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

174

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