Tecnologías

INTERCAMBIO IÓNICO

Tratamiento para la eliminación de iones disueltos en el agua a través de resinas de intercambio iónico que se reactivan mediante el uso de regenerantes.
El principio de intercambio iónico consiste en el intercambio de iones entre un sólido y un líquido, en el cuál no se produce ningún cambio sustancial en la estructura del sólido.
Al ser el intercambio iónico una reacción reversible, el material de intercambio puede ser regenerado para nuevos procesos.
Principales tipos:

  • Desmineralización
    • Catión – Anión
    • Lecho mixto
  • Desnitrificación
  • Descarbonatación
  • Descalcificación
  • Otros

APLICACIONES

Algunas de las aplicaciones del intercambio iónico son:

  • Como post-tratamiento de otros procesos, por ejemplo, la ósmosis inversa
  • En procesos industriales, asociados a diversos sectores:
    • En la industria agroalimentaria
    • En la industria química y farmacéutica
    • En la industria energética, electrónica y nuclear
    • Para el tratamiento de superficies
    • Para el aporte de agua de calderas.
  • Para la potabilización del agua (eliminación de perclorato y uranio, entre otros)
intercambio ionico

FUNCIONAMIENTO

Los intercambiadores de iones son sustancias insolubles que se presentan en forma granular, como pequeñas perlas, denominadas resinas, y que son capaces de absorber iones de una solución cediendo a cambio una cantidad equivalente de otro ion sin modificación aparente de su aspecto físico ni de su solubilidad. Este intercambio solo funciona entre iones de igual carga eléctrica (cationes por cationes y aniones por aniones).

La resina más habitual es la obtenida por copolimerización del estireno y el divenilbenceno (DVB), que solidifican en forma de esferas en las que se inserta el grupo activo de intercambio.

Estas resinas tendrán una superficie específica y uniformidad distintas según el tipo de aplicación y el grupo activo de los radicales.

CATIÓNICAS

(C)

FUERTES (CF)

Grupos sulfónicos 

(R-SO3)

Regeneradas con NaCl: Cambian cationes divalentes y trivalentes por iones sodio. 

Regeneradas con ácido fuerte: Cambian todo tipo de cationes por H+

DÉBILES (CD)

Grupos carboxílicos 

(R-COOH)

Regeneradas con ácido fuerte: Cambian cationes ácidos débiles e hidróxido por H+

ANIÓNICAS

(A)

FUERTES (AF)

Grupos amonio cuaternario

Cambian aniones ácidos fuertes y débiles (SiO2 , CO2, ácidos orgánicos) por grupos OH-

DÉBILMENTE BÁSICAS (AD)

Grupos amonio terciario

Cambian aniones ácidos fuertes (Cl-, SO4=, NO3) por grupos OH-
MEDIANAMENTE BÁSICAS Mixta entre las dos anteriores
ESPECIALES Macroporosas Pueden ser CF, CD, AF, AD y tienen mayor resistencia mecánica, a la temperatura y a los oxidantes
Selectivas de metales Son CF regeneradas con ácido
Scravanger o adsorbentes Son AF microporosas y retienen materia orgánica y coloides. Se regeneran con NaCl

La capacidad de intercambio de las resinas será distinta para cada tipo. Esto es una medida del número total de puestos activos que están disponibles para el intercambio (eq/L o eq/kg). Además, se induce un cambio en el volumen.

Los valores típicos para resinas en distintas formas iónicas son:

Una vez alcanzada la capacidad de intercambio, podemos decir que la resina está agotada. Cuando esto sucede, se procede a su regeneración. Esto es un conjunto de operaciones que permite el desplazamiento de los iones retenidos hasta dejar de nuevo la resina en su estado de carga inicial.

La primera operación del proceso es el contra lavado: se hace pasar el agua en el sentido ascendente, provocando la descompactación del lecho y la eliminación de posibles partículas que puedan haber quedado retenidas. Esta operación se realizará a una velocidad crítica fijada por el fabricante de la resina.

A continuación, en el sentido de lavado, se introducirá una solución regenerante que será de:

  • HCL o HSO4 para el intercambio catiónico
  • NaOH (sosa cáustica) para el intercambio aniónico

Esta operación se realiza a una concentración controlada específica en cada caso. Se procede entonces al lavado del lecho, que se compone de dos etapas: un lavado lento, cuyo objetivo es que la solución regenerante llegue a todo el lecho, y un lavado rápido para eliminar cualquier resto de solución regenerante y dejar la resina en el estado idóneo para comenzar un nuevo ciclo de trabajo.

El proceso que se produce durante la regeneración es el inverso al del agotamiento.

  • Para resinas catiónicas: Na-R + HCl   ->   H-R + NaCl
  • Para resinas aniónicas: Cl-R + NaOH   ->   R-OH + NaCl

Las aguas naturales contienen iones de calcio y magnesio que forman sales poco solubles. Estos cationes, entre otros menos comunes como el estroncio o el bario, se llaman iones de dureza. Cuando el agua se evapora, pueden precipitar y formar sólidos.

El agua dura produce incrustaciones y puede generar turbidez, por eso es necesario eliminar estos componentes en la medida de lo posible para conseguir un agua más blanda.

Para ello, se utilizan resinas intercambiadoras de cationes fuertemente ácidas en las que el ion intercambiable es el sodio Na, denominándose genéricamente resina catiónica en ciclo sódico.

La reacción general de intercambio en el proceso de ablandamiento que tiene lugar puede expresarse por:

intercambio ionico

La resina en ciclo sódico (RNa) se pone en contacto con los iones calcio y magnesio (Ca2+, Mg2+) y los retiene, cediendo cationes de sodio al agua.

intercambio ionico

Los cationes de sodio cedidos por la resina se unen a los aniones a los cuales estaban ligados el calcio y el magnesio, formándose la misma sal en forma sódica. En el caso de los bicarbonatos de calcio y magnesio, se tiene:

intercambio ionico

En el ablandamiento o descalcificación, la salinidad que presenta el agua tratada es la misma que la del agua a tratar, con la diferencia de que las sales que contenían los iones causantes de la dureza se transforman en sales sódicas muy solubles y sin carácter incrustante.

Para el proceso de regeneración de la resina, se utilizará una solución en salmuera (cloruro sódico):

  • Ca-R + 2NaCl -> CaCl2 + Na2 R