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INTRODUCCION

Las resinas de intercambio iónico tienen la capacidad, en contacto con una solución acuosa, de eliminar selectivamente los iones disueltos, mantenerlos temporalmente unidos en combinación química, y cederlos de nuevo frente a una solución fuerte de regenerante.

Las resinas se comportan como un electrolito cualquiera, con la particularidad que todos los grupos reactivos están unidos a un polímero insoluble que forma la matriz de la resina.

La acción de intercambio iónico es una reacción reversible.

Si designamos a la resina por [R] podemos escribir:

[R]A + B Þ [R]B + A

y aplicando la ley de acción de masas se obtiene un coeficiente de selectividad ( equivalente a la constante de equilibrio ):

Kr = (A).([R]B) / ([R]A).(B)

Que no es exactamente una constante sino que depende de las condiciones experimentales.

Aunque la resina tome con preferencia unos iones (A) frente a otros iones (B), al tratarse de una reacción reversible podemos invertir esta tendencia aumentando la concentración de (B) muy por encima de la de (A), este es el fundamento de la regeneración de las resinas.

Sus características principales son las siguientes:

  • Actúan selectivamente, de forma que pueden preferir un ión sobre otro con factores relativos de afinidad de 15 o más.
  • La reacción de intercambio iónico es reversible, es decir puede avanzar en dos sentidos.
  • En la reacción se mantiene la electro-neutralidad. Un ión simple se intercambiará por otro ión simple. Por ejemplo: 

[R]H+ + Na+ + CI- = [R]Na+ +H+ + CI-

y, similarmente, un ión bivalente necesitará dos iones monovalentes para realizar el intercambio:

2 [R]CI- + 2Na+ + SO4 = [R]2 SO4 + 2Na+ + 2CI-

Las reacciones de intercambio iónico son frecuentes en el recorrido subterráneo de las aguas naturales, al encontrarse sustancias naturales con poder de intercambio, pero en las industrias se prefieren las resinas poliméricas de fabricación sintética, con claras ventajas de uso en los procesos de ablandamiento y desmineralización del agua, y en otros procesos especiales tales como la purificación de ciertos productos químicos, la desmineralización de jarabes de azúcares, etc.

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.
  • 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.

Principales reacciones de intercambio iónico:

  1. SO4Ca + 2[RSO3 ]Na = [RSO3 ]2 Ca + SO4Na2
  2. [RSO3]H + 2CINa = 2 [RSO3]Na +CI2Ca
  3. 2[RSO3]H + SO4Ca = [RSO3]2Ca + SO4 H2
  4. [RSO3]2Ca + 2CIH = 2[RSO3]H + CI2Ca
  5. 2[RSO3]H + (CO3H)2Ca = [RSO3]2 Ca + 2CO3H2
  6. [R]OH + CIH = [R]CI + H2O
  7. [R]CI + NaOH = [R]OH + CINa

PRINCIPALES TIPOS DE RESINAS:

La mayoría de las resinas empleadas hoy en día son sintéticas, basadas en un copolímero de estireno-divinilbenceno, tratado apropiadamente para agregarle los grupos funcionales.

La sulfonación da lugar a resinas catiónicas y la aminación a resinas aniónicas.

Algunas resinas tienen una matriz acrílica en lugar de estirénica, u otros grupos polimerizados (epoxi, etc.).

Existen cuatro tipos principales: catiónica fuerte (CF), catiónica débil (CD), aniónica fuerte (AF) y aniónica débil (AD).

La diferencia más importante es que las resinas fuertes operan a cualquier pH, pero tienen una capacidad más limitada que las débiles y deben regenerarse más frecuentemente.

Su regeneración es ineficiente e implica un alto coste de regenerantes. En cambio, las resinas de carácter débil, además de mayor capacidad, se regeneran casi stequiometricamente, es decir, con un exceso mínimo de regenerantes, pero operan dentro de pH limitados y no captan todos los iones.

RESINAS CATIONICAS FUERTES

Son capaces de eliminar todos los cationes del agua.

Presentan máxima selectividad para los cationes trivalentes, intermedia para los bivalentes e inferior para los monovalentes.

Se emplea en el ablandamiento en ciclo sódico, regenerado con NaCI (reacciones (1) y (2)), y en la desmineralización en ciclo de ión hidrógeno, regenerado con ácido ( reacciones (3) y (4) ).

La velocidad de intercambio es rápida y da poca fuga iónica. Son resinas muy estables y pueden durar hasta 20 años o más.

En ablandamiento se regeneran con solución de NaCI al 10%, empleando de 100 a 300 g de NaCI por litro.
Se hinchan poco, menos del 8%, al pasar de la forma Na+ a la H+.

Las resinas catiónicas aguantan temperaturas altas de más 100 grados centígrados.

RESINAS CATIONICAS DEBILES

Captan el calcio y magnesio de la alcalinidad bicarbonatada, liberando ácido carbónico (reacción (5)), que se puede eliminar de forma simple y barata por desgasificación mediante aeración.

No operan a pH inferior a 7, necesitando una acción tamponante.

Su capacidad es aproximadamente el doble de la catiónica fuerte y, aunque su fuga de calcio es baja, es alta en sodio.

Incluso se puede emplear en su regeneración el exceso de ácido usado en la regeneración de la catiónica fuerte.

Su hinchamiento al pasar de forma Na+ a H+ es alto, del orden del 90%.

También son más resistentes a los oxidantes como el cloro.

RESINAS ANIONICAS FUERTES

Son capaces de eliminar todos los aniones de ácidos débiles o fuertes operando a cualquier ph (reacciones (6) y (7)).

Su selectividad para los aniones bivalentes es superior a los monovalentes. Son menos estables que las homólogas catiónicas, su duración bastante inferior y resisten temperaturas límites inferiores.

Absorben irreversiblemente los ácidos húmicos de descomposición vegetal, perdiendo capacidad.

Para su protección se puede usar una columna previa de resina aniónica débil o de carbón activo.

Las resinas del tipo I eliminan mucho mejor la sílice y dan más calidad de agua pero también son más difíciles de regenerar.

El hinchamiento al pasar a formar OH- es inferior al 12%.

Las temperaturas máximas que resisten van de 35 a 60 grados centígrados.

RESINAS ANIONICAS DEBILES

Eliminan los aniones de los ácidos fuertes, CI=, SO4-, NO3-, pero no los de los ácidos débiles, CO3=,CO3H-,SiOH-, y no funcionan a pH superior a 6. Su capacidad es el doble de las aniónicas fuertes y resisten el ensuciamiento orgánico.

Su hinchamiento es el doble del 205 en la forma OH-. Aunque no eliminan el carbónico o la sílice, son útiles situadas después de una catiónica fuerte para disminuir el costo de regenerantes y proteger las aniónicas fuertes de la materia orgánica, y hasta eliminar color del agua.

CARACTERISTICAS 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
- SO 4 H 2 (1 - 8%) - - -
CD 1 - 2.2 CIH (4%) 105 - 130 -
- SO 4 H 2 (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 -

ABLANDAMIENTO

En el ablandamiento, o descalcificación, se emplea una sola columna con resina catiónica fuerte,
que se regenera con una solución de sal común. Los iones calcio y magnesio del agua se sustituyen por iones sodio.

Su costo operativo es muy bajo, pero al no disminuir la salinidad total del agua solamente se puede emplear para tratar aguas destinadas a calderas de baja presión.

DESMINERALIZACION

Existen múltiples maneras de combinar los cuatro tipos básicos de resinas descritos anteriormente. Algunos son fundamentales para conseguir una calidad de requerida del agua a partir de una alimentación determinada. Otros son combinaciones más complejas, o incluyen un desgasificador de CO2, para mejorar el rendimiento económico.

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 demás características del sistema.

La operación de intercambio iónico simple debe ir precedida del pretratamiento adecuado.

Se debe eliminar la materia en suspensión y la materia coloidal que pueden ensuciar las resinas, reduciendo la cinética de difusión de los iones y colmatarlas creando caminos preferenciales con disminución de la eficacia.

Algo similar ocurre con los aceites y gases que puedan estar presentes en el agua de alimentación de las resinas.
Los pretratamientos, según la calidad del agua de partida, pueden incluir:

  • Descarbonatación previa.
  • Decantación.
  • Filtración.

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 microsiemens, y concentraciones de sílice entre 0,001 y 0,005 ppm.