. Menores
inversiones iniciales se compensan con mayores costos operativos.
Los parámetros a determinar para completar la evaluación son tamaño efectivo y
coeficiente de uniformidad de las partículas.
2.14. REACCIONES DE INTERCAMBIO IÓNICO QUE SE EFECTUAN CON LAS RESINAS. 2.14.1. CICLO CATIÓNICO 2.14.1.1 FASE DE AGOTAMIENTO
Los cationes Ca++, Mg++ y Na+, al pasar por la resina catiónica son intercambiados
por cationes hidrógeno.
a) R - H + Na+ R – Na + H+
b) 2(R - H) + Ca++ R2 Ca + 2H+
c) 2(R - H) + Mg++ R2 Mg + 2H+
El grado de remoción de estos cationes depende de la selectividad de la resina. Las
resinas Catiónicas reciben una mayor selectividad por los cationes divalentes que
por los monovalentes.
Normalmente la fuga de un intercambiador catiónico es Na+ y no Ca++ o Mg++. Si los
iones hidrógeno liberados en las ecuaciones (a), (b) y (c), forman ácidos con los
aniones que acompañaban a los cationes intercambiados.
d) H+ + Cl¯ H Cl
e) 2H+ + (SO4) H2 SO4
f) H+ + (HCO3) H2 C03
99
Los ácidos clorhídrico y sulfúrico son ácidos altamente disociados y presentan
equilibrios fuertemente desplazados hacia la izquierda, ecuaciones (d) y (e),
generando gran cantidad de hidrógenos (H+) libres, los cuales podrían limitar la
consumación de la reacción ecuación (d).
Por otro lado el ácido carbónico, siendo un ácido débil presenta un fuerte
desplazamiento de un equilibrio hacia la derecha y esto provoca una reducción de
los hidrógenos libres en solución. Esto permite a la reacción (a) consumirse
completamente.
De aquí se puede concluir que la “fuga de sodio” esta íntimamente asociada con
aguas de alto contenido de cloruros y sulfatos y no con aguas que presentan
valores altos de alcalinidad (carbonatos, bicarbonatos e hidroxilos).
Las reacciones en la fase de agotamiento de una resina catiónica fuertemente
ácida, puede reducirse así:
Ca SO4 Ca H2S04
Mg + 2Cl + 2R - H 2R + Mg + 2HCl
2Na HCO3 2Na H2C03
2.14.1.2. FASE REGENERACIÓN.
Cuando algunos de los iones que se trata de remover aparece en el efluente de la
columna intercambiadora, la resina debe ser regenerada.
Para regenerar un intercambiador catiónico, se precisa de una fuente rica de iones
hidrógeno; se usa para tal efecto, ácido clorhídrico o ácido sulfúrico, siendo el
primero el que da mayor capacidad operativa, pero su uso está limitado a equipos
pequeños, dado su mayor costo.
100
Químicamente la regeneración es posible debido a la alta concentración de
hidrógeno en la solución regenerante (efecto de la acción de las masas); pero dado
que las resinas, son fuertemente ácidas, el efluente regenerante contiene mucho
ácido sin reaccionar, que podría ser reciclado para mejorar su utilización. Se a
encontrado que la concentración óptima de ácido está entre 4 a 5 % (en peso).
(Enciclopedia of polymer science and technology).
Con el ácido sulfúrico se presentan problemas de precipitación de SO4 Ca y por
ello, se siguen procedimientos especiales para la regeneración.
En cambio, el ácido clorhídrico puede emplearse en cualquier concentración entre 4
y 10 % (en peso), ya que no forma ningún cloruro insoluble, con el calcio, magnesio
o sodio.
La concentración de ácido clorhídrico escogido, variará de acuerdo a los cationes
que predominan en el lecho agotado, si el sodio es el mayor constituyente, se usan
concentraciones del 4 al 5 %. Si el calcio y el magnesio predominan se usan
concentraciones del 8 al 10 %, dependiendo de la cantidad de dureza del agua que
se está tratando. (Enciclopedia of polymer science and technology).
Las reacciones que ocurren durante la regeneración son:
g.- R - Na + HCl R – H + Na Cl
h.- R2 Ca + 2HCl 2R - H + Ca Cl2
i.- R2 Mg + 2HCl 2R – H + Mg Cl2
Poniendo estas tres ecuaciones en forma resumida tendríamos.
Ca CaCl2
2R + Mg + 2HCl 2R – H + MgCl2
2Na 2NaCl
101
Para lograr una regeneración eficiente, normalmente se debe agregar el ácido en
un 200% a 300 % de exceso, sobre el teóricamente requerido. (Enciclopedia of
polymer science and technology).
2.14.2. CICLO ANIÓNICO.
El proceso de desmineralización se completa con un tratamiento con resina
aniónicas, cuya alimentación está constituida por ácidos que los aniones influentes
formaron en la resina catiónica.
2.14.2.1. FASE AGOTAMIENTO.
La resina aniónica intercambia iones hidroxilos por iones negativamente ionizados
como el sulfato, cloruros y nitratos. Así.
H2 SO4 SO4
2H Cl + 2R - OH 2R 2Cl + 2H2O
2H NO3 2NO3
Si la resina aniónica es fuertemente básica, puede remover también ácidos
débilmente ionizados, como el carbónico y silícico.
H2CO3 H CO3
H2 SiO3 + R – OH R H SiO3 + H2O
Si la resina es débilmente básica, no removerá el CO2 y SiO2 y solo se darán las
reaccionen antes anotadas.
102
2.14.2.2 FASE REGENERACIÓN.
La regeneración de las resinas aniónicas fuertemente básicas, se hace utilizando
una base fuerte, generalmente se usa el hidróxido de sodio (NaOH).
Esta consiste en el reemplazo de los iones intercambiables ( Cl¯, NO3- , SO4 ,
CO3H , SiO3H ), por oxidrilos de la fuente alcalina.
Las resinas fuertemente básicas están altamente disociadas y no presentan una
gran afinidad por los iones oxidrilos.
La regeneración solo es posible debido a la alta concentración de la soda cáustica
(4 % en peso), la cual da la necesaria “fuerza directora” (driving force) para volver
la resina a la forma hidróxido. (Enciclopedia of polymer science and technology).
Debido a esta poca afinidad de la resina por los OH¯ , la regeneración de las
resinas fuertemente básicas, no es completa, quedando una buena porción del
regenerante sin utilizarse.
Las reacciones que ocurren durante la regeneración pueden resumirse así:
SO4 Na2SO4
2Cl 2NaCl
2NO3 2R + 2NaOH 2R – OH + 2NaNO3
2HCO3 2NaHCO3
2HSiO3 2NaHSiO3
2.15.-CARACTERÍSTICAS DE LAS RESINAS SELECCIONADAS.
Según el mercado nacional las resinas que se utilizan son de procedencia alemana
de la fábrica BAYER, que pone en el mercado resinas de intercambio iónico marca
Lewatit.
Lewatit S-100 - intercambiadora catiónico fuerte tipo I y II
Lewatit M-500 - intercambiadora aniónico fuerte
103
Estas resinas, por su alta capacidad total, estabilidad química y de una distribución
estándar de acuerdo al tamaño del lecho, hace que sean utilizadas en las
siguientes aplicaciones:
Desmineralización de agua para generar vapor
Extracción de metales pesados
En procesos hidrometalúrgicos, extracción de uranio.
Recuperación de metales preciosos.
104
CAPÍTULO III
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DESMINERALIZADOR
DE LECHOS MÚLTIPLES
3.1 ECUACIONES DE DISEÑO
El fundamento de diseño de esta Unidad se alinea a dos aspectos específicos:
Construir una Unidad con una operación eficiente
Una excelente calidad del agua desmineralizada
Esto se procura tomando en cuenta el factor económico, por lo tanto, para el
diseño funcional y aceptable se considera todos estos aspectos.
La presente Unidad Desmineralizadora se dimensiona definiendo primeramente el
tipo de resinas y el volumen requerido de las mismas.
Para la definición del tipo de resina se deberá tomar en cuenta la calidad del agua a
tratar, y la capacidad determinada por el volumen a utilizar. Eligiendo los niveles de
regenerante correctos que ha de garantizar la dureza máxima requerida.
3.2 ECUACIONES A UTILIZARSE EN EL DISEÑO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES
3.2.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE RESINA CATIÓNICA (VRCF)
Fórmula:
VRCF = DT x p / CR
105
Donde:
VRCF = volumen de resina catiónica fuerte, l.
DT = dureza total, ppm.
p = producción de agua a obtener, l.
CR = capacidad de la resina, grn / l.
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
3.2.2 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA RESINA CATIÓNICA
Volumen de un cilindro
V = π. r2 .h
Despejando la altura
h = VRCF/ π. r2 Donde:
h = altura de la resina catiónica, cm.
VRC = volumen de resina catiónica, cm3
r = radio del lecho, cm.
V = volumen de un cilindro, cm3
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
3.2.3. CÁLCULO DEL AREA DE INTERCAMBIO CATIÓNICO
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
A = VRCF / h
106
Donde:
A = área de intercambio, cm2
VRCF = volumen de resina catiónica fuerte, cm3
h = altura de la resina, cm.
3.2.4. CÁLCULO DEL % EXPANSIÓN DEL LECHO CATIÓNICO % EXPANSIÓN = Valor recomendado 25% (hoja técnica)
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
Donde:
H = altura de la columna catiónica, cm.
h = altura de la resina catiónica, cm.
3.2.5. CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA CATIÓNICA
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
%E = H – h / h
H = h + %E . h
107
Donde:
H = altura de la columna, cm.
h = altura de la resina, cm.
%E = porcentaje de expansión
3.2.6 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE RESINA ANIÓNICA FUERTE (VRAF) Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
Donde:
VRA F = volumen de resina aniónica fuerte, l.
AT = aniones totales (Cl-, sílice, CO2, sulfatos), ppm.
p = producción de agua a obtener, l.
CR = capacidad de la resina, grn / l.
3.2.7 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA RESINA ANIÓNICA Volumen de un cilindro
V = π. r2 .h
Despejando la altura
h = VRAF/ π. r2
VRAF = AT x p / CR
108
Donde:
h = altura de la resina, cm.
VRA = volumen de resina aniónica, cm3
r = radio del lecho, cm.
V = volumen de un cilindro, cm3
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
3.2.8. CÁLCULO DEL AREA DE INTERCAMBIO ANIÓNICO
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
Donde:
A = área de intercambio, cm2
VRAF = volumen de resina aniónica fuerte, cm3
h = altura de la resina aniónica, cm.
3.2.9. CÁLCULO DEL % EXPANSIÓN DEL LECHO ANIÓNICO % EXPANSIÓN = Valor recomendado 25% ( hoja técnica )
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
A = VRAF / h
%E = H – h / h
109
Donde:
H = altura de la columna aniónica, cm.
h = altura de la resina aniónica, cm.
3.2.10. CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA ANIÓNICA
Fórmula:
Fórmula consultada en el manual FMC-FILSAN
Donde:
H = altura de la columna aniónica, cm.
h = altura de la resina aniónica, cm.
%E = porcentaje de expansión
3.2.11. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DEL MATERIAL UTILIZADO PARA LOS LECHOS
Fórmula:
Donde:
P = presión máxima de trabajo, psi
D = diámetro de la columna, pulg.
S = esfuerzo admisible de trabajo, psi
t = espesor, pulg.
S = P. D / 4 t
H = h + %E . h
110
Para cilindro existen dos fórmulas tanto por el código API y ASME,
en nuestro caso utilizaremos la del código ASME.
3.2.12. DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE ENTRADA.
Este parámetro se determinó experimentalmente, registrando un flujo óptimo de 110
l / hr, en la entrada a la unidad desmineralizadora.
3.2.13 NIVEL DE REGENERANTE: Los fabricantes de los tipos de resinas catiónicas y aniónicas: Bayer; S-100 y M-500
respectivamente, recomiendan los siguientes valores:
Resina catiónica:
Regenerante...........................HCl
Concentración.........................33% HCl
Nivel de regenerante………….3.5 lb. / ft3
La regeneración a contracorriente.
Resina aniónica:
Regenerante...........................NaOH
Concentración.........................99%(escamas)
Nivel de regenerante…………3 lb. / ft3
Temperatura…………………. 30 °C
La regeneración a contracorriente
3.2.14 CONSUMO ESTIMADO DE AGUA DE LAVADO
Columna catiónica
3 x VRCF + 15 x VRAF
111
Columna aniónica:
10 x VRCF + 15 x VRAF
Fórmulas consultadas en el manual FMC-FILSAN
Datos generales:
Presión de entrada................................ ..14 psi
Cantidad de agua a obtener. ................2300 l.
Conductividad del agua de entrada.........205 ppm
Dureza total..............................................71 ppm
3.2.15 ECUACIÓN DE DISEÑO DEL DESGASIFICADOR Fórmula:
Donde:
Q = cantidad de gas transferido, lb / h
K = coeficiente de transferencia de gas (CO2), lb / h / ft2 / mmHg
a = área, ft2
P = logaritmo de la fuerza impulsadora, mmHg
FUENTE: Manual del Ing. Químico de Perry Tomo IV sección 14
3.3. DATOS TEÓRICOS DE DISEÑO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES.
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en lechos fijos, columnas a
contracorrientes intermitentes que consisten en columnas con tuberías, válvulas y
equipos accesorios para permitir la regeneración de las resinas en el sitio. Para el
Q = k. a. P
112
diseño de este desmineralizador primeramente empezamos con el diseño de las
columnas los cuales se basan:
En la velocidad necesaria de flujo
El tamaño del lote que se va a tratar entre regeneraciones
Capacidad de la resina en condiciones operacionales.
En general, la velocidad de flujo determina el diámetro mínimo y máximo permisible
de la columna; la profundidad del lecho de resina tiene que ser suficiente para
incluir el volumen necesario de resina, y proporcionar el tiempo de contacto
suficiente para que el intercambio iónico sea completo.
3.3.1 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS
Al diseñar y desarrollar el sistema de intercambio iónico, para el tratamiento de una
agua específica o agua residual, deben evaluarse y ponderarse los gastos de
operación y las inversiones de capital. El factor principal del gasto de operación
está constituido por los regenerantes y por la regeneración y éste varía según la
calidad del agua cruda y el tipo de operación.
Las resinas fuertemente básicas son regeneradas con hidróxido de sodio; por lo
tanto, los Intercambiadores que utilicen estas resinas tienen unos gastos de
operación más caros que para resinas débilmente ácidas.
El proceso de intercambio iónico tiene un límite económico práctico que depende
de la concentración de sólidos disueltos en el agua cruda. Los procesos de
ósmosis inversa y electro diálisis son más económicos para concentraciones del
orden de 1000 ppm en adelante.
Para cada aplicación, es necesario evaluar la economía y las limitaciones del
intercambio iónico incluyendo todos los costos variables.
113
3.3.2. DESGASIFICADOR
El agua puede contener diversos gases en solución, así como minerales y materia
orgánica, puesto que el N2 y O2 son los gases predominantes, existe una
diferencia notable entre estos gases, por un lado, y el CO2 por otro lado. Los
primeros no se ionizan en el agua, pero el CO2 se gasifica a un punto por abajo
de un pH de 4.5
3.3.3. DISEÑO DEL DESGASIFICADOR El desgasificador para ésta Unidad es de "Torre tipo Rocío" el agua se introduce
por la parte superior, por medio de un tubo de rocío, el agua cae por la torre y se
somete a un flujo de aire en contracorriente, en ésta operación el aire hace de gas
despuntador que remueve los gases disueltos tales como H2S, metano, NH3,
principalmente CO2 que se forma en los lechos catiónicos. Interiormente, se
colocan a espacios moderados cernideros con el fin de mejorar el tiempo y áreas
de contacto aire - agua.
3.4. DATOS EN QUE SE BASA EL DISEÑO DE LA UNIDAD DE LECHOS MÚLTIPLES.
El propósito principal del diseño de ésta Unidad es la utilización con fines
didácticos, sin embargo para propósitos industriales se tomará en cuenta la
calidad de agua, que la unidad opere en forma eficiente, en particular el dato que se
toma como base de diseño es la cantidad de agua desmineralizada obtenida antes
de la regeneración de resinas, el volumen estimado es aproximadamente 2300 l.
Teóricamente determinamos ciertas variables fundamentales para el
dimensionamiento, entre estas tenemos:
Concentración de sólidos totales disueltos
Características del agua a tratar
114
Flujo de alimentación
Volumen de resina
Selección de resinas
Producción de agua desmineralizada entre regeneraciones.
Cantidad de gas formado para el dimensionamiento del desgasificador.
Características de resinas utilizadas según el mercado nacional.
3.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS RESINAS SELECCIONADAS
Según el mercado nacional las resinas que se utilizan son de procedencia alemana
de la fábrica BAYER, que pone en el mercado resinas de intercambio iónico marca
Lewatit.
Lewatit Mono Plus S-100 - intercambiador catiónico
Lewatit Mono Plus M-500 - intercambiador aniónico
Estas resinas, por su alta capacidad total, estabilidad química y de una distribución
estándar de acuerdo al tamaño del lecho, hace que sean utilizadas en las
siguientes aplicaciones:
Desmineralización de agua para generar vapor
Extracción de metales pesados
En procesos hidrometalúrgicos, extracción de uranio
Recuperación de metales preciosos.
115
3.4.1.1. RESINA CATIÓNICA FUERTE - (BAYER MONO PLUS S – 100)
INFORMACIÓN DEL PRODUCTO.
LEWATIT Mono Plus S 100 es una resina de intercambio iónico fuertemente
ácida de una estructura y tamaño uniforme, basado en un sistema copolímero de
estireno - divinilbenceno, por su tamaño homogéneo hace que químicamente y
osmóticamente sea altamente estable la cual incrementa su capacidad de
operación en comparación con el intercambio iónico.
LEWATIT Mono Plus S 100 es aplicado frecuentemente en:
En la desmineralización de agua para la generación de vapor industrial
En la depuración de aguas residuales, utilizando estas en sistemas de
lechos múltiples o sistemas de lechos mixtos en combinación con la
resina aniónica M- 500.
LEWATIT Mono Plus S 100. Características especiales:
Proporciona altos flujos de intercambio, antes de la regeneración
Buena utilización de la capacidad total de la resina
Baja demanda de agua en sus enjuagues
Buen comportamiento de sus componentes cuando son utilizados en
sistema de lechos mixtos.
116
TABLA 3.1
(Descripción general de la resina Lewatit Mono Plus S - 100)
Fuente: Valores de hoja técnica de la resina casa Comercial (ver Anexo - I A)
Forma iónica a intercambiar
Na+
Grupo funcional- ácido sulfónico
Acido sulfónico HSO3
Forma molecular
Enlaces cruzados de poliestireno
Estructura
Lechos tipo gel
Apariencia física
Café transparente
117
TABLA 3.2
(Propiedades físicas y química de la resina Lewatit Mono Plus S - 100)
Tamaño de partícula promedio > 90 %
0.6 - 0.05
Peso de masa 5% g/l
820
Densidad aprox. g/ml
1.28
Retención de agua %
42 - 48
Capacidad total min. Eq/l
2.0
Volumen de Intercambio Na + H+ máx. %
8
Estabilidad de temperatura ºC
-10 - 120
Estabilidad pH
0 – 14
Vida útil min. años
2
Temperatura de almacenamiento
-10 - 40
Regenerante
HCl
Concentración del regenerante %
HCl - 10
Nivel de regenerante aprox. g/l
HCl - 55
Velocidad de retrolavado aprox. m/h
14 - 18
Fuente: Valores de hoja técnica de la resina, casa Comercial (ver anexo - IA)
118
3.4.1.2. RESINA ANIÓNICA LEWATIT MONO PLUS M - 500
LEWATIT Mono Plus M - 500 es una resina de intercambio iónico fuertemente
básica de estructura y tamaño uniforme, basado en un sistema copolímero de
estireno- divinilbenceno, con grupos de trialquil amonio en forma de cloruro.
Las indicaciones se basan en las informaciones y experiencias actuales, la hoja
de datos de seguridad, los productos según las normas de seguridad. Su
información no significa garantía de propiedades.
LEWATIT Mono Plus M - 500 es aplicado frecuentemente para:
En la desmineralización de agua para la generación de vapor industrial
En la depuración de aguas residuales, utilizando estas en sistemas de
lechos múltiples o sistemas de lechos mixtos en combinación con la
resina catiónica S- 100.
TABLA 3.3
(Descripción general de la resina Lewatit Mono Plus M - 500)
Fuente: Valores de hoja técnica de la resina, casa Comercial (ver anexo - IB)
Forma iónica a intercambiar Cl -
Grupo funcional Amina cuaternario tipo ( I )
Forma molecular Enlaces cruzados de poliestireno
Estructura Lechos tipo gel
Apariencia física Amarillo luminoso transparente
119
TABLA 3.4
(Propiedades físicas y químicas de la resina Lewatit Mono Plus M - 500)
Tamaño de partícula promedio > 90 %
0.6 (a 0.05)
Peso de masa 5% g / ml
800
Densidad aprox. g/ml
1.06
Densidad aparente Kg./m3 650 – 750
Capacidad total min. Eq/l
1.34
Estabilidad de temperatura ºC
-10 - 120
Estabilidad pH máx. en soluc. acuosa
0 – 9
Vida útil min. años
2
Temperatura de almacenamiento
-10 - 40
Regenerante
NaOH
Concentración del regenerante %
NaOH 4
Nivel de regenerante aprox. g/l
NaOH 50
Velocidad de retrolavado aprox. m/h
5
Fuente: Valores de hoja técnica de la resina, casa Comercial (ver anexo I-B)
120
3.5 MATERIALES A UTILIZAR EN LA CONSTRUCCIÓN DE LA UNIDAD
DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES.
Por tratarse de un equipo didáctico, convenientemente hemos utilizado lechos
cilíndricos de acrílico transparentes lo cual nos permitirá visualizar lo que ocurre
durante el proceso de la desmineralización.
El acrílico, material que presenta gran resistencia al ataque de reactivos como el
HCl y NaOH, sustancia utilizadas en la fase de regeneración de resinas, papel
Indicador de pH, Conductímetro de bajo rango de registro.
Como cierto inconveniente que presenta este material, es la deformación que
podría ocurrir si es sometido a temperaturas superiores a los 70 °C, inconveniente
que no afecta en lo mínimo por cuanto el proceso se desarrolla a las condiciones
del ambiente o sea a 25 ºC.
Por todas las características mencionadas sobre este material a utilizar se ha
elegido el acrílico como material adecuado para la construcción de esta unidad
Desmineralizadora. En lo que respecta a los accesorios y acoples para conexiones
utilizaremos de plástico y PVC.
3.6 DISEÑO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES
3.6.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS LECHOS
La construcción de la unidad, comprende en si el trabajo de armado del equipo
una vez debidamente seleccionado los materiales y accesorios a utilizar.
Se procede a cortar cuatro secciones de tubería acrílica reforzada de 60 cm.
de longitud cada una, de 2 ½ pulg. de diámetro según la determinación
cuantitativa en base al volumen de resina requerida para este sistema de
desmineralización.
121
FIGURA 3.1 SECCIONES DE TUBO ACRÍLICO CORTADOS
0.60 m
D =2 ½ pulg
Seguidamente se procede a colocar por un extremo de la sección del lecho
un acople de 2 ½ con salida a ½ pulgada que hace de tapón al mismo,
interiormente se le adhiere un segmento de malla acrílica fina que detendrá
la salida de la resina que contendrá cada uno de los lechos. FIGURA 3.2 ACOPLE DE REDUCCIONES DE DIÁMETRO
D = ½ pulg. D = 2 ½ pulg.
0 .60 m
Malla acrilica fina Accesorio de reducción de diámetro
122
Luego procedemos a introducir la cantidad de resina establecida para cada
uno de los lechos.
FIGURA 3.3 RESINA EN LOS LECHOS ESQUEMA Y FOTOGRAFÍA
Finalmente colocamos por otro extremo el acople de 2 ½ con salida a ½
pulgada que hace de tapón al mismo, interiormente se le adhiere un
segmento de malla acrílica fina, que detendrá la salida de la resina,
procedemos de la misma manera para los cuatro lechos siguientes.
RESINA S 100
RESINA M500
ANIÓNICA CATIONICA
123
3.6.2 CONSTRUCCIÓN DEL DESGASIFICADOR
Tomamos una sección de tubería de PVC de alta presión de 110 mm de diámetro,
al cual lo acoplamos por un extremo una “Y” con reducción a 63 mm , la cual servirá
para el acople con la entrada de aire proveniente del Blower , interiormente del
tubo colocamos cernideros plásticos distantes entre ellas 15 mm.
Seguidamente utilizamos otra reducción esta de 110 mm a 63 mm de diámetro y lo
acoplamos al extremo inferior del cilindro de PVC, el cual servirá para direccionar
y formar un chorro de agua uniforme que verterá en la cuba recolectora.
FIGURA 3.4 DESGASIFICADOR ARMADO - ESQUEMA Y FOTOGRAFÍA
SOPLANTE
BY PASS
124
3.6.3. CONSTRUCCIÓN DE LA CUBA RECOLECTORA
Una vez segmentados dos retazos rectangulares de acrílico transparente de 25
cm. x 40 cm., y dos segmentos rectangulares de 15 cm. x 40 cm. utilizando silicón
pegamos los extremos con extremos y formamos una cubeta, de aproximadamente
14 l. de capacidad.
La cubeta tendrá dos acoples uno por el fondo que servirá de desfogue y la otra
por un extremo, la misma que se conectará a la bomba encargada de enviar el
efluente de los dos primeros lechos hacia los siguientes, lo cual completará el ciclo
de desmineralización. FIGURA 3.5 CUBA DE ALMACENAMIENTO - ESQUEMA Y FOTOGRAFÍA
Válvula
Reguladora de caudal
Agua
Desfogue de la cuba
By pass
125
3.6.4. MONTAJE DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA
Para el montaje de la unidad Desmineralizadora, será necesario sujetarle todas
las partes sobre un armazón metálico, el cual servirá de soporte físico para el
acoplamiento de sus partes.
En la toma de la red de distribución de agua potable, primeramente
acoplamos un filtro de carbón activado de 2 pulg. y luego de esto una llave
de paso para la regulación del flujo hacia el interior de los lechos.
Procedemos a la conexión de lecho a lecho utilizando tuberías de ½, la
conexión la hacemos tomando la salida del extremo inferior del lecho de la
resina catiónica al extremo superior del lecho de la resina aniónica fuerte.
Tomando la salida del extremo inferior del lecho de la resina aniónica fuerte,
conectamos la tubería al extremo superior del desgasificador.
DESGASIFICADOR
DESFOGUE
CUBA RECOLECTORA
BOMBA CENTRIFUGA
BY PASS
126
Por la parte inferior de la Unidad de almacenamiento (cuba) y tomando la
salida que existe en el extremo de la misma se conecta con la entrada de
la bomba, la misma que servirá para bombear el agua a los lechos
siguientes que contienen dos sistemas iguales de resinas, catiónica y
aniónica.
Cabe señalar que en la salida de la bomba fue necesario acoplar un sistema
de reducción de flujo ( by pass), para la cual utilizamos una válvula de paso
que nos permitirá regular el flujo regresando parte del mismo al recolector,
permitiendo el paso del flujo regulado por la parte superior al siguiente lecho
que contiene la resina catiónica fuerte. Por la parte inferior conectamos al
extremo superior del lecho aniónico fuerte.
De ésta manera por el extremo inferior del último lecho aniónico recibimos el
flujo del agua tratada a un último lecho mixto, objetivo del diseño y
construcción de esta unidad.
FOTOGRAFÍA: EQUIPO CONSTRUIDO
ARMAZÓN METÁLICO
FILTRO DE CARBÓN
LECHO MIXTO
ENVACE DE AGUA DESMINERALIZADA
REACTIVOS
127
3.6 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE DESMINERALIZACIÓN DE LA UNIDAD DE LECHOS MÚLTIPLES
DEPÓSITO
V E DE REGENERANTE DESGASIFICADOR
V1 V3 V5 V7 V9
V R
BLOWER BOMBA
AIRE
V2 V4 V6 V 8 V10 AGUA DESMINERALIZADA
F I L T R O
CF.
AF
CO2
C F
AF
CUBETA
RECOLECTORA
SOL. NaOH
4%
Sol. HCl 10%
SOL. NaOH
4%
Sol. HCl 10%
CF L E C H O
M I X T O AF
128
3.7 DETERMINACIÓN CUANTITATIVA DE VALORES DE ACUERDO A LAS ECUACIONES DE DISEÑO.
3.7.1 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE RESINA CATIÓNICA FUERTE
lEqCRppmDT
lp
/2712300
1Kgrn / ft3 = 0.0458 Eq / l 2 Eq /l = 43.67 Kgrn / ft3 = 1542grn / l
VRCF =galgrnppmxgalltxltgrn
ltxppm//1.17/78.3/1542
230071
VRCF = 1. 64 l
3.7.2 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LAS RESINAS CATIÓNICAS DATOS: VOLUMEN DE RESINA (VRCF) = 1640 cm3
DIÁMETRO DE LECHO ( D) = 6.6 cm.
ALTURA DE LA RESINA ( h ) = ?
FÓRMULA: ALTURA DE LA RESINA
h = VRCF / π. r2
h = 2
3
26.61416.3
1640
x
cm
h = 48 cm.
129
3.7.3 CÁLCULO DEL ÁREA DE INTERCAMBIO CATIÓNICO. A = VRCF / h
A =cmcm
481640 3
A = 34 cm2
3.7.4 CÁLCULO DEL % DE EXPANSIÓN DE LOS LECHOS CATIÓNICOS
%E = Valor recomendado 25 % de expansión hoja técnica de resina %Exp = H – h / h %Exp = 60 - 48 / 48 %Exp = 0.25 3.7.5 CALCULO DE LA ALTURA DE LAS COLUMNAS CATIÓNICAS
H = h + %Exp (h) H = 48 + 0.25 (48) H = 60 cm. 3.7.6 CÁLCULO DEL VOLUMEN DE RESINA ANIÓNICA FUERTE
lEqCRppmDT
lp
/34.1482300
1Kgrn / ft3 = 0.0458 Eq/l 1.34 Eq / l = 29.26 Kgrn / l = 1033 grn / l
VRAF =galgrnppmxgallxlgrn
lxppm//1.17/78.3/1033
230048
VRAF = 1.65 l
130
3.7.7 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LAS RESINAS ANIÓNICAS
DATOS:
VOLUMEN DE RESINA (VRAF) = 1650 cm3
DIAMETRO DE LECHO ( D) = 6.6 cm.
FÓRMULA:
ALTURA DE LA RESINA
h = VRAF / π. r2
h = 2
3
26.61416.3
1650
x
cm
h = 48 cm.
3.7.8 CÁLCULO DEL ÁREA DE INTERCAMBIO ANIÓNICO. A = VRAF / h
A = cmcm
481650 3
A = 34 cm2
3.7.9 CALCULO DEL % DE EXPANSIÓN DE LECHO ANIÓNICO
%E = Valor recomendado 0.1 % de expansión Hoja técnica de resina.
% Exp = H – h / h % Exp = 60 - 48 / 48 % Exp = 0.25
131
3.7.10 CÁLCULO DE LA ALTURA DE LA COLUMNA ANIÓNICA H = h + %E (h) H = 48 + 0.25 (48) H = 60 cm.
3.7.11 CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DEL ACRÍLICO
FÓRMULA: S = P. D / 4 t
DATOS:
S = Resistencia
P= 19 psi
D = 2.59 pulg
t = 0.15 pulg
S = lg15.04lg59.219
puxpuxpsi
S = 82 psi
S = 5.6 atm.
3.7.12 CÁLCULO DE CO2 QUE SE TRANSFIERE AL AIRE
Q = K. a. P
K = 0.02357 lb /hr /ft2 / mmHg
a = 3.1416 x (0.36)2
a = 0.407 ft2
P = ½ HP soplante = 9atm = 6840 mmHg
Log = 6840 = 3.83
Q = 0.037 lb/hr de CO2
132
DIMENSIONAMIENTO DE LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES
SIMBOLOGÌA VARIABLE VALOR UNIDAD
p CANTIDAD DE AGUA A OBTENER
2.300,0 l
VAD VOLUMEN DE AGUA DESMINERALIZADA
608,5 gal
VRCF VOLUMEN DE RESINA CATIÓNICA
1,64 l
VRAF VOLUMEN DE RESINA ANIÓNICA
1,65 l
CRC CAPACIDAD DE RESINA CATIONICA
1.542,0 grn / l
CRA CAPACIDAD DE RESINA ANIONICA
1.033,0 grn / l
DT DUREZA TOTAL DEL AGUA
71,0 ppm
AT ANIONES TOTALES 48 ,0 ppm
h ALTURA DEL NIVEL DE RESINA
48,0 cm.
H ALTURA DEL LECHO
60,0 cm.
A AREA DE INTERCAMBIO EN LECHO 34,0 cm2
r RADIO DEL LECHO
3,3 cm.
%E PORCENTAJE DE EXPANSIÓN
0,25 %
DURACIÓN DEL CICLO 38 hr
CAPACIDAD OPERATIVA DE LA COLUMNA 99 %
133
CAPITULO IV
PRUEBAS EXPERIMENTALES
4.1 MANUAL DE OPERACIÓN Y SISTEMA DE CONTROL DE LA
UNIDAD DESMINERALIZADORA.
Dentro del campo operativo de la unidad desmineralizadora regirán las siguientes
operaciones, que se realizará de forma manual, y secuencial para el normal
funcionamiento y operación de la unidad. El agua a tratar en esta unidad es el agua potable de la red de distribución de la
ciudad de Guayaquil.
Los pasos a seguir son:
Verificar que todas las válvulas estén cerradas.
Abrir la válvula V-E de entrada del agua potable a la unidad
desmineralizadora.
Abrir la válvula de salida del filtro (V-R1) hacia el primer lecho.
Abrir las válvulas V-1 y V-2 por un instante para sacar el aire acumulado en
el lecho catiónico
Verificar la entrada del flujo al segundo lecho y abrir por un instante la
válvula V-3 para sacar el aire.
Prender el soplante y verificar la entrada de aire al desgasificador.
Verificar que el nivel de agua en la cuba de almacenamiento, se encuentre
en un nivel de las 2/3 partes de su capacidad.
134
Encender la bomba
Abrir la válvula (V-R2) del by-pass
Regular flujo de entrada al lecho n # 3 accionando válvula V-R2.
Verificar paso de flujo de agua al segundo lecho catiónico.
Abrirla por un instante la válvula V-5 y V-6
Observe el paso de flujo de agua al siguiente lecho abrir la válvula V-7.
Abrir la válvula V-8 por un instante.
Observe el paso de flujo al lecho mixto, cierre la válvula V-9
Abrir la válvula V-10 y recolectar el agua desmineralizada en un recipiente
seco y limpio.
El operativo de desmineralización efectuado en esta unidad se suspende una vez
que se compruebe que el agua desmineralizada registra un valor igual o mayor a 2
ppm, de S.T.D.
Sabiendo que un agua de buena calidad se encuentra dentro del rango de 0,2 a 2
ppm y un valor sobre este, ya no es recomendable para ciertos usos específicos
Ej.: en síntesis y preparación de reactivos.
4.2. REGENERACIÓN Y ENJUAGUE
La fase de regeneración teóricamente nos permite devolver la capacidad de
intercambio de iones H+ de las resinas catiónicas y los iones OH- de las resinas
aniónicas por los cationes y aniones respectivamente disueltos en el agua a tratar.
Una vez que las resinas se agotan, es decir que su capacidad intercambiadora
iónica es mínima, es necesaria su regeneración devolviéndoles así a las resinas su
135
capacidad de intercambio iónico. Esta operación es un proceso químico cíclico, y el
ciclo completo incluye de ordinario retrolavado, regeneración, enjuagado y servicio.
4.2.1. REGENERACIÓN Y ENJUAGUE DE RESINAS.
4.2.1.1. REGENERACIÓN DE LAS RESINAS CATIÓNICAS
Las resinas a regenerar son catiónicas fuertes, para este proceso es necesario
preparar una disolución de HCl al 10% (ácido clorhídrico).
Las cantidades calculadas a mezclarse son:
1,4 lts de HCl al 33% + 10,6 lts de agua.
4.2.1.2. MANUAL DE OPERACIÓN PARA LA REGENERACIÓN DE LAS RESINAS CATIÓNICAS
Remover el lecho de la resina conectando un flujo a contracorriente de
agua por la válvula inferior V-2.
Verificar que las válvulas V-1 y V-3 estén cerradas.
Conectar por la parte superior del lecho de la resina catiónica fuerte la
manguera del reservorio de la solución regenerante HCl 10 %
Abrir la válvula V-3 de entrada al lecho de la resina catiónica fuerte.
Registrar el tiempo de contacto resina - regenerante por un lapso de 30
minutos.
Abrir las válvulas V-4 de esta manera evacua la solución regenerante.
Retirar las mangueras de la parte superior de los lechos catiónicos fuertes.
136
4.2.1.3. ENJUAGUE DE RESINAS CATIÓNICAS.
Conectar nuevamente por la parte superior de los lechos una manguera y
dejar pasar un flujo moderado de agua que tiene la finalidad de enjuagar y
remover restos de la solución regenerante.
Cambiar la entrada del flujo de agua de enjuague por la parte inferior de los
lechos observamos que el agua cubra totalmente la resina, luego
evacuamos abriendo las válvulas V-2 y V-4.
La operación de enjuague de las resinas catiónicas la efectuamos hasta
comprobar que el pH del afluente registre un valor de 3 a 5 de su escala.
4.2.2. REGENERACIÓN Y ENJUAGUE DE RESINAS ANIÓNICAS 4.2.2.1. REGENERACIÓN DE RESINAS ANIÓNICAS
Las resinas aniónicas presentes en la unidad son aniónicas fuerte.
Para este proceso es necesario preparar una disolución de NaOH al 4% (hidróxido
de sodio), para preparar la disolución tomamos:
360 gramos de NaOH + 10 lts de agua.
4.2.2.2. MANUAL DE OPERACIÓN PARA LA REGENERACIÓN DE LAS RESINAS ANIÓNICAS
Verificar que las válvulas V-3 y V-7 estén cerradas.
Conectar por la parte superior del lecho la manguera del reservorio de la
solución regenerante.
Abrir el tiempo de 30 minutos de contacto de resina - regenerante al lecho.
Abrir las válvulas V-4 y V-8 de esta manera evacuar la solución regenerante
137
Con otra cantidad de la solución de regeneración de la resina aniónica
procedemos a la regeneración del segundo lecho aniónico operando de la
misma manera sus válvulas respectivas.
4.2.2.3. ENJUAGUE DE RESINAS ANIÓNICAS
Conectar por la parte superior de los lechos una manguera y dejar pasar el
flujo de agua que contiene la finalidad de enjuagarlo y remover restos de la
solución regenerante.
Cambiamos la entrada del flujo de agua de enjuague por la pare inferior de
los lecho en contracorriente observamos que el agua cubra totalmente las
resinas, luego evacuamos abriendo las válvulas V-3 y V-7.
La operación de enjuague de resinas aniónicas lo efectuamos hasta
comprobar que el pH del fluente registre un valor de 7 a 9 de su escala.
4.3. REGENERACIÓN DEL PROCESO GENERAL DE LA UNIDAD
DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES.
Cierre de la válvula de entrada del equipo V-E de tal forma que no exista
presión en las columnas de intercambio
Colocar las soluciones de ácido clorhídrico al 10% y sosa cáustica al 4% en
los recipientes que han sido seleccionados para el efecto.
Abrir las válvulas V-1 donde pasará el HCl al 10% y la V-3 donde pasará
NaOH al 4%, luego abra poco a poco las válvulas V-2 y V-4 para de esta
manera evacuar las soluciones regenerantes ; Esta misma solución se
utiliza en las dos columnas siguientes y se siguen los mismos pasos.
138
FIGURA 4.1 FLUJO DEL REGENERANTE RESPECTIVO EN LAS COLUMNAS
CATIÓNICAS Y ANIÓNICAS.
VE V1 V3
V-2 V-4
Abrir las válvulas marcadas con los números V-5 y V-7 la solución contenida
en cada lecho empezarán a fluir hacia abajo. Espere hasta que las
soluciones se hayan agotado por completo en c/u de los recipientes y
entonces cierre las válvulas inferiores V-6 y V-8.
Llene los recipientes nuevamente, con agua solamente repita el proceso
paso anterior hasta que los recipientes se vacíen por completo, deje que el
drenaje de las columnas continúen
Una vez terminado el enjuague de las columnas se cierran todas las
válvulas y luego se habré la llave principal entonces el agua llenara la
columna catiónica, inmediatamente abra la V5 y mantenga el enjuague
durante 10 minutos y luego cierre la llave principal.
Conecte el flujo de entrada por la válvula V- 5 y abra la válvula V- 6 de esta
manera el agua enjuagará la columna aniónica, mantenga el enjuague 10
minutos.
AF
CF
HCl 10 %
NaOH 4%
139
FIGURA 4.2 ESQUEMA DEL ENJUAGUE DE LOS LECHOS REGENERADOS
CATIÓNICOS Y ANIÓNICOS RESPECTIVAMENTE.
V5 V7
V-6 V-8
Abrir la válvula principal para el lavado final el flujo será el mismo de la
operación normal compruebe periódicamente la conductividad del agua que
sale, en cada lecho. Inicialmente el valor obtenido será elevado pero luego,
disminuirá hasta alcanzar un valor menor al máximo tolerable en operación.
Cuando esto suceda el equipo esta listo para operar nuevamente.
Tome en cuenta que cuando el equipo ha permanecido sin operar durante
algunas horas, la conductividad que posee el agua al empezar a fluir, es
siempre algo mayor. Que el que se tiene en flujo por tanto siempre que
empiece a obtener agua proceda es conveniente esperar que salgan
algunos litros de agua antes de empezar a utilizar el agua, si la
conductividad del agua proceda, permanece elevada, significa que debe
regenerar nuevamente el equipo. Equipo en operación normal
El lecho mixto no se puede regenerar normalmente como en los lechos
independientes, simplemente se comprobará su vida útil y se
reemplazará completamente con otro lecho mixto nuevo.
AF
CF
H2O
H2O
140
FIGURA 4.3 EQUIPO CONSTRUIDO EN OPERACIÓN DE REGENERACIÓN
NORMAL ESQUEMA Y FOTOGRAFIA
V1 V3 V5 V7 V9
V2 V4 V6 V8 V10
CF
AF
CF
AF
C.R
L M
HCl NaOH
NaOH HCl
141
4.4. CORRIDAS EXPERIMENTALES EN LA UNIDAD DESMINERALIZADORA DE LECHOS MÚLTIPLES CONSTRUIDA
Una vez realizada la construcción y montaje de la Unidad desmineralizadora de
lechos múltiples, y obedeciendo todos los parámetros establecidos en su diseño
procedemos a realizar pruebas de funcionamiento y operación de la Unidad.
Registramos los siguientes datos:
4.4.1 PRUEBAS EXPERIMENTALES EN EL LECHO CATIÓNICO TABLA 4.1 VALORES DE ENTRADA PARA EL LECHO CATIÓNICO
FUENTE: de la hoja técnica y datos determinados (ver anexos - IA)
Tipo de agua a tratar Potable
Flujo de entrada l/h 110
Solución regenerante HCl % 10
Temperatura de operación ºC Ambiente
Nivel de regenerante lb. / ft3 3.5
Volumen de resina catiónica fuerte ml 1640
Capacidad operativa de la columna % 98
Capacidad total de la resina eq /l 2
Dureza total de entrada del agua ppm 71
Área de intercambio iónico del lecho catiónico cm2 34
Resistencia del material del lecho catiónico psi 82
Duración estimada del ciclo hr 38
Presión del flujo de entrada psi 19
Valor estimado de expansión del lecho % 0.25
142
4.4.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES EN EL LECHO ANIÓNICO TABLA 4.2 VALORES DE ENTRADA PARA EL LECHO ANIÓNICO
FUENTE: datos de hoja técnica y valores determinados (ver anexos - IB)
Tipo de agua a tratar Potable
Flujo de entrada l/hr 110
Solución regenerante NaOH % 4
Temperatura de operación ºC Ambiente
Nivel de regenerante lb/ ft3 3
Volumen de resina aniónica fuerte ml 1650
Capacidad operativa de la columna % 98
Capacidad total de la resina eq /l 1.34
Aniones Totales en el agua ppm 48
Área de intercambio iónico del lecho aniónico cm2 34
Resistencia del material psi 82
Duración estimada del ciclo hr 38
Presión del flujo de entrada psi 19
Valor estimado de expansión del lecho %
0.25
143
CAPÍTULO V
TABULACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
5.1 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Todos los análisis realizados antes y después del proceso se los compara con los
rangos establecidos y cumplen con las normas que deben tener las aguas tratadas
en este tipo de equipos. Los resultados obtenidos en las pruebas experimentales
realizadas al efectuar el proceso de desmineralización se las indica a continuación.
TABLA 5.1 VALORES OBTENIDOS LUEGO DEL PRIMER PASO POR EL
LECHO CATIÓNICO FUERTE.
VOLUMEN DE
MUESTRA l
STD ppm
CONDUCTIVIDAD
μs
pH
DUREZA
ppm
0 115 205 7.0 71
10 112 201 4.55 12
30 109 192 4.55 0
50 103 188 4.86 0
100 100 180 4.92 0
200 96 174 5.02 0
500 92 170 5.12 0
700 90 167 5.26 0
1000 87 160 5.38 0
1200 84 158 5.42 0
1400 78 141 5.61 0
1600 75 137 5.91 0
2000 73 130 5.97 0
2300 70 127 6.07 0
144
ANÁLISIS DE LA TABLA 5.1
Se determina que conforme el volumen de muestra se va incrementando, los
valores de los sólidos totales disueltos (STD) disminuyen llegando a un valor de
70 ppm dentro de los 2300 l que se van a tratar, luego de esto observamos que a
los 2400 l los STD y los demás parámetros se van incrementando, Indicándonos
que la resina se está agotando.
De la misma manera determinamos que el valor del pH que entra al primer
lecho catiónico es neutro y que a medida que circula por este y sale se mantiene
dentro del rango de una solución ácida.
En cuanto a la conductividad (μs) los valores disminuyen conforme va
incrementándose el volumen de agua, lo que nos demuestra la buena calidad
de la resina catiónica en la eliminación de los minerales presentes.
También podemos decir que la conductividad es directamente proporcional a los
sólidos totales disuelto, esto es, que a medida que la conductividad disminuye, los
STD también disminuyen.
El valor de la dureza (ppm) del agua que entra y sale de la primera unidad del
lecho catiónico disminuye totalmente, por lo que se puede observar valores de
cero dureza.
145
GRÁFICO 5.1.a
STD VS VOLUMEN
020406080
100120140
0 500 1000 1500 2000 2500
VOLUMEN l
STD
. pp
m
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.1.a En el gráfico 5.1.a, se aprecia una curva que nos permite determina que el valor
de STD. es inversamente proporcional a la cantidad de agua a tratar, es decir
a mayor volumen de agua menor será el valor de los STD.
Al final del ciclo los STD comienzan a incrementarse, indicando el agotamiento
de la resina.
GRÁFICO 5.1.b
pH VS VOLUMEN
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
0 500 1000 1500 2000 2500
VOLUMEN l
pH
146
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.1.b
En el gráfico 5.1.b, se aprecia una curva que nos permite determinar que el
valor del pH se mantiene dentro de un rango ácido, durante el paso por las resinas
catiónicas.
GRÁFICO 5.1.c
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.1.c
En el gráfico 5.1.c, se aprecia una curva que nos demuestra que el valor de la
dureza total dada por las sales de calcio y magnesio han sido removidos en su
totalidad por la resina catiónica en el ciclo hidrógeno, esto es, cero ppm lo que nos
confirma una buena efectividad de las resinas.
DUREZA VS VOLUMEN
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500
VOLUMEN l
DUREZ
A p
pm
147
GRÁFICO 5.1.d
Conductividad VS Volumen
0
50
100
150
200
250
0 500 1000 1500 2000 2500
VOLUMEN l
Con
duct
ivid
ad
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.1.d
En el gráfico 5.1.d, se aprecia una curva que nos demuestra, que el valor de la
conductividad es inversamente proporcional al volumen de agua tratada, es decir
a mayor volumen menor conductividad, notándose así la disminución de los
minerales disueltos.
148
TABLA 5.2 VALORES OBTENIDOS LUEGO DEL PRIMER PASO POR EL
LECHO ANIÓNICO FUERTE.
ANÁLISIS DE LA TABLA 5.2
Se determina que conforme el volumen de muestra se va incrementando, los
valores de los sólidos totales disueltos (STD) disminuyen, llegando a un
volumen aproximado de 500 l en adelante en que el valor se mantiene dentro
del rango de 1-2 ppm mostrándonos que obtenemos un agua de buena calidad, al
VOLUMEN DE
MUESTRA l
STD
ppm
CONDUCTIVIDAD
μs
pH
CLORUROS
ppm
0 78 164 4.58 13
10 42 63 6.72 9
30 17 22 6.79 6.2
50 6.0 8 6.83 2.78
100 2.7 4.5 6.95 1.48
200 2.5 4.2 7.04 0.56
500 2.0 3.9 7.09 0.51
700 2.0 3.4 7.12 0.25
1000 2.0 3.4 7.12 0.21
1200 1.8 3.1 7.16 0.17
1400 1.6 2.6 7.15 0.15
1600 1.6 2.5 7.16 0.15
2000 1.4 2.2 7.18 0.12
2300 1.9 3.7 7.10 0.98
2400 4.7 8 7.23 1.20
149
final del ciclo comienzan a subir indicándonos que se debe regenerar las
resinas.
De la misma manera, se determina que el valor del pH del agua tratada una
vez que sale del primer lecho catiónico y entra al lecho aniónico su valor
aumenta, y se mantiene dentro de un rango básico.
En cuanto a los cloruros los valores que se registran son mínimos luego del
paso por el primer lecho aniónico lo que demuestra la capacidad de
intercambio de la mencionada resina.
En lo referente a la conductividad, podemos decir que este parámetro va
disminuyendo debido a que son retenidos tanto los cationes como los aniones; en
este lecho se produce lo que se conoce como desmineralización.
En cuanto a la conductividad, podemos decir que es directamente proporcional a
los sólidos totales disuelto, es decir que a medida que la conductividad disminuye,
los STD también disminuyen. GRÁFICO 5.2.a
STD VS VOLUMEN
0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
STD
ppm
150
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.2.a En el gráfico 5.2.a, se aprecia una curva que nos permite determinar, que el
valor de los S.T.D, es inversamente proporcional a la cantidad de agua a tratar,
con un rango de 2 – 1 ppm desde los 500 a 2300 l de muestra, lo que significa la
buena capacidad de intercambio de esta resina y la buena calidad de agua
obtenida.
GRÁFICO 5.2.b
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.2.b En el gráfico 5.2.b, se aprecia una curva que nos permite determinar los valores
de los Cloruros presentes en la muestra, y esta es inversamente proporcional a
la cantidad de agua a tratar, es decir, a mayor volumen de agua menor será el
valor de ppm de los cloruros, llegando a un valor de 2300 l donde los cloruros
comienzan a incrementarse.
CLORUROS VS VOLUMEN
0,002,004,006,008,00
10,0012,0014,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
CLO
RU
RO
S p
pm
151
GRÁFICO 5.2.C
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.2.c
En el gráfico 5.2.c se aprecia una curva que partiendo de un pH ácido, al atravesar
la resina aniónica su valor se va incrementando y se mantiene dentro de un rango
básico.
pH VS VOLUMEN
01234
5678
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
pH
152
TABLA 5.3 VALORES OBTENIDOS EN EL SEGUNDO PASO POR EL
LECHO CATIÓNICO FUERTE.
ANÁLISIS DE LA TABLA 5.3
Se determina que conforme el volumen de muestra va incrementándose los
valores de los sólidos totales disueltos (STD), disminuyen llegando a valores de
1 ppm. De la misma manera, se determina que el valor del pH del agua
tratada una vez que sale del primer lecho aniónico y entra al segundo lecho
catiónico su valor disminuye, manteniéndose durante la operación dentro de un
rango ácido.
VOLUMEN DE
MUESTRA l
STD ppm
CONDUCTIVIDAD
μs
pH
DUREZA
ppm
0 42 63 6.72 0
10 15 24 6.04 0
30 5 9 5.37 0
50 3 5 3.80 0
100 2.3 4.2 3.51 0
200 2.1 3.9 3.43 0
500 1.4 2.2 3.51 0
700 1.4 2.2 3.86 0
1000 1.2 2.1 3.86 0
1200 1.2 2.1 3.86 0
1400 1.1 2.0 3.86 0
1600 1.0 1.9 3.86 0
2000 1.0 1.9 3.86 0
2300 2.0 3.7 4.02 0
2400 3.7 6.9 4.15 0.87
153
En cuanto a la conductividad, podemos decir que es directamente proporcional a
los sólidos totales disuelto, es decir que a medida que la conductividad disminuyen,
los STD también disminuyen. La dureza no ha sufrido alteración.
GRÁFICO 5.3.a
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.3.a En el gráfico 5.3.a, se aprecia una curva que partiendo de un pH ligeramente
ácido, registra un descenso al pasar por la segunda resina catiónica fuerte; lo que
confirma la formación de soluciones ácidas en este lecho.
GRÁFICO 5.3.b
pH VS VOLUMEN
0,001,002,003,004,005,006,007,008,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN
pH
CONDUCTIVIDAD VS VOLUMEN
0,0
10,020,0
30,040,0
50,060,0
70,0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
CO
ND
UC
TIVI
DA
D μ
s
154
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.3.b
En el gráfico 5.3.b, se aprecia una curva que nos demuestra que la
conductividad es inversamente al volumen de la muestra, notándose un incremento
en su conductividad a los 2400 l.
GRÁFICO 5.3.c
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.3.c
En el gráfico 5.3.c, se aprecia una curva que nos permite determina que el valor
de STD. es inversamente proporcional a la cantidad de agua a tratar,
obteniéndose valores de 1 ppm, demostrando una buena calidad de agua y una
buena capacidad de la resina: al final del ciclo los STD. Comienzan a
incrementarse, indicando el agotamiento de la resina.
DUREZA VS VOLUMEN
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
DU
REZ
A p
pm
155
TABLA 5.4 VALORES OBTENIDOS EN EL SEGUNDO PASO POR EL
LECHO ANIÓNICO FUERTE.
ANÁLISIS DE LA TABLA 5.4
Se determina que conforme el volumen de muestra se va incrementando, los
valores de los sólidos totales disueltos (STD) disminuyen, llegando a un valor
aproximado de 0.7 ppm, lo que nos refleja la buena calidad de agua obtenida,
luego de esto los valores van incrementándose indicándonos que la resina necesita
regeneración.
VOLUMEN DE
MUESTRA l
STD
ppm
CONDUCTIVIDAD
μs
pH
CLORUROS
ppm
0 15 32 6.04 0
10 1.0 1.78 6.57 0
30 1.0 1.75 6.71 0
50 1.0 1.75 8.12 0
100 1.0 1.75 8.24 0
200 1.0 1.75 8.15 0
500 0.9 1.74 8.12 0
700 0.8 1.52 8.12 0
1000 0.8 1.51 8.11 0
1200 0.8 1.46 8.10 0
1400 0.7 1.34 8.09 0
1600 0.7 1.37 8.10 0
2000 0.9 1.72 8.04 0
2300 1.35 2.82 7.96 0
2400 3.22 6.07 7.14 1
156
De la misma manera, se determina que el valor del pH del agua tratada, una
vez que entra al segundo lecho aniónico su valor aumenta lo que demuestra la
formación de soluciones básicas, producto del intercambio iónico. Los cloruros
registran valores de cero lo que demuestra una completa eliminación de los
minerales presentes en el agua que se está tratando.
En cuanto a la conductividad (μs) los valores disminuyen conforme va
incrementándose el volumen de agua, lo que nos demuestra la buena calidad
de la resina catiónica en la eliminación de los minerales presentes.
También podemos decir que la conductividad es directamente proporcional a los
sólidos totales disuelto, esto es, que a medida que la conductividad disminuyen, los
STD también disminuyen.
GRÁFICO 5.4.a
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.4.a
Se determina que conforme el volumen de muestra se van incrementando, los
valores de los sólidos totales disueltos (STD) disminuyen, llegando a un valor
aproximado de 0.7 ppm, debido a que los aniones son eliminados, obteniendo una
buena calidad de agua, luego de esto los valores van incrementándose
indicándonos que la resina necesita regeneración.
STD VS VOLUMEN
02468
10121416
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
STD
pp
m
157
GRÁFICO 5.4.b
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.4.b
En el gráfico 5.4.a, se aprecia una curva que partiendo de un pH ligeramente
ácido, va incrementándose a medida que pasa por la resina aniónica fuerte,
manteniéndose dentro de un rango básico.
pH VS VOLUMEN
0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
pH
158
TABLA 5.5 VALORES OBTENIDOS LUEGO DEL PASO POR EL LECHO
MIXTO.
ANÁLISIS DE LA TABLA 5.5
Los valores registrados en el lecho mixto nos indican la eficiencia del
desmineralizador de lechos múltiples construido.
Esta tabla registra valores de 0.4 ppm de STD indicándonos que hemos obtenido
un agua de excelente calidad; la conductividad registra valores en el rango de 1 a 2
μs.
VOLUMEN DE
MUESTRA l
STD ppm
CONDUCTIVIDAD
μs
pH
CLORUROS
ppm
DUREZA
ppm
0 1.0 2.10 7.1 0 0
10 0.9 2.00 7.1 0 0
30 0.8 1.75 7.1 0 0
50 0.7 1.53 7.1 0 0
100 0.6 1.34 7.1 0 0
200 0.5 1.14 7.1 0 0
500 0.4 1.02 7.2 0 0
700 0.4 1.02 7.2 0 0
1000 0.4 1.02 7.2 0 0
1200 0.4 1.02 7.2 0 0
1400 0.4 1.02 7.2 0 0
1600 0..4 1.02 7.2 0 0
2000 0.4 1.02 7.2 0 0
2300 0.9 2.00 7.0 0 0
2400 1.87 3.65 6.8 0 0
159
Los cloruros registran valores de cero, lo que demuestra una completa eliminación
de los minerales presentes en el agua que se está tratando.
La dureza total dada por las sales de calcio y magnesio han sido removidos en su
totalidad.
El pH registra valores entre 7.1 a 7.7 encontrándose dentro del rango básico.
Analizando todos estos parámetros nos damos cuenta que hemos obtenido un agua
desmineralizada de excelente calidad de 0.4 ppm de STD, una efectiva operación
de la unidad diseñada, y de la buena capacidad de las resinas catiónicas y
aniónicas utilizadas.
GRÁFICO 5.5.a
STD VS VOLUMEM
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
VOLUMEN l
STD
ppm
160
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.5.a
Analizando este gráfico podemos decir que los sólidos totales disueltos se han
reducido a 0.4 ppm indicándonos que hemos obtenido un agua desmineralizada de
excelente calidad para ser utilizada en los laboratorios, industrias alimenticias,
calderas de alta presión etc. Y se puede apreciar la buena capacidad de las resinas
catiónicas y aniónicas utilizadas.
GRÁFICO 5.5.b
pH VS Volumen
6.7
6.8
6.9
7
7.1
7.2
7.3
0 1000 2000 3000
VOLUMEN l
pH
ANÁLISIS DEL GRÁFICO 5.5.b
En el gráfico 5.5.b, se aprecia una curva donde el pH se encuentra dentro de un
rango básico, esto se debe a que el agua que ingresa al lecho mixto, primero
atraviesa la resina catiónica donde el pH se vuelve ácido, pero al seguir
atravesando el lecho aniónico el pH se vuelve básico.
161
5.2 CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos de los experimentos realizados, así como de la
experiencia ganada durante el desarrollo de esta tesis, llegamos a las siguientes
conclusiones.
1. La resina catiónica fuerte tipo ácido remueven todos los cationes de las sales de
ácidos fuertes (ClNa, NO3Na, SO4Ca) y de ácidos débiles, permitiendo así
atrapar alguna fuga de cationes de sales débiles del anterior lecho.
2. El desgasificador remueve el ácido carbónico en forma de CO2, que se produce
mayoritariamente durante el intercambio catiónico.
3. Las resinas aniónicas fuerte remueve todo tipo de anión de ácidos fuertes y
débiles (H2CO3, SiO3, SO4, Cl) presentes en mayor proporción en el agua
tratada al salir del lecho catiónico.
4. Como la remoción de los iones en cada uno de los dos primeros lechos no es
total, el ensuciamiento de las resinas produce la rotura, deterioro químico por
cloro y oxígeno; con la disposición de lechos en un sistema múltiple, se
asegura eliminación total de todos los cationes y aniones.
5. Una correcta regeneración de las resinas se da utilizando los regenerantes y
sus concentraciones adecuadas, permite que la unidad desmineralizadora
cumpla a satisfacción con su fin.
6. El retrolavado de los lechos antes de la regeneración es sumamente necesario
ya que nos permite aflojar las resinas eliminando la canalización y la suciedad
presente.
7. Cuando se calcula la altura de cada lecho se debe aumentar un porcentaje de
éste para permitir la expansión de la resina, valor recomendado de 25% para
las resinas catiónica y aniónicas del valor de volumen de la resina.
162
8. El retrolavado de las resinas se debe continuar hasta que los efluentes salgan
completamente limpios y el pH del lecho catiónico sea completamente ácido y
el del lecho aniónico sea básico.
9. Las resinas catiónicas débil y fuerte se regenera con HCl o H2SO4, en nuestro
caso utilizamos una solución de HCl al 10 %.
10. Si se utiliza una concentración inicial muy alta del regenerante ácido se forman
sales insolubles de los cationes, impidiendo su desprendimiento de las resinas
durante la regeneración
11. La sosa remueve la sílice (SiO2) principalmente, pudiendo esta estar
polimerizada dentro de la resina, por efecto de la temperatura, dificultando su
eliminación.
12. El efluente final obtenido, cumple con las especificaciones de calidad de agua
deseada en este trabajo, por lo tanto el equipo de desmineralización funciona
adecuadamente, como así lo demuestran los informes de los análisis de
laboratorios (anexos)
13. Se empezó a notar el agotamiento de la resina, luego de que por estas habían
pasado 2300 litros de agua.
14. Un conocimiento correcto de la parte mecánica y operacional del equipo,
asegura un buen rendimiento del mismo.
15. Las resinas viejas son resquebradizas, perdiendo así su vida útil. De acuerdo a
los fabricantes la resina catiónica dura máximo 3 años y la resina aniónica tiene
una vida útil de entre 5 a 7 años, por eso su costo.
163
5.3. RECOMENDACIONES
Del análisis de los resultados, experimentaciones realizadas, así como de la
experiencia ganada durante el desarrollo de esta tesis, sugerimos las siguientes
recomendaciones.
1. Se recomienda que para la desmineralización de aguas con una dureza de
1000 ppm como máximo, se debe utilizar un equipo de intercambio de lechos
múltiples.
2. Para que asegure la calidad de agua desmineralizada, es conveniente que
diseñe una Unidad, utilizando los lechos con resinas fuertes y débiles.
3. Esté seguro de conocer perfectamente la parte mecánica de la Unidad antes de
operar, para que de esta manera lo maneje bien y obtenga los resultados
esperados.
4. La altura del lecho debe ser no menor a 0.60 m, para favorecer el tiempo de
contacto entre el agua a tratar y las resinas, mejorando el intercambio.
5. Como la resina aniónica débil no remueve ácidos débiles tales como el H2CO3 y
H2SiO3, debe inevitablemente estar presente en un lecho de resina aniónica
fuerte que retiene el CO2 y sílice hasta niveles muy bajas.
6. No permita fuga excesiva de cationes, porque la resina aniónica no las atrapa,
pasando estas a los equipos y tuberías donde formarán incrustaciones.
7. Antes de los lechos, coloque un filtro de carbón activado para retener la
suciedad, esta agotara más rápidamente las esferas de resina disminuyendo la
capacidad de intercambio.
8. Cuando observe que las resinas han cambiado de color, es una muestra del
agotamiento.
164
9. Si las resinas se han agotado, controlando los valores de STD, y Dureza
inicie la regeneración, determinada.
10. No debe faltar el retrolavado antes de iniciar la regeneración propiamente dicha.
11. En el retrolavado debe tener una expansión del 25% del volumen del lecho,
mantener además el flujo de agua de tal manera que esta logre salir conjunta y
continuamente con el sucio, por la parte superior del lecho.
12. Como la resina catiónica tiene una vida útil de 3-5 años, cambiar el 10%
cada año, y de la resina aniónica cambiar el 20% cada año cuando se trata de
aguas que bordean el máximo del limite de dureza requerida, para este
proceso..
13. Al operar normalmente el equipo y durante el retrolavado, no permita excesiva
presión sobre las resinas, esta las romperá, causando daños sobre su
estructura.
14. Como este equipo va ha ser utilizado periódicamente, antes de cada corrida
debe iniciarse un retrolavado para eliminar la suciedad o lodo que pudiera
haberse formado, aflojar las resinas para que desaparezca la canalización,
aumentando de esta manera el intercambio iónico.
15. ***Luego del uso de la unidad desmineralizadora, dejar las llaves de drene
abiertas para que salga el agua completamente de los lechos y evitar que se
formen algas o mohos sobre las esferas, en detrimento del buen funcionamiento
del equipo.
16. Iniciar la regeneración ácida por el lecho de resina catiónica fuerte y que su
efluente pase al lecho débil durante 30 minutos en el caso de que el sistema
este formado por las dos resinas.
165
17. La concentración del regenerante básico (NaOH), debe ser del 4% y debe
inicialmente ser introducida en el lecho de resina aniónica fuerte y luego pasar
el lecho aniónico débil durante 60 minutos, en el caso de que el sistema este
formado por las dos resinas.
18. Al existir la posibilidad de que la Sílice se polimerice dentro de la resina
aniónica, la sosa cáustica debe ingresar caliente aproximadamente a 49 ºC
para que rompa el polímero formado y eliminarla de esta manera.
19. Posteriormente de la regeneración iniciar el enjuague y lavado de los lechos
para eliminar el exceso de regenerante controlando el valor de pH.
166
5.4 BIBLIOGRAFIA
1. Tratamiento de Agua para la Industria y otros Eskel- Nordel, 2da edición;
Editorial Continental 1990 Cap; 15, 16, 17.
2. Manual de Procesos Químicos en la industria George T. Austin, Tomo III, 5ta
Edición, Editorial McGraw - Hill Inc. USA 1990, México.
3. Manual del Agua Su Naturaleza, tratamiento y Aplicaciones Nalco Chemical
Company.
Frank N. Kemmer, Jhon McCallion, Tomo III, edición McGraw – Hill Book Co,
USA, Mexico D.F, 1995
4. Manual de Agua para usos Industriales, Shepard T. Powell, Editorial Limusa,
SA, México, 1992..
5. Tesis de grado Nº 363 1987, Construcción de un ablandador de agua tipo
didáctico. Amada Pino de Decaer Facultad de Ingeniería Química ,
Universidad estatal de Guayaquil.
6. Tesis de grado Nº 324, Alarcón Sánchez, Andrade Zambrano, Diseño,
construcción y montaje de un desmineralizador por intercambio Iónico 1986.
7. Manual de Tratamiento de agua Lipesa, Venezuela – Caracas 1989, Editorial:
Gráficas Chumar. Cap. 2. Autor: Caraspe R Héctor J.
8. Purificación de aguas, tratamiento y remoción de aguas residuales: Autor
Gordon Meskew Fair , Editorial: Limusa 1ra edición México. 1973.
9. Manual del Ingeniero Químico de Perry 6ta edición, Tomo IV sección 14
McGraw-Hill, Inc, USA. México 1992
167
INTERNET.
http://www.iupac.org/gold book/so5566 pdf
http://ntri.tamuk.edu/fplc/ion.html
www.polydex.com/v2/home.html
www.biol.paisley.ac.uk/courses/stfunmac/glossary/cellulose.html.
http//www.lenntech.com/español/industria-electro-galvanica.htm.
http//www.lentech.com/español/agua-de-alimentacion-de-la caldera.htm
http//www.lentech.com./español/trayectoria-de-la-decisión-del tratamiento-
de-aguas.htm.
http//www./enntech.com/español/icristoalografic.htm
http//www.psrc.usm.edu/html
http//www.rpi.edu/dpt/chem-eng/biotech-enviro/IONEX/resin.html.
http//www.abiotech.com/product/publication/downstream/pagesfrom Ds 30-
8-10.pdf
http//stingray.bio.cmu.edu/- web/bc/leclec19Df
http//www 6.amershambios
ciences.com/optrix/upp01077.nsf/content/homepage-country-select.
168
5.5. GLOSARIO Aireación
Proceso mecánico basado en la transferencia de masa entre una fase líquida
(agua) y otra gaseosa (aire) hasta el establecimiento de un estado de equilibrio
entre los gases presentes en el agua y en el aire.
Agotamiento
Estado transitorio de un intercambiador de iones cuando después de cierto tiempo
de estar en servicio ha perdido su efectividad o poder intercambiar, por haber
cedido los iones con los que originalmente estaba cargado.
Agua desionizada
Es aquella en la cual se han eliminado prácticamente los electrolitos contenidos en
la misma mediante un proceso de intercambio iónico.
Agua dura
Aquella que posee un alto contenido de dureza.
Agua potable
Aquella que es química y microbiológicamente apta para el consumo humano
Agua suavizada
Aquella en la cual se ha eliminado la dureza total o parcialmente.
Agua tratada
169
Aquella que ha recibido cualquier tratamiento físico-químico.
Alcalinidad
Capacidad cuantitativa de un medio acuoso para reaccionar con los iones
hidrógeno.
Alcalinidad de bicarbonatos
Es la alcalinidad causada por la presencia de bicarbonatos.
Alcalinidad de carbonatos
Es la alcalinidad causada por la presencia de carbonatos.
Alcalinidad de hidróxidos Es la alcalinidad causada por la presencia de hidróxidos.
Alcalinidad parcial Es la alcalinidad causada por todos los hidróxidos y/o la mitad de los carbonatos, se
conoce comúnmente como la alcalinidad P.
Alcalinidad total.
Es la alcalinidad causada por la suma de bicarbonatos, carbonatos o de
hidróxidos, se conoce comúnmente como la alcalinidad M.
Anión Átomo o grupo de átomos cargados negativamente y que en una celda electrolítica
se dirigen hacia el polo positivo o ánodo.
170
Cantidad específica de regenerante
Peso del producto regenerante utilizado por unidad de volumen del material de
intercambio iónico a regenerar.
Capacidad de intercambio iónico
Cantidad de iones que es capaz de intercambiar una sustancia intercambiadora de
iones de una solución con la cual se pone en contacto.
Capacidad de ruptura
Capacidad obtenida en la operación en columna cuando se detiene el intercambio
por la aparición en el efluente de los iones que desea eliminar. Capacidad efectiva
Es aquella que depende del grado de ionización de los grupos intercambiadores
activos al valor pH al cual se realiza el intercambio.
Capacidad total de intercambio iónico
Una cantidad constante e igual al número total de cargas del intercambiador y que
se expresa generalmente en equivalentes por unidad de peso o volumen.
Capacidad útil
Capacidad utilizada cuando no se ha alcanzado el equilibrio y que depende de las
condiciones en que se realiza el intercambio.
Carbón activado
Partículas de carbón que posee gran capacidad de absorción que se obtiene, por lo
general, por carbonización de material celulósico y que se utiliza principalmente
para el control del sabor y del olor y la eliminación del color.
171
Carga específica
Volumen de agua por unidad de volumen de material intercambiador que pasa a
través de un lecho durante una hora.
Catión
Átomo con carga positiva que en una celda electrolítica se dirige hacia el cátodo
polo negativo.
Ciclo hidrógeno
Ciclo de intercambio iónico donde la eliminación de cationes del agua se lleva a
cabo sustituyéndolos por una cantidad equivalente de iones hidrógeno presentes
originalmente en el material intercambiador. Se utiliza por lo general, como primera
etapa de un proceso de desmineralización.
Obturación
Taponamiento o recubrimiento de un cuerpo con otro material, Ej. Obturación de
las resinas en los lechos a cargo de lodos y suspensiones presentes.
Carga Hidráuli ca
Fuerza que ejerce un fluido o liquido sobre una superficie.
Hidrólisis
Tipo de reacción química en la molécula de agua, se descompone en
fragmentos H+ y OH- y estos a su vez se unen con otras sustancias.
Ej. Las hidrólisis de las sales que originan disoluciones ácidas y básicas.
172
5.6 NOMENCLATURA VRCF = volumen de resina catiónica fuerte, l.
VRA F Volumen de resina aniónica fuerte, l.
VRC Volumen de resina catiónica, cm3
VRA Volumen de resina aniónica, cm3
CR Capacidad de la resina, grn / l.
DT Dureza total, ppm.
p Producción de agua a obtener, l.
h Altura de la resina cm.
r Radio del lecho, cm.
V Volumen de un cilindro, cm3
A Área de intercambio, cm2
H Altura de la columna , cm
%E Porcentaje de expansión del material
AT Aniones totales (Cl-, sílice, CO2, sulfatos), ppm.
P Presión máxima de trabajo
D Diámetro de la columna
S Esfuerzo admisible de trabajo del acrílico
173
t Espesor del material de lechos
Q Cantidad de gas transferido, lb./hr
K coeficiente de transferencia del CO2 al aire.
∆P Cambio de presión. mmHg
V-R Válvula reguladora
V-E Válvula de entrada
Kgrn Kilogranos
175
ANEXO 4B MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO REACTIVOS:
DESCRIPCION
CARACTERISTICA
Soluc. De HCl 10% conc.
Soluc. De NaOH 4% conc.
Agua a tratar Potable
Resina Catiónica S- 100 mono Plus de Bayer
Resina Aniónica M-500 Mono Plus de Bayer
Soluc. De Nitrato de Plata( NO3Ag) 0.1 N
Carbón Activado Granulado en cartucho
Tiras de pH Mide rangos 0 -14
Kit de pruebas de Dureza
MATERIAL DE LABORATORIO DE AGUAS DE LA FACULTAD DE ING. QUIMICA UTILIZADO EN LAS PRUEBAS.
DESCRIPCION CARACTERISTICA MARCA
Conductímetro Rango 0 – 2000 ppm HAGH
Tubos de ensayo # 15 Pyrex
Gotero 0.05 ml Pyrex
Pipeta Graduada 5ml Pyrex
Peachimetro Rango de 0 - 14 HAGH
Vaso de precipitación 50 ml Pyrex
Probeta graduada 100ml Pyrex
Bureta 25 ml Pyrex
176
ANEXO 4C MATERIALES Y EQUIPOS:
DESCRIPCION CARACTERISTICA MARCA
Tubos para Lechos Acrílico Transparente Comercial
Tubo PVC de 110 mm Plastigama
Una Y PVC de 110 a 63 mm Plastigama
Reducciones de Diametro PVC de 2 ½ a ½ pulg. Plastigama
Angulo de acero Estructura de Armazón Comercial
Bomba centrifuga ¼ HP 110 w Week
Blower ( soplante) ¼ HP 110 W Week
Frascos plásticos Capacidad 1lt Comercial
4 Baldes plásticos Capacidad 10 lts Comercial
Manguera Plástica 10 mts Comercial
4Tachos Plásticos Capacidad 1 gal. Comercial
Filtro de Carbón activado 2 1/2 pulg
Tubo Plástico ½ pulg. Plastigama
12 Válvulas de Bola PVC ½ pulg Plastigama
2 Válvulas de paso ½ pulg. galvanizada
Pintura esmalte Color blanca y azul Cóndor
Herramientas Gasfiteria Comercial
Alambre y accesorios Eléctricos Comercial