Módulo 3
Procesos auxiliar a la desalación
intercambio Iónico
Profesor:
Fecha:
Fernando Salvo Leal
Septiembre de 2024
Modulo 3
intercambio iónico
• Objetivo:
Conocimiento de técnicas de purificación de agua,
intercambio iónico, uso Industrial, minero, producción de
energía, agrícola y Potable.
• Introducción
• Porqué tratamos el agua
• Como la tratamos
• Que es el agua
• Química del Agua
• pH
• Solvatación, iones, Electro neutralidad
• Alcalinidad, Índice Langelier
• Cálculo pH de mezclas, Volúmenes de lavado
Modulo 3
intercambio iónico
• Intercambio Iónico
• Fundamentos del intercambio iónico.
• Mecanismo de Intercambio iónico (adsorción/reacción química).
• Tipos de resinas usadas en intercambio iónico (fuerte, débil,
microporosa, macroporosa, aniónica, catiónica, quelante).
•
Tipos de procesos donde puede utilizarse el proceso de
intercambio iónico con resinas
• Ablandamiento, descationización, desalcalinización,
desmineralización total y parcial.
• Operación de un equipo de intercambio iónico:
• flujo ascendente, flujo descendente, contracorriente, lecho
fijo.
• Operación en ciclos: llenado de resina, lavado,
acondicionamiento, agotamiento, regeneración.
• Parámetros de diseño y dimensionamiento de un equipo de
intercambio iónico.
• Aspectos generales sobre electrodiálisis y electrodiálisis reversa.
• Aplicaciones y comparación con otras técnicas de purificación de
agua
Modulo 3: intercambio iónico
Introducción
• Para qué utilizamos el agua:
•
•
•
•
•
•
Agricultura
Pecuario
Agua Potable
Energía
Minería
Industria:
Porqué la tratamos:
Riego
Sanitario
Turbina; (Ciclo Rankine, Carga Hidráulica)
Proceso, separación sólidos/líquido; líquido/líquido,
lavado, transporte, Transferencia de Energía
• Normativa:
•
•
Calidad agua Potable; Riego; recreación: Nch 1333; Nch 409
Disposición del agua utilizada,; DS 90 Superficial; DS 46 infiltración ; DS 609
• Daño a los equipos
•
•
•
Corrosión
Incrustación
Biofouling
• Especificaciones técnicas para su uso
•
•
•
Cultivo Hidropónico; riego Paltas
electro obtención; lavado de Catado
Agua embotellación
Modulo 3: intercambio iónico
Introducción
• Como la tratamos:
• Sólidos Suspendidos: Desarenado, Coagulación, Floculación;
Filtración ; Sedimentación, Flotación,
Microfiltración; Ultrafiltración.
• Reactor Precipitación: Desalcalinizador, Ablandamiento,
Desilificador, Abatimiento de metales,
Desintoxicación (Arsénico; Fierro;
Manganeso, otros)
• Químicos:
Antiincrustante; Anticorrosivo;
Biofouling, Cloración, regulación pH,
ácido, CO2; Dureza, Alcalinizante, Fluor
• Sólidos disueltos:
Osmosis inversa, Intercambio iónico,
Evaporación, electrodiálisis, Destilación,
Extracción por solvente
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
• QUE ES EL AGUA (H2O):
• Una sustancia que posee propiedades físicas y químicas que la diferencian de
otros líquidos, valores altos en viscosidad, tensión superficial, calor latente,
de evaporación, de solidificación. Es cómo si las moléculas no quisieran
despegarse unas de otras. El agua disuelve una gran variedad de sólidos,
pero no reacciona químicamente con ellos
Disposición
tetraédrica 104,5°
2H2O
Dipolo
Disociación H2O
⇔ H2O*H+ + OH-
Kw = [H+] x [OH-] = 10-14 a 25ºC
pH + pOH = 14
p= -log[ ]
Solvatación, disolución
NaCl
→ Na+ + ClCaCO3 + H2O ⇔ Ca+2+ HCO3- +OHK1 = [Ca+] x [HCO3-] Kw
[H+]
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
pH Agua
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
Nro de Avogadro: 6,023 X 10 23
Mol: Contiene un Avogadro de partículas
Un equivalente de SO4= (48gr Eq-mol),
con un equivalente de Na+ (23 gr Eqmol), forman un equivalente de
Na2SO4(23+48= 71 gr Eq-mol), cuyo peso
molecular es 2X71=142 gr deNa2SO4
Explicar porqué 142 gr de Na2SO4, puede
ser expresado como 50 gr CaCO3
Aniones
ClSO4-2
NO3PO4-3
HCO3CO3-2
FOHS-2
Peso
iónico
35,5
96,0
62,0
95,0
61,0
60,0
19,0
17,0
34,0
Valencia
1
2
1
3
1
2
1
1
2
Peso
Equivalente
35,5
48,0
62,0
31,7
61,0
30,0
19,0
17,0
16,0
Cationes
H+
Na+
K+
NH4+
Ca+2
Mg+2
Fe+2
Fe+3
Ba+2
Sr+2
Mn+4
Mn+2
Al+3
Peso
iónico
1,0
23,0
39,1
18,0
40,0
24,4
55,8
55,8
137,3
87,6
55,0
55,0
27,0
Valencia
1
1
1
1
2
2
2
3
2
2
4
2
3
Peso
Equivalente
1,0
23 0
39,1
18,0
20,0
12,2
27,9
18,6
68,7
43,8
13,8
27,5
9,0
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
Peso atómico:
Peso Molecular:
Mol :
lo que pesa un mol de átomos
lo que pesa un mol de moléculas
Contiene un Avogadro de partículas
Concentración :
Cantidad de materia (masa) contenida en un volumen determinado
𝑃
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 → 𝐶 = 𝑅𝑇
Densidad:
Masa total/Volumen (Kg/lt)
Densidad del agua; 1Kg/lt
Concentración soluto:
Masa soluto/Volumen
Densidad agua (ρH2O)
:
Peso Molecular (PMH2O)
:
Concentración Molar agua :
Concentración Normal agua :
58,5 gr NaCl/lt solución
5,85 % (peso/volumen)
1 Mol NaCl/lt ( PMNaCl = 58,5 gr/Mol)
58500 ppm (mgNaCl/lt solución)
50000 ppm CaCO3
1Kg/lt
18 gr/mol
1000gr/lt/18 gr/mol = 55,6 Molar
55,6 Normal ( Eq/lt)
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
Densidad agua (ρH2O)
Peso Molecular (PMH2O)
Concentración Molar agua
:
:
:
1Kg/lt
18 gr-mol
1000gr/lt/18 gr-mol = 55,6 Molar
Calcular Concentración Molar de protones a pH = 1
pH = 1 = -log[H+]
[H+] = 10-1 Molar= 0.1 Moles/ Lt
Cual es el porcentaje de agua disociada?
% = 0,1/55,6 x 100 = 0.18%
Que cantidad es expresada como CaCO3?
PECa
:
20 gr/eq mol
PE CO3 :
30 gr/eq mol
PECaCO3 :
50 gr/eq mol
[H+]=
0.1 molar X 50 grCaCO3
5gr CaCO3/lt
5000 mgCaCO3/lt
pH
Conc H+
ppm CaCO3
pOH
Conc OHppm CaCO3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
50000
5000
500
50
5.0
0.5
0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.1
0.5
5.0
50
500
5000
50000
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
Ejercicio 1:
Se desea Lavar un rack de 187 tubos con siete
membranas cada tubo, para ello se cuenta con un
estanque de 25 m3 de capacidad.
Se lava con un caudal de 411 m3/h.
El lavado básico se realizará a pH 12, ajustándolo
con soda caustica al 50% ( 760 gr NaOH/lt)
El lavado ácido será a pH 2, con ácido clorhídrico al
35% ( 410 grHCl/lt)
Calcular la cantidad de Soda y ácido requerido
para realizar el lavado de membranas.
Una vez finalizado el lavado, indique la mejor
forma de realizar el enjuague de las membranas,
cuanta agua utilizará y a que pH finalizará el
enjuague de las membranas
Nota: Consideré que el enjuague solo diluye y que
el flujo que mejor representa el lavado de
membranas es Mezcla Completa.
Modulo 3: intercambio iónico
Lavado
Mezcla Completa:
𝑑𝐶𝑡
𝑑𝑉0 𝑥𝐶𝑡
Vo
= −𝑄𝑥𝐶𝑡
= 𝑄𝑥0 − 𝑄𝑥𝐶𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑡
Co = 0 mg /lt
Q m3/h
Ci
Vo = 25 m3
Vt/V0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Ct/C0
100.00%
36.79%
13.53%
4.98%
1.83%
0.67%
0.25%
0.09%
0.03%
0.01%
0.00%
𝐶𝑡
𝑑𝐶𝑡
=−
𝐶
𝑡
𝐶𝑖
𝑉
− 𝑡
𝐶𝑡 = 𝐶𝑖 𝑒 𝑉0
Ct
Q m3/h
𝑡
𝑄
𝑑𝑡
𝑉
𝑡=0 0
Modulo 3: intercambio iónico
Química del Agua
Equilibrio Salino, de cargas
Modulo 3: intercambio iónico
Alcalinidad
Balance de Electro neutralidad
[Na+ + 2·[Ca++] + 2·[Mg++] + [H+] = 2·[SO4=] + [Cl-] + [HCO3-] + 2·[CO3=]+ [OH-]
Iones Permanente
[Na+ + 2[Ca++] + 2[Mg++] -2[SO4=] - [Cl-]
α0 

K1
K1  K2 
1   
2 
H
H


α1 

H
K2 
1

  

K1
H 

 
 
 
1
 
1
 
 
2

H
H 
α 2  1 


K1  K2
K2 

1
=
=
Iones Temporales
[HCO3-] + 2[CO3=] + [OH-] - [H+]
Modulo 3: intercambio iónico
Alcalinidad
Alcalinidad = [HCO3-] + 2·[CO3=] + [OH-] - [H+]
Alcalinidad = CT,CO3 x [ 1 + 2x 2]
Modulo 3: intercambio iónico
Alcalinidad
Alcalinidad = [HCO3-] + 2·[CO3=] + [OH-] - [H+]
Alcalinidad = CT,CO3 x [ 1 + 2x 2]
Modulo 3: intercambio iónico
Alcalinidad
Alcalinidad = [HCO3-] + 2·[CO3=] + [OH-] - [H+]
Alcalinidad = CT,CO3 x [ 1 + 2x 2]
Ejercicio N°3:
Ejercicio N°1. El lavado se realizó preparando un primer lavado básico con NaOH utilizó
15 Kg de Soda al 50% , para alcanzar pH 12 y 25 Kg de ácido clorhídrico al 35% para el
lavado ácido. El agua utilizada en el enjuague fue de 200 m3 para cada etapa, lavado
básico y lavado ácido, el caudal de lavado de 400 m3/h.
La planta desaladora produce 500 l/s , con un recobro de 45% , agua de mar que tiene un
pH de 7,2
Explique formas que tendría para descargar el efluente dando cumplimiento a decreto
90, descarga agua dentro del área protección Litoral pH en rango de 6 a 9.
Modulo 3: intercambio iónico
pH Saturación
Valor teórico que tendría el pH en el agua, si hubiera saturación de carbonato de Calcio
𝐊 𝐒𝐎 =
𝐂𝐚+𝟐
𝐂𝐎−𝟐
𝟑
→
𝐇𝐬+
𝐊𝟐
=
𝐂𝐚+𝟐 𝐇𝐂𝐎−
𝟑
𝐊 𝐒𝐎
PHS = (9,3 + A + B) - (C + D)
Índice Langelier
pH-pHs
-Corrosivo < 0
-Incrustante >0
Índice de Ryzner
2pHs – pH
- Corrosivo < 6
- Incrustante > 7
- Neutro
=6,5
Modulo 3: intercambio iónico
Precipitación química
Las sales, pueden precipitar formando diversos compuestos:
-
Carbonato, Sulfato, Fosfato, oxalato de Calcio
Sulfato de Bario y de Estroncio
Hidróxido de Magnesio
Silicatos y Sílice
Todos ellos gobernados por el producto de solubilidad, tendiendo a formar diferentes
composiciones cristalográficas que determinarán su grado de dureza e insolubilidad.
En especial la Sílice (SiO2)
Analcita Na2O Al2O3 4SiO4 2H2O
Pectosita Na2O 4CaO 6SiO2 H2O
Serpentita
3MgO 2SiO2 2H2O
Pectosita Na2O 2SiO2 2H2O
Acmita Na2O Fe2O3 4SiO3
Noselita 4Na2O 3Al2O3 6 SiO2 SO4
Compuestos Insolubles
Hidróxidos metálicos:
Carbonatos Metálicos
Sulfuros
M(OH)2
MCO3
MS2
Modulo 3: intercambio iónico
Incrustaciones
Eliminación de Alcalinidad Cálcica:
56 CaO
Ca (OH)2 +
100 CaCO3
2 x 100 CaCO3
Ca (HCO3)2 ⇔ 2CaCO3
+
2 x 18
2 H2O
Requiere de un equivalente de cal por equivalente de alcalinidad Cálcica
Eliminación de Alcalinidad Magnésica
56 CaO
2Ca [OH]2 +
100 CaCO3
2x100 CaCO3
1x58,3 Mg(OH)2 2 x 18
Mg (HCO3)2 ⇔ 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2 H2O
Requiere de dos equivalentes de cal por equivalente de alcalinidad Magnésica, el
Magnesio precipita como Hidróxido y no como Carbonato.
Eliminación de Dureza no asociada a Carbonatos
111 CaCl2 106 Na2CO3
100 CaCO3 2x58,5 NaCl
Ca Cl2+ Na2CO3 ⇔ CaCO3 + 2NaCl+ 2 H2O
2 x 18
Modulo 3: intercambio iónico
Incrustaciones
a) Sulfato de Aluminio
666.7
Al2 (SO4)3 +
18 x 18
18 H2O +
3 x 100 CaCO3
3 Ca (HCO3)2 ⇔
3 x 136
3 CaSO4
2 x 78
2 Al(OH)3
6 x 44
+ 6 CO2
+
18 x 18
+
18 H2O
b) Cloruro Férrico:
2 x 162,1
3 x 100CaCO3
2 FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2
2 x 106,9
⇔ 2 Fe(OH)3 +
3 x 111 6 x 44
3CaCl2 + 6 CO2
c) Sulfato Ferroso, cal y cloro:
2x278
3x56 CaO 71
2x106,9 2x136
111
14x18
2FeSO4 x 7H2O + 3Ca(OH)2 + Cl2 ⇔ Fe(OH)3 + 2CaSO4 + CaCl2 + 14H2O
Modulo 3: intercambio iónico
Conductividad iónica
La conductividad y el contenido de sólidos totales disueltos (STD) son dos
de los parámetros importantes en el control de los sistemas que utilizan
agua y están íntimamente relacionados.
CONDUCTIVI DAD omho
STDmg / l 
0,625


EC   c x e 
EC   a i x ei
i
ION
i
STD : Sólido Totales Disueltos, ppm
EC = Conductividad de la Solución
ci: = concentración molar
ei: = conductividad molar; especifica
FACTOR DE CONDUCTIVIDAD (ei); MICRO MHOS/CM
por ppm
por meq/lt
por ppm CaCO3
CATION
CALCIO; Ca++.
MAGNESIO; Mg++.
POTASIO; K +.
SODIO; Na+.
ANION
BICARBONATO; HCO 3 - .
2,60
3,82
1,84
2,13
52,00
46,60
72,00
48,90
1,04
0,93
1,44
0,98
0,72
43,60
0,87
2,82
84,60
1,69
-
CLORUROS ; Cl .
SULFATOS; SO 4 =.
2,14
1,54
75,90
73,90
1,52
1,48
NITRATOS; NO 3 - .
1,15
71,00
1,42
CARBONATO; CO 3 - .
Modulo 3: intercambio iónico
Las impurezas disueltas en el agua generan partículas cargadas en forma
positiva (cationes) y en forma negativa (aniones).
CATION
ANION
CALCIO (Ca++)
BICARBONATO (HCO3-)
MAGNESIO (Mg++)
CARBONATO (CO3=)
SODIO (Na+)
SULFATO (SO4=)
POTASIO (K+)
CLORUROS Cl-
FIERRO (Fe++)
NITRATOS (NO3-)
MANGANESO (Mn++)
SILICATOS (HSiO3-)
Modulo 3: intercambio iónico
El intercambio iónico puede ser definido como el intercambio reversible de
iones entre una fase sólida y una líquida, donde iones de una carga dada,
cationes o aniones, son reemplazados por cantidades equivalentes de otro
ión de la misma carga.
𝟐 𝑹𝑵𝒂 + 𝑪𝒂+𝟐 ↔
𝑹𝟐 𝑪𝒂 + 𝟐 𝑵𝒂+
𝑲𝑪𝒂
𝑵𝒂 =
𝑹𝟐 𝑪𝒂
𝑵𝒂+ 𝟐
𝐱
𝟐
𝑹𝑵𝒂
𝑪𝒂+𝟐
El intercambiador iónico sintético se encuentra constituido por una matriz,
generalmente poliestireno o poliacrilato, quienes le entregan algunas
propiedades físicas a la resina: resistencia mecánica, resistencia a la oxidación
y un grupo funcional encargado de realizar el intercambio iónico
Modulo 3: intercambio iónico
Reseña Histórica
• Tanto en la biblia, como escritos griegos, señalan que existían tierras naturales
que eran capaces de remover la sal de las aguas (zeolitas naturales)
• 1850 dos químicos Ingleses (Thompson y Way), hicieron observaciones del
fenómeno de intercambio iónico en Silicatos de Aluminio.
• 1905, Gans, químico alemán, descubre que al calentar a altas temperaturas el
aluminosilicato de sodio, es un agente de intercambio de alta eficiencia, pudiendo
suavizar agua con Silicatos de Aluminio.
• 1935 se observa la producción de medias de intercambio, a partir de materiales
sintéticos, derivados del petróleo. Adams y Holmes en Inglaterra, desarrollaron una
resina sintética a partir de productos de condensación del fenol y formaldehído.
Con baja capacidad de retener ácidos débiles
• 1944 se fabrica la primera resina sintética (Catiónica con matriz estirénica), D´Alelio
en Estados Unidos, desarrolló una resina sintética a partir de la condensación del
estireno y del divinilbenceno.
•
1948 aparecen las primeras resinas acrílicas.
•
1958 resinas macroreticulares.
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Las resinas de intercambio iónico
son polímeros unidos a un grupo
funcional que le da capacidad para
intercambiar
El 90% de todas las resinas de intercambio iónico se basan en una matriz
poliestirenica. El "bloque de construcción es el monómero de estireno, un
compuesto aromático llamado también vinilbenceno.
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Resina Tipo Gel:
Los vacíos entre las cadenas del poliestireno
se llaman poros. Son muy pequeños, su
tamaño es de algunos Angstrom y
relativamente constante. La matriz, tiene
una estructura pseudo-cristalina, como
resultado los granos terminados de la resina
son transparentes.
Resina Tipo Macroporosa:
Poros muy pequeños, pueden ser una
desventaja, iones más grandes no podrán
entrar en los granos de la resina y son más
difíciles de activar
Para este efecto, en la fabricación de la
resina se adiciona un tercer componente
(porógeno o extensor de fase), no reacciona
con los monómeros. Generalmente esta
resina es de color opaco
Resina Tipo Macroporosa
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
-
micro poros, translúcido
-
Alta capacidad intercambio
-
Bajo costos
-
Estructura rígida
-
Uso condiciones normales, sin
presencia de materia orgánica
Resina Tipo Macroporosa
-
Fase discontinua, porosa
Mayor resistencia mecánica y
química
Mayor costos
Menor capacidad de intercambio
Pulimento condensado, aguas
agresivas; con carga Orgánica
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Activación Resina, grupo funcional (Intercambio iónico)
Catiónica Fuerte
Las perlas de poliestireno se ponen en contacto a elevada
temperatura con ácido sulfúrico concentrado. El producto
es un poliestireno sulfonado, reacción de sulfonación
Catiónica Débil
Se requiere de un polímeros de acrílicos, acrilonitrilo o el acrilato de metilo
Se obtiene al hidrolizarse para formar los grupos del ácido carboxílico. Con Soda
cáustica. En ambos casos, se obtiene el mismo compuesto final.
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Activación Resina, grupo funcional (Intercambio iónico)
Aniónica Fuerte
la activación requiere de dos pasos sucesivos. El primer paso se denomina cloro
metilación, es una reacción que se realiza entre los gránulos del polímero y el
clorometil metil éter
Resina Aniónica Fuerte Tipo I
La figura anterior muestra una aminación realizada con trimetilamina, sal
formada desde un amonio cuaternario. Por convención son llamadas Resina
aniónica Tipo 1. De acuerdo a como se producen, están en la forma de cloruro
(Cl—), se deben regenerar previamente con Hidróxido de Sodio antes de usar en
un sistema de desmineralización. Las resinas del Tipo 1 son los cambiadores
fuertemente básicos más comunes. tiene como ventaja que elimina más sílice y
CO2 que la resina aniónica tipo II.
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Activación Resina, grupo funcional (Intercambio iónico)
Resina Aniónica Fuerte Tipo II
En lugar de trimetilamina, se puede utilizar la dimetiletanolamina , sal formada
de un amonio terciario. produce resinas aniónica del Tipo 2. Tienen una
basicidad más baja que las del tipo 1. Da lugar a una disminución en regenerante
(conversión a la forma OH—), son más sensibles a la degradación por
temperatura, y tienen una menor selectividad para los iones, de modo que la
fuga es más alta en servicio.
Resina Aniónica Débil
En este caso el grupo funcional provendrá de una amina terciaria. En la forma
regenerada, las resinas aniónica débil, no tienen iones cambiables, pueden
quitar solamente los aniones de los ácidos fuertes de la solución
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Activación Resina, grupo funcional (Intercambio iónico)
Modulo 3: intercambio iónico
Estructura Química resina de intercambio iónico
Selectividad de la resina
Afinidad de una resina por un ion, respecto de otros.
Depende de interacciones electroestáticas que se establezcan entre el ion y el
intercambiador, y de la formación de enlaces con el grupo iónico. Un intercambiador prefiere
iones con los que forme enlaces más fuertes
+ 𝟐
+𝟐
𝟐 𝑹𝑵𝒂 + 𝑪𝒂
↔
+
𝑹𝟐 𝑪𝒂 + 𝟐 𝑵𝒂
𝑲𝑪𝒂
𝑵𝒂 =
𝑹𝟐 𝑪𝒂
𝑵𝒂
𝐱
𝑹𝑵𝒂 𝟐
𝑪𝒂+𝟐
En orden decreciente de afinidad, de mayor a menor selectividad:
Resina catiónica fuerte:
Ag+, Pb++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, H+
Resina catiónica débil:
H+, Cu++, Ca++, Mg++, K+, Na+
Resinas aniónica fuerte:
CO3=, SiO2=, I-, HSO3-, NO2-, Br-, HSO3-, NO2-, Cl-, HCO3-, FResinas aniónica débil:
SO4=, CRO4=, NO3-, I-, Br-, Cl-, F• una resina tiene mayor afinidad por el contra ion con mayor valencia, aumenta con una
mayor dilución de la solución y con el grado de entrecruzamiento de la resina.
• Hay una mayor afinidad por los iones de menor tamaño, fácilmente difunden por los
poros de la resina
Modulo 3: intercambio iónico
Selectividad de la resina
Ejemplo
Para eliminar Nitratos se utiliza una resina Aniónica Fuerte, cargada con Cloruro
Para simplificar se considera la existencia en el agua de solo estos elementos, La
capacidad total de la resina es 1,5 eq/lt. Cual es el volumen máximo de agua a
𝐶𝑙
tratar si el coeficiente de selectividad 𝐾𝑁𝑂3
= 4 y la composición del agua es:
Cationes
Catión
Calcio; Ca++
Magnesio; Mg++
Sodio; Na+
Total Cationes
Coeficiente de selectividad =4
Aniones
Anión
Cloruro; ClNitrato; NO3-
meq/lt
1.4
0.8
2.6
4.8
Total aniones
meq/lt
3
1.8
4.8
𝒀𝑵𝑶−𝟑
𝑿𝑪𝒍−
𝑵𝑶𝟑
𝑲𝑪𝒍 =
𝐱
𝒀𝑪𝒍−
𝑿𝑵𝑶−𝟑
𝑵𝑶
𝒀𝑵𝑶−𝟑
𝟏 − 𝒀𝑵𝑶−𝟑
𝒀𝑵𝑶−𝟑 =
=
𝑲𝑪𝒍 𝟑 𝒙𝐗 𝐍𝐎−𝟑
𝟏 − 𝐗 𝐍𝐎−𝟑
=
𝟒𝒙 𝟎. 𝟑𝟖
= 𝟐, 𝟒𝟓
𝟎. 𝟔𝟐
𝑵𝑶
𝑲𝑪𝒍 𝟑 =
𝑹𝑵𝑶−
𝟑
−
𝑹𝑪𝒍
𝐱
𝑪𝒍−
=4
𝑵𝑶−
𝟑
Concentración Molar Agua
𝐗 𝐍𝐎−𝟑 =
𝟏. 𝟖
𝟑
= 𝟎. 𝟑𝟖; 𝐗 𝐂𝐥− =
= 𝟎. 𝟔𝟐
𝟒. 𝟖
𝟒. 𝟖
Concentración Molar Resina
𝒀𝑵𝑶−𝟑 ; 𝒀𝑪𝒍−
𝒀𝑪𝒍− = 1-𝒀𝑵𝑶−𝟑
𝟐, 𝟒𝟓
= 𝟎, 𝟕𝟏 → 𝟕𝟏% 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝟏, 𝟓 𝑿 𝟎. 𝟕𝟏 = 𝟏, 𝟎𝟔𝟓 𝒆𝒒/𝒍𝒕
𝟏 + 𝟐, 𝟒𝟓
𝒆𝒒
𝟏, 𝟎𝟔𝟓
𝑳𝒕 𝒕𝒓𝒂𝒕𝒂𝒅𝒐𝒔 =
𝑳𝒕𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒍𝒕𝒓𝒆𝒔𝒊𝒏𝒂
=
𝟓𝟗𝟎
𝒆𝒒
𝑳𝒕𝒓𝒆𝒔𝒊𝒏𝒂
𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟖
𝒍𝒕𝒂𝒈𝒖𝒂
Modulo 3: intercambio iónico
Modo de Operar
1- A batch: Intermitente, la resina se encuentra en un recipiente el cual se
llena con el agua a tratar y pasado un tiempo se descarga y se procede a
regenerar de nuevo la resina . En desuso por su baja eficiencia
2-
Método de columna:
 Co Corriente : La solución fluye hacia arriba o hacia abajo, en una columna,
posteriormente la regeneración se realiza en igual sentido del flujo
 Contra Corriente: La solución fluye de igual forma, hacia arriba o hacia
abajo, en una columna, posteriormente la regeneración se realiza en sentido
inverso al flujo
 Lecho Mixto:
Se mezclan resina aniónica y catiónica, se hace pasar el
flujo en forma descendente, agotado el lecho se separan por fluidización, por
diferencia de densidad de las resinas, se regeneran en forma separada y se
vuelven a mezclar
 Lecho Fluidizado:
Mantiene la columna de resina fluidizada, el intercambio
se realiza en forma ascendente
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Ablandamiento (resina Catiónica Fuerte): corresponde a la operación por la cual la
dureza presente en un agua, es eliminada por permutación de los iones Ca y Mg, con
los iones Na de la resina.
Servicio
2 R-Na + Ca++
R2Ca + 2 Na+
Regeneración; Na Cl
R2Ca + 2 Na+
2 R-Na + Ca++
Usos:
Calderas de baja Presión
Industria Alimenticia, azucarera, remolacha, Elaboración de jugos remoción de dureza
antes de evaporadores, decoloración
Evitar incrustación en guas de proceso, agua alimentación Osmosis
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Desalcalinización Resina catiónica Débil : Elimina la dureza parcialmente y/o El sodio
Ligado a los Carbonatos, a la alcalinidad, disminuye en el agua la cantidad de TDS
Servicio
2 R-H + Ca++/Mg++
R2Ca/Mg + 2 H+
Regeneración; H2SO4
R2Ca/Mg + 2 H+
2 R-H + Ca++ + Mg++
Desalcalinización catiónica Débil/Fuerte : Elimina la dureza Totalmente, disminuye Los
TDS en el agua
Servicio
2 R-H + Ca++/Mg++
R2Ca/Mg + 2 H+
2 R-Na + Ca++/Mg++
R2Ca/Mg + Na+
Regeneración; H2SO4 y NaCl
R2Ca/Mg + 2 H+
R2Ca/Mg + Na+
Usos:
Embotellación bebidas, Caldera, Procesos
2 R-H + Ca++/Mg++
2 R-Na + Ca++/Mg++
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Desalcalinización Resina catiónica /Anioníca Fuerte: Elimina la dureza Totalmente y
Sulfatos y Nitratos del agua, no disminuye STD
Servicio
+
2 R-Na + Ca++/Mg++
2 R-Cl + SO4=/NO3-
R2Ca/Mg + Na
R2SO4=/NO3- + Cl-
Regeneración; Catión/Anión NaCl
R2Ca/Mg + Na+
2 R-Na + Ca++/Mg++
R2SO4=/NO3-+Cl-
2 R-Cl + SO4=/NO3-
Desmineralización Resina catiónica /Anioníca Fuerte: Elimina los STD
Servicio
2 R-H + Ca++/Mg++
R2Ca/Mg/Na + H+
=
2 R-Cl + SO4=/NO3-/Cl- R2SO4 /NO3 /Cl +OH
Regeneración; Catión H2SO4/Anión NaOH
R2Ca/Mg/Na + H+
2 R-H + Ca++/Mg++
R2SO4=/NO3-/Cl- +OH- 2 R-Cl + SO4=/NO3-/Cl-
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Esquemas de desmineralización
Esquema
CF+AF
Característica y uso
Ventajas
Desventajas
Calidad del agua
Equipos pequeño menor Es el esquema más Mayor gastos en la Calidad del agua
exigencia calidad del agua simple
regeneración,
Baja 10-20 μs/cm; Fuga
calidad de agua
SiO2
Ahorro regenerante,
CD+CF+AD+ Para equipos medios y
AF
grandes, y aguas con altos uso de la aniónica
débil macroporosa
contenidos de STD
protege de la MO
Mayores gastos de Conductividad de
inversión Baja calidad 10-20μs/cm; Fuga
del agua
SiO2
CF+AF+ LM
Equipos para producir alta Lecho Mixto produce Regeneración
e Conductividad
calidad de agua
agua de alta calidad Inversión
Mayor 0,2-0,5μs/cm
Gasto, agua ultra
pura
CF+AF+CD
Equipos pequeño ,
Mejora calidad del
agua a bajo costo,
regulación pH, menor
exigencia calidad del agua regula pH
Gasto inversión y Conductividad 2-5
operación, levemente μs/cm
mayor al CF+AF
Fuga SiO2
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Esquemas de desmineralización
Catiónica Fuerte
aniónica Fuerte
Catiónica Débil
aniónica Débil
Modulo 3: intercambio iónico
Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico
Procesos donde se puede utilizar Intercambio iónico
 Ablandamiento de Condensado, Celulosa Laja
 Producción agua ultra pura Caldera alta presión; Termoeléctrica
 Industria farmacéutica, agua ultra pura; Purificación de productos elaborados
 Industria alimenticia; Jugos; Azúcar, Remolacha, Suero leche; Purificación selectiva
 Inversión de la sacarosa en fructosa, por cromatografía en columnas de resina
 Tratamiento de Vahos, cristalizador de Nitrato de amonio, Enaex
 Tratamiento de Vahos, planta harina de pescado, obtención de agua, Perú
 Desalcalinización agua embotellación
 Pre y Postratamiento agua Osmosis
 Recuperación agua de lavado maquina Lavadora de Botella; resina catiónica débil
 Galvanoplastía, recuperación de metales, agua de lavado
 Eliminación de cobre y hierro en talleres de cromado
 Descalcificación de Salmuera, planta de cloro soda
 Eliminación de boro (ácido bórico) en agua potable.
 Eliminación de nitrato en agua potable.
 Eliminación de metales pesados como: Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn
 Hidrometalurgia, Extracción por Solvente (Si bien no son resinas, Proceso de
intercambio iónico)
 Purificación del uranio
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Granulometría
•
•
•
•
•
•
Diámetro medio
Coeficiente de uniformidad
Tamaño efectivo
Tamaño medio armónico
Cantidad de esferas finas
Cantidad de esferas gruesas
En lechos mixtos
En lechos estratificados
En columnas de lecho
compactado
En columnas fluidizadas
Lavado en contracorriente
En procesos de cromatografía
cinética
Pérdida de carga
Boquillas
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Capacidad de Intercambio
El intercambio iónico es una relación estequiométrica y la cantidad de iones a intercambiar,
recibe por nombre de “Capacidad de intercambio iónico”, es función de las condiciones en
que se lleva a efecto el contacto sólido – líquido.
a) Capacidad de Intercambio teórico: Guarda relación con el número de grupos
Intercambiadores y es determinada mediante análisis químico de la estructura de la resina.
b) Capacidad intercambio total. Es la máxima capacidad de intercambio que puede
obtenerse experimentalmente, este valor es inferior al teórico.
c) Capacidad útil de intercambio. Depende de las condiciones de trabajo industrial, es el
valor utilizado para el diseño de los equipos, su valor es inferior a la capacidad total.
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Capacidad de Intercambio útil
Resina
Capacidad
grCaCO3/lt resina
Regenerante
Por lt de resina
Catiónica Fuerte
55 – 65
47 – 52
55 - 62
80 – 100 gr HCl al 6%
150 – 200 gr H2SO4 1/3 al 2% y 2/3 al 4%
150 – 250 gr NaCl al 10%
Catiónica Débil
40 - 120
110 % Estequiométrico HCl 2 - 4%
Aniónica Fuerte
30 - 40
80 – 100 gr NaOH al 4%
Aniónica Débil
40 - 110
120 –140% Estequiométrico NaOH 2 – 4%
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Capacidad de Intercambio útil
Eq
regenerante
CAPACIDAD
UTIL EQ/L
NR g/l
NR eq/l
1,58
320
5,8
3,6
367
1,49
240
4,10
2,75
275
1,3
160
2,73
2,1
210
0,9
80
1,36
1,5
151
0,69
60
1,00
1,44
144
0,45
-
-
-
-
Eq
recuperado
% exceso
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Capacidad de Intercambio útil Nivel ácido Sulfúrico
Nivel de
Regeneración
Kg/m3
kg al 2 %
50
50
65
30
35
80
30
50
100
30
30
40
110
30
40
40
130
30
50
50
145
30
30
40
kg al 4 %
kg al 6 %
kg al 8 %
45
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Humedad
La humedad de una resina (retención de agua) está relacionada con su porosidad así
como con su forma iónica. El contenido de agua se expresa generalmente como un
porcentaje del peso la resina húmeda en una forma iónica determinada.
Aproximadamente la mitad del peso de una resina de intercambio iónico es agua.
Humedad alta:
•
Intercambio rápido
• Buena capacidad de adsorción
•
Capacidad Total Baja
Humedad baja:
o Capacidad total alta
o Difícil de regenerar
o No se pueden eliminar iones voluminosos
o Tendencia a ensuciarse
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Densidad
La densidad es un parámetro importante para el diseño de un equipo, para los procesos
que implican una mezcla o separación de resinas, para ajustar el caudal de contra lavado.
La densidad varía con la composición iónica de la resina, debida a que cambia todo el
tiempo durante un ciclo.
Densidad en función de la forma iónica
Rango de densidad
Acido Débil
Acido Débil
Acido Fuerte
Acido Fuerte
Acido Fuerte
Forma
iónica
H
Ca
H
Na
Ca
1.16 – 1.19
1.28 – 1.34
1.18 – 1.22
1.26 – 1.32
1.28 – 1.33
Valor
típico
1.18
1.32
1.20
1.28
1.31
Aniónica Débil
Aniónica Débil
Aniónica Débil
Aniónica Fuerte
Aniónica Fuerte
Aniónica Fuerte
OH
Cl
SO4
OH
Cl
SO4
1.02 – 1.05
1.05 – 1.09
1.08 – 1.13
1.06 – 1.09
1.07 - 1.10
1.10 – 1.14
1.04
1.06
1.11
1.07
1.08
1.12
Tipo de resina
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Densidad Aparente
Cantidad de resina, masa en un volumen de lecho
Formas iónicas más utilizadas
Tipo de resina
Forma iónica
de entrega
Cambio total
de volumen
De...hasta
Ejemplos
SAC (ácida fuerte)
Na, H
6 – 10 %
Na a H
Amberjet 1200
SBA (básica fuerte)
Cl, OH, SO4
15 – 30 %
6 – 10 %
Cl a OH
Cl a SO4
Amberjet 4200
WBA (básica débil)
Base libre
(OH)
10 – 25 %
WAC (ácida débil)
H
15 – 40 %
60 – 100 %
OH
a
Amberlite IRA96
H a (Ca+Mg)
H a Na
Amberlite IRC86
Cl
Modulo 3: intercambio iónico
Propiedades de las resinas de intercambio iónico
Densidad Aparente
Cantidad de resina, masa en un volumen de lecho
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Principio del ciclo
Mitad del ciclo
Final del ciclo
Resina regenerada totalmente al inicio del ciclo
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Regeneración Co Corriente
Regeneración Contra Corriente
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Regeneración Contra Corriente
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Lecho Mixto
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Tren de desmineralización
Regeneración Tren de desmineralización
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Tren de desmineralización
Columnas separadas en
Columnas separadas en
producción
regeneración
parejas de resinas separadas
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Cuerpo Filtro
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Operación
Producción
Contralavado
Regeneración
Desplazamiento
Enjuague final
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Producción
En esta etapa se produce el intercambio
Regeneración:
Terminado el ciclo productivo, agotada la resina, se procede a la regeneración, la que se
realiza en tres etapas:
a) Retrolavado:
Se esponja el lecho, permitiendo eliminar suciedad y resina dañada. Para ello, se
utiliza una corriente de agua ascendente que logra la expansión de la resina entre el
50 a 75%, generalmente requiere de mantenerse el retrolavado por un periodo
mínimo de 15 minutos, a un caudal o tasa de retrolavado, determinado por las
características especificas de la resina. (Entre 6 a 12 m3/hr/m2)
b)
Activación o Regeneración
Se utiliza una solución reactivo (sal, ácido, álcali), se logra la reversibilidad del
fenómeno de intercambio, permite, por un aumento de concentración, compensar la
mayor selectividad iónica de los iones fijado a la resina, por la del regenerante.
Demanda un tiempo variable entre 20 y 60 minutos. Para cada clase de resina, hay
una velocidad óptima de regeneración, determinada por concentración del
regenerante, tiempo de contacto, tipo de reactivo y resina usada.
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
c)
Desplazamiento
Finalizada la etapa de regeneración todo el intercambiador está lleno de solución
regenerante que se debe desplazar y se realiza a la misma velocidad de regeneración,
considerando el tiempo, de esta operación como tiempo de contacto real de la
regeneración misma.
Se conoce con el nombre de enjuague lento o desplazamiento. El uso de distribuidores
intermedios ubicados en el nivel de resina, facilita y disminuyen el tiempo,
Generalmente requiere de dos a 4 volúmenes de agua por volumen de resina
d)
Enjuague final
La resina en presencia de concentraciones de regenerante, absorbe físicamente los
reactivos, por lo que es necesario llevar a cabo un enjuague final a un caudal mayor
que el de regeneración, comúnmente se realiza a caudal normal de tratamiento.
La cantidad de agua utilizada en esta etapa fluctúa entre cuatro a seis volúmenes por
volumen de resina.
Modulo 3: intercambio iónico
Producción
Contralavado
Regeneración
Desplazamiento
Enjuague final
Operación resinas de intercambio iónico
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Tratamiento Agua Caldera
fc 
Concentrac ión del compuesto en la Purga (mg/lt)
Concentrac ión del compuesto en el Make up (mg/lt)
M + R=V +P
M:
R:
P:
V:
Agua de reposición ; M3/H
Retorno de condensado; M3/H
Purga ; M3/H
Producción de vapor ; Ton/H
(densidad del agua 1Ton/M3)
M Cm = P Cp
M Cp

 fc
P Cm
V -R
M
1- 1
fc


M 1 - 0 00 R

V 1- 1
fc


fc 
Cp (mg/lt)
Cm(mg/lt)
Cm:
Cp:
Concentración del compuesto en el Make up y
Concentración del compuesto en la purga
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Tratamiento Agua Caldera
2H+ + ½ O2 + 2e ⇔ H2O
½ O2 + H2O + 2e ⇔ 2OH
Fe ⇔
Fe++ +2e
HCO3 ⇔ CO3= + CO2 + H2O
H2O + CO3= ⇔ CO2 + 2OHCO2 + H2O ⇔ H2CO3
PRESION
PSI
0 - 300
301 - 450
451 - 600
601 - 750
751 - 900
901 - 1000
1001 - 1500
1501 - 2000
2001 - 2500
2500 - 3000
STD
PPM
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.250
1.000
750
500
500
ALCALINIDAD
PPM CaCO3
700
600
500
400
300
250
200
150
100
100
SILICE
PPM
75 – 50
50 – 40
45 – 35
35 – 25
20 – 8
10 – 5
5–2
3 - 0,8
0,4 - 0,2
0,2 - 0,1
DUREZA
PPM CaCO3
0 - 1 MAX
0 - 1 MAX
0 - 1 MAX
0 - 1 MAX
0 - 1 MAX
0 - 1 MAX
0
0
0
0
OXÍGENO
PPM
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
0,007
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Tratamiento Agua Caldera
ION
CATION; TOTAL
CALCIO; Ca++.
MAGNESIO; Mg++.
POTASIO; K+.
SODIO; Na+.
ANION; TOTAL
BICARBONATO; HCO3-.
CARBONATO CO3=
CLORUROS ; Cl-.
SULFATOS; SO4=.
STD; PPM
SILICE; PPM SiO2
pH
CALIDAD AGUA
Peso
CARACTERISTICAS
Equivalente
meq/lt
ppm
ppm CaCO3
1.0
20.9
52.5
20
0.40
8.0
20.0
12.2
0.20
2.5
10.2
39.1
0.01
0.4
0.5
23
0.43
10.0
21.7
61
30
35.5
48
74.3
12
6
1.0
0.40
0.00
0.14
0.50
53.4
24.4
0.0
5.0
24.0
52.0
20.0
0.0
7.0
25.0
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Tratamiento Agua Caldera
Capacidad ablandamiento: 60 grCaCO3/ltr
Regenerante :
240 grNaOH/ltr
Porcentaje exceso NaOH: 400%
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Tratamiento Agua Caldera
Datos
Unidad
Valor
Dureza del agua de alimentación
g/m3
300
Caudal de Servicio
Tiempo de Servicio
Altura de lecho
Temperatura
CONSTANTES
3
m /h
horas
mm
°C
10.00
6.0
1200
15
Tasa de retrolavado
Tiempo de retrolavado
Volumen agua lavado lento
Volumen agua lavado rápido
m3/h/m2
min
lt/ltr
lt/ltr
10.00
10.00
2.00
6.00
Tasa de Regeneración
m3/h/m2
5.00
Tasa lavado lento
Tasa lavado rápido
Tasa de Servicio Mínima
Tasa de Servicio Máximo
Concentración Solución para regeneración
Concentración Solución Regenerante
Densidad Solución 24%
Densidad Solución 10%
Capacidad considerada de la Resina
Nivel de Regenerante a Utilizar Diseño
3
2
5.00
3
2
40.13
3
2
10.00
3
2
60.00
24.00%
10.00%
1.1852
1.0738
62
240
m /h/m
m /h/m
m /h/m
m /h/m
%
%
kg/litro
kg/litro
g/litro
g/litro
Modulo 3: intercambio iónico
Operación resinas de intercambio iónico
Parámetros Calculados
Unidad
Diámetro Equipo
Volumen Resina, sin considerar lavado
Volumen real de resina
Capacidad de Ablandamiento
mm
litros
litros
g
563
290
299
18000
Tasa Filtración
Cantidad de Regenerante
Expansión del lecho en retrolavado
m3/h/m2
kg
%
40.1
72
40.00
m3/h
2.49
3
m /h
1.25
3
Caudal de Retrolavado
Caudal de Regeneración
Valor
Caudal de Aspiración Salmuera 24%
m /h
0.47
Volumen producción Agua Blanda
3
m
60
3
m
0.42
Volumen de Solución Regenerante 10%
3
m
0.67
Volumen de Salmuera 24%
m3
0.25
3
m
0.30
3
m
0.58
3
m
1.74
3
m
3.41
3
63.4
5%
3%
2"
1"
3/4"
1/2"
4.02
32
28
10
1.18
7.18
Volumen de agua para retrolavado
Volumen mín. TK Sal (Criterio1. 2 regeneraciones)
Volumen agua lavado lento
Volumen agua lavado rápido
Volumen Total efluente
Volumen Total utilizado
Porcentaje de agua a rechazo
Porcentaje adicional de resina por lavado lento
Diámetro Servicio Calculado
Diámetro Retrolavado Calculado
Diámetro Regeneración Calculado
Diámetro Asp. Salmuera Calculado
Diámetro garganta Venturi Calculado
Tiempo Aspiración Salmuera
Tiempo Lavado Lento
Tiempo Lavado Rápido
Tiempo total Regeneración
Tiempo total Ciclo
m
%
%
mm
mm
mm
mm
mm
minutos
minutos
minutos
horas
horas
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
La electrodiálisis es una tecnología que permite, bajo la influencia de un campo
eléctrico continuo, extraer sustancias ionizadas disueltas en una disolución acuosa a
través de membranas selectivas de intercambio iónico
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
La Electrodiálisis es el movimiento de iones a través de una membrana
semipermeable, impulsado por una diferencia de potencial eléctrico.
Las membranas utilizadas en la electrodiálisis tienen la propiedad de
ser intercambiadores iónicos para los cationes o para los aniones.
Las membranas de intercambio catiónico tienen cargas negativas:
dejan pasar los cationes y repelen a los aniones. Mientras, las
membranas de intercambio aniónico tienen carga positiva: dejan pasar
a los aniones y repelen a los cationes
Las cámaras o celdas de electrodiálisis, se organizan en paquetes con
varias membranas de intercambio aniónico y catiónico, las cuales se
alternan entre sí. Las membranas de intercambio aniónico y catiónico
delimitan los espacios donde se realizan los procesos de dilución y
concentración de los líquidos
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
La Electrodiálisis es un proceso de separación electroquímica en el que las
membranas cargadas y una diferencia de potencial eléctrico se usa para
separar especies iónicas y otros compuestos
Es utilizada para:
- Desalación del agua salobre
- Producción de agua potable
- En la industria de alimento, medicamentos y procesos químicos
- En biotecnología y en el tratamiento de aguas residuales
- Para la concentración de sales, ácidos y bases en soluciones acuosas
- Para separar mezclas de aminoácidos o incluso proteínas
Este proceso es conocido desde hace más de ochenta años, su utilización a
escala industrial comenzó hace unos veinticinco años.
La electrodiálisis directa, clásica o estándar unidireccional, se desarrolló
durante los años cincuenta, Durante las últimas décadas, se ha desarrollo el
proceso de polaridad inversa que se conoce como electrodiálisis inversa (EDI)
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Una membrana de intercambio iónico tiene forma de
hoja y cambio iónico es un fenómeno de permeado
de iones.
una membrana de intercambio iónico no requiere
regeneración, sino que puede utilizarse
continuamente durante un largo período . Es un
proceso a causa de un potencial iónico que da
movilidad a los iones y una resistencia que opone la
membrana de intercambio a una determinad especie
La membrana de intercambio catiónico, está cargada
negativamente y es permeable para los cationes sodio
(Na+); calcio (Ca2+), mientras que es no permeable,
impermeable para los aniones tales como el cloruro
(Cl-), sulfato (SO42-)
una resina de intercambio iónico tiene forma
granular, el fenómeno de intercambio es un proceso
adsortivo, capturando o intercambiando iones dentro
de la resina. Requiere de regeneración
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Proceso Electrodiálisis Estándar (ED)
El agua fluye entre membranas permeables catiónicas y aniónicas, colocadas
alternativamente, llamado acumulador o batería. La Corriente Continua
suministra la fuerza motriz para la migración iónica a través de las
membranas, y los iones son obligados concentrarse a causa de la membrana
perme/selectivas, en una corriente líquida, mientras en la otra corriente, el
agua se purifica, disminuye su concentración salina.
A menudo la corriente del concentrado, necesita la adición de ácido y/o
secuestrante, con el fin de inhibir la precipitación de sales solubles (CaCO3 y
CaSO4). Para mantener el rendimiento, el acumulador o batería de membrana
debe limpiarse periódicamente para eliminar incrustaciones y suciedad de la
superficie.
Las soluciones de limpieza (ácidos o bases diluidas) se hacen circular a través
de la batería, pero de todas formas, necesitan desmontarse y limpiarse
mecánicamente a intervalos regulares. El desmontaje regular es una
operación que consume tiempo y representa una desventaja del proceso de
ED
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Proceso Electrodiálisis reversa (EDI)
Opera sobre los mismos principios. Sin embargo, en este caso, la polaridad de
los electrodos se invierte periódicamente (aproximadamente de 3 a 4 veces
por hora), por medio de válvulas motorizadas, se intercambian la salida agua
producto y agua residual. Así los iones son transferidos en direcciones
opuestas, a través de las membranas. Ayudando a la limpieza y
desincrustación de la Batería y a la salida al exterior del lodos y otros
depósitos de las celdas.
Las primeras aguas producidas se descargan como residuo, unos 2 minutos,
hasta que la calidad del agua se haya restaurado.
La operación automática del proceso EDI normalmente elimina la necesidad
de dosificar ácido y/o secuestrantes y la formación de incrustación se
minimiza, debido a este cambio de polaridad.
Su operación se hace un poco mas compleja
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Proceso Electrodiálisis reversa (EDI)
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Proceso Electrodiálisis Membranas Bipolar
La membrana bipolar, están compuestas de dos capas diferente, selectivas a los iones de
cargas opuestas. Bajo la corriente eléctrica aplicada, el agua en la interface de membrana, se
divide en iones H+ y OH-, que después son transportados a través de las capas selectivas
aniónicas y catiónicas. El resultado es la acidificación o basificación de la solución.
Utiliza membranas de intercambio iónico para separar y concentrar los constituyentes ácido
y base de una corriente de sal. La sal alimenta a la cámara que está entre las membranas
aniónicas y catiónicas. Los cationes (Na+) y aniones (SO42-) se mueven sobre la
membrana monopolar y se combinan con los iones hidrógeno e hidróxido, como se
muestra, para formar ácido y base
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
FENÓMENOS LIMITANTES
Una membrana del electrodializador permite la obtención de una disolución diluida y
una concentrada, entre ambos lados de la membrana existirá un gradiente de
concentración. Ley de Fick, existirá difusión desde el lado de mayor concentración
hacia el de menor concentración. El fenómeno difusivo, disminuirá la eficacia del
proceso
Polarización por concentración: El fenómeno es consecuencia de la selectividad de las
membranas, es función de la temperatura, del tipo de fluido y de la velocidad con que
se está circulado el fluido
Una membrana selectiva del tipo catiónica, en ambos lados de la misma habrá una
disolución de NaCl. Durante el proceso de electrodiálisis circulará una densidad de
corriente, que dependerá de los iones Na+ y Cl-, por el contrario, en la membrana
catiónica, dependerá exclusivamente del Na+. Por tanto, si al atravesar la membrana la
corriente es exclusivamente transportada por los cationes, deberá existir una mayor
concentración de Na+, en la superficie de la membrana. Mientras la concentración en
la disolución sea alta, la velocidad de difusión (por ley de Fick) será suficiente para
aportar el exceso de cationes, realizándose el transporte de corriente.
Existe una densidad de corriente límite en el proceso de electrodiálisis, que
dependerá de la membrana y de la concentración.
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
La polarización por concentración y difusión de iones, genera formación de capas
con diferentes concentraciones, que aumentan la resistencia eléctrica y por tanto el
consumo de energía. Puede provocar que el transporte de corriente se realice por
descomposición del agua en los electrodos, por los iones H+ y OH- del agua, con lo
que el rendimiento Faraday es menor, y además, las variaciones locales del pH
podrían provocar precipitados, particularmente de Fe y Mg
Por esta condición existe una densidad de corriente limite que es función de la
velocidad de circulación, de la concentración.
Una ecuación aceptada como primera aproximación para cualquier tipo de
membrana, es :
i Lim = 145 • c • u 0.6
Valida para la temperatura de 20 ºC.
-c:
concentración (eq/L) en el circuito diluido.
- u:
velocidad de circulación, se expresa en cm/s,
- iLim: Densidad de corriente Límite, en mA/cm2.
Normalmente se aplica un coeficiente de seguridad, de tal manera que se suele
tomar como 70% de la densidad de corriente límite.
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
Modulo 3: intercambio iónico
Electrodiálisis
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