Intercambio iónico

Intercambio iónico

Intercambio Iónico

El intercambio iónico se realiza mediante un polímero en forma de esferas diminutas que son capaces de intercambiar iones particulares por otros iones, en una solución que pasa a través de ellos. A estas esferas de gel sintéticas se les llama “Resinas de intercambio iónico”. Esta capacidad de intercambio también se observa en varios sistemas naturales, tales como los suelos y células vivas. Las resinas sintéticas no sólo se utilizan para la purificación del agua, sino también para varias otras aplicaciones que incluyen la separación de algunos elementos.

En la purificación del agua, el objetivo principal es ablandar el agua o eliminar el contenido mineral. El agua se suaviza mediante el uso de una resina que contiene cationes de sodio( Na+), y los intercambia por calcio Ca2+ y magnesio Mg2+ (dureza).

A medida que el agua pasa a través de la resina aumenta la captación de Ca2+ y Mg2+ hasta saturar la resina, en este punto es necesario regenerar la resina, cargándola de nuevo con Na+.

Los procesos que utilizan intercambio iónico son los siguientes:

  • Suavizador de agua (eliminación de dureza)
  • De-alcalinización (eliminar carbonatos)
  • Decationisación (eliminación de todos los cationes)
  • Desmineralización (eliminación de todos los iones)
  • Lecho mixto (Nitratos y desmineralización)
  • Eliminar metales

Los tipos de resina suelen abreviarse como:

  • SAC: resina de intercambio catiónico de ácido fuerte
  • WAC: resina de intercambio catiónico de ácido débil
  • SBA: resina de intercambio aniónico base fuerte
  • AMB: resina de intercambio de aniones base débil

Regeneraciones

La resina SAC se regenera con un ácido fuerte (HCl o H2SO4).

R-Na + H+ —> R-H + Na+

Y la resina se regenera SBA con un álcali fuerte (NaOH o KOH).

RSBA-Cl + OH —> RSBA-OH + Cl

Regeneración por separado

La regeneración se realiza por separado en cada resina, lo que significa que el regenerante primero pasa a través de la resina fuerte, lo que requiere un exceso de regenerante, y el regenerante no consumido por la resina fuerte es generalmente suficiente para regenerar la resina débil sin dosis adicional.

Las resinas catiónicas se regeneran con un ácido fuerte, preferiblemente ácido clorhídrico HCl, H2SO4, porque puede precipitar calcio.

Las resinas aniónicas se regeneran con sosa cáustica.

Regeneración de la línea

La regeneración de la línea de desmineralización

La calidad obtenida es la misma que en la disposición simple SAC-SBA, pero debido a que las resinas débiles se regeneran prácticamente en consecuencia, el consumo de regenerarte es considerablemente menor. Además, las resinas débiles tienen una capacidad funcionar mejor que las resinas fuertes, por lo que el volumen total de resinas de intercambio de iones se reduce.

Ejemplos de desmineralización:

Agua para calderas de alta presión en fósiles y nuclear alimentado centrales eléctricas y otras industrias.

El agua de enjuague se utiliza en la producción de chips de computadoras y otros dispositivos electrónicos.

Suavización de agua

El agua natural contiene iones calcio y magnesio que forman sales que no son muy solubles en presencia de alcalinidad. Estos cationes, se denominan en conjunto dureza. Cuando el agua se evapora incluso un poco, estos cationes precipitan. Esto es lo que sucede cuando dejas que el agua se evapore hirviéndola en la estufa de la cocina.

El agua dura también forma sarro en las tuberías de agua y en las calderas, tanto domésticas como industriales. Puede crear turbiedad en la fabricación de cervezas y refrescos. Las sales de calcio forman depósitos en los vasos de cocina, dejan la piel reseca y el pelo dañado.

Las resinas de intercambio catatónica de ácido fuerte, que se utilizan en forma de sodio eliminan estos cationes de la dureza del agua y son llamados suavizadores, y cuando se saturan con dureza, se regeneran con cloruro de sodio (NaCl).

Reacciones

La siguiente reacción representa la resina, que está inicialmente en la forma de sodio. La reacción para el magnesio es idéntica.

2R1-Na + Ca2+ <—> R2-Ca + 2Na+

La reacción anterior es un equilibrio. Se puede invertirse mediante el aumento de la concentración de sodio en el lado derecho. Esto se hace con NaCl.

Algunos ejemplos del uso de suavizadores:

  • Tratamiento de agua para calderas
  • Uso residencial para tuberías, cuidado del cabello y piel
  • Las cervecerías y fábricas de refrescos tratan el agua para sus productos con resinas de grado alimenticio

Nota.- El ablandamiento del agua no reduce su salinidad. Solamente elimina los iones de dureza y los reemplaza con el sodio.

Dealcalinización

Este proceso en particular utiliza una resina de catiónica de ácido débil. Este tipo de resinas tienen la capacidad de eliminar la dureza del agua por medio de la alcalinidad. Después del tratamiento, el agua contiene dióxido de carbono, que puede ser eliminado con una cama descalificadora. La resina catiónica se regenera de manera muy eficiente con un ácido, generalmente clorhídrico.

Reacciones

La siguiente reacción representa la resina, que está inicialmente en la forma de hidrogeno. La reacción para el magnesio es idéntica.

2RH + Ca(HCO3)2 —> R2-Ca + 2H+ + 2HCO3

Los cationes de hidrógeno se combinan con los aniones para producir dióxido de carbono y agua:

H+ + HCO3 —> CO22- + H2O

La recombinación de hidrógeno y bicarbonato generan agua y dióxido de carbono,  este último se elimina con un desgasificado para producir agua descarbonatada y agua desgasificada.

Las aplicaciones son de la dealcalinización son:

  • Cervecerías
  • En los filtros de agua potable domésticos.
  • Para calderas de baja presión.
  • Como primer paso antes de que el cambio de SAC en la desmineralización.

Nota.- La dealcalinización reduce la salinidad del agua, mediante la eliminación de cationes de la dureza y aniones bicarbonato.

Decationización

La eliminación de todos los cationes rara vez se utiliza, excepto como una primera etapa en el proceso de desmineralización. Para este proceso se utiliza una resina de intercambio catiónico de ácido fuerte (SAC) en la forma H+.

Reacciones:

Aquí el ejemplo de sodio, pero todos los cationes reaccionan de la misma manera:

R-H + Na+ <—> R-Na + H+

La reacción de equilibrio se invierte para la regeneración mediante el aumento de la concentración de hidrógeno de lado derecho. Esto se realiza con un ácido fuerte (HCl o H2SO4).

Desmineralización

Para muchas aplicaciones, la mayoría de los iones en el agua se deben eliminar. En particular, cuando el agua se calienta para producir vapor, ya que pueden precipitar y causar daños a los equipos. Como existen cationes y aniones en el agua, debemos utilizar dos tipos diferentes de resinas: un intercambiador catiónico y un intercambiador aniónico. Esta disposición combinada produce agua desmineralizada. La resina catiónica se utiliza en la forma de hidrógeno (H+) y la resina aniónicas en forma de hidroxilo (OH), de modo que la resina catiónica se debe regenerar con un ácido y la resina aniónica con un álcali.

Es posible utilizar un desgasificador para eliminar el dióxido de carbono que se crea después del intercambio catiónico cuando el agua contiene una concentración significativa de bicarbonato.

La resina catiónica debe colocarse antes de la resina aniónica . Si el agua contiene cualquier ión de  dureza, podría precipitar en el medio alcalino creado por la resina forma aniónica OH formando Ca(OH)2 y/o CaCO3.

Un sistema de desmineralización sencillo se comprende por una resina fuerte de intercambio catiónico de ácido en la forma H+, un desgasificador (opcional) y una fuerte resina de intercambio aniónico de base en la forma OH.

El primer paso es decationización:

RSAC-H + Na+ <—> RSAC-Na + H+

2RSAC-H + Ca2+  <—> (RSAC)2-Ca + 2H+

En la segunda etapa, se eliminan todos los aniones con la resina base fuerte:

RSBA-OH + Cl —> RSBA-Cl + OH-

Los ácidos débiles creados después de intercambio catiónico, que son el ácido carbónico y ácido silícico (H2CO3 y H2SiO3) se retiran de la misma manera:

RSBA-OH+ HCO3 —> RSBA-HCO3 + OH

Y finalmente, los iones H+ generados en la primera etapa reaccionan con los iones OH de la segunda etapa para producir nuevas moléculas de agua. Esta reacción es irreversible:

H+ + OH —> H2O

Agua desmineralizada desgasificada

Decationización + desgasificado + Intercambio aniónico —> Agua desmineralizada

El agua desmineralizada es completamente libre de iones, excepto unas pocas trazas residuales de sodio y sílice, debido a que las resinas SAC y la SBA tienen su selectividad más bajo para estos. Con una línea de desmineralización sencilla regenerado en flujo inverso, el agua tratada tiene una conductividad de sólo alrededor de 1 µS/cm, y un residuo de sílice entre 5 y 50 g/l en función de la concentración de sílice en la alimentación y en condiciones de regeneración.

Tenga en cuenta que el valor de pH no debe ser utilizado como un control del proceso, ya que es imposible medir el pH de un agua con menos de decir 5 µS/cm de conductividad.

Debido a que las resinas ácidas débiles, ofrecen una capacidad de funcionamiento alta y son muy fáciles de regenerar, se utilizan en combinación con resinas ácidas fuetes en plantas industriales. El primer paso con la resina WAC es la deacalinización (eliminación de la dureza del bicarbonato), y el segundo paso con el SAC elimina todos los cationes restantes. Una resina WAC se utiliza cuando la dureza y la alcalinidad están presentes en grandes concentraciones relativas en el agua de alimentación.

Resinas AMB eliminar sólo los ácidos fuertes después de intercambio catiónico. Ellos no son capaces de eliminar los ácidos débiles tales como SiO2 y CO2. En el regenerado, forma de base libre, que no se disocian, los iones OH libres están disponibles para intercambio aniónico neutral. Por otro lado, es suficiente para adsorber los ácidos fuertes creados después de intercambio catiónico:

RWBA + H+ + Cl —> RWBA.HCl

En el último paso, una resina de SBA está por lo tanto necesaria para eliminar los ácidos débiles, como se muestra en la sección anterior:

RSBA-OH + HCO3 —> RSBA-HCO3 + OH

El agua de proceso para muchas aplicaciones en las industrias textil y papelera químicas

  • Agua para las baterías
  • Agua para laboratorios
  • Principio de la página
  • Pulido lecho mixto

Lecho mixto o resinas mixtas

Resina mixta para la desmineralización del agua.

Las resinas mixtas (catiónicas y anicónicas)  se utilizan comúnmente después de un proceso de desmineralización por intercambio iónico u ósmosis inversa, como un sistema pulidor. Tienen preferencia por el sílice, donde se mezclan de catión de ácido fuerte y resinas aniónicas de base fuerte.

Las unidades de lecho mixto entrega  una alta calidad en el agua tratada, pero su regeneración es complicada, debido a que las resinas deben separarse para regenéralas. Además, se requieren grandes cantidades de productos químicos, además las condiciones hidráulicas para la regeneración son complicadas de manejar. Por lo tanto, lechos mixtos sólo se usan para tratar el agua pre-desmineralizada.

El lecho mixto para pulimiento produce un agua con menos de 0.1 µS/cm de conductividad. Con un diseño sofisticado y resinas apropiadas, es posible llegar a la menor conductividad registrada (0.055 µS/cm). Los valores de sílice residual pueden llegar a ser de 1 g/l.

Hay que tener en cuenta que algunos potenciómetros no son capaces de operar a menos de 1 µS/cm de conductividad.

Aplicaciones:

  • Tratamiento de agua pre-desmineralizada con resinas de intercambio iónico
  • Pulido de permeado de ósmosis inversa
  • Pulido de destilado agua de mar
  • Tratamiento del condensado de la turbina en centrales eléctricas
  • Tratamiento de condensado del proceso en diversas industrias
  • La producción de agua ultra pura para la industria de los semiconductores
  • Servicio de-ionización (con columnas fuera de las instalaciones regeneradas)

 

Eliminación de nitratos

Los nitratos se pueden eliminar selectivamente de agua potable utilizando resinas aniónicas fuertes en ciclo cloro, es decir regenera con una salmuera de NaCl. La reacción es:

RSBA-Cl + NO3 —> RSBA-NO3 + Cl

Se utiliza principalmente para el agua potable y para los residuos. Muchas de estas aplicaciones requieren resinas especiales.

Aplicaciones:

  • La eliminación de boro (ácido bórico) del agua potable
  • La eliminación de nitratos del agua potable
  • La eliminación de perclorato en el agua potable
  • La eliminación de metales pesados a partir de residuos: Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn

Algunos contaminantes son difíciles de eliminar con intercambio de iones, debido a una escasa selectividad de las resinas. Ejemplos: As, F, Li.