Intercambio Iónico

AGUA PURA

MÉTODO Ω - cm μs – cm

Teórico 26 x 106 0.04

Agua USP (bidestilada) ≅ 5 ppm ST 0.1 - 0.5 x 106 10 – 50

Agua Tridestilada 1 x 106 1

Intercambio Iónico 18 x 106 0.055

Agua Destilada 28 veces en Cuarzo

23 x 106 0.043

OPERACIÓN DE INTERCAMBIO IÓNICO

Remoción de una especie iónica de una solución en intercambio con otra especie iónica.

PROPÓSITO

Concentrar un material deseable

Eliminar un constituyente indeseable

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN

NATURALESAluminio silicatos naturales: zeolitasBajo intercambio - Bajo costo

SINTETICAS

Derivados de polímeros naturalesCarbón sulfonadoLignita sulfonada

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN

SINTETICAS

Derivados de polímeros naturales

Carbón sulfonadoLignita sulfonada

Derivados de polímeros sintéticos

Estireno divinilbencenoAcrílicas

GelularesMacroreticulares

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU GRUPO FUNCIONAL

INTERCAMBIO CATIONICO

Fuertes

Grupo sulfónico -HSO3

Débiles

Grupo metil sulfónico -CH3HSO3Grupo carboxílico -COOHGrupo fosfonio -H2PO3Grupo fenólico -OH

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU GRUPO FUNCIONAL

INTERCAMBIO ANIONICO

Fuertes

Grupo amonio cuaternario -N⊕R4

Débiles

Grupo amino - N⊕ H3R

Tipo I menor fugacidad SiO2

Tipo II mayor fugacidad SiO2

ABLANDAMIENTO DE AGUA

2 R-SO3-Na + Ca++ → [R- SO3- ]2 Ca + 2Na+

DESMINERALIZACION

R-SO3-H + NaCl → R- SO3-Na + HCl (Resina Catiónica)

R-OH + HCl → R-Cl + H2O (Resina Aniónica)

USOS MUSOS MÁÁS COMUNES DE S COMUNES DE R.I.IR.I.I..

INTERCAMBIO CATIÓNICO

Ciclo ácido

R - H + Z - A → R - Z + H - A

R: cadena de la resinaZ: catión (p. ej.: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, etc.)A: anión (p. ej.: Cl-, SO4

=, HCO3-, CO3

=, etc.)

Ciclo sódico

R - Na + Z - A → R - Z + Na - A

INTERCAMBIO ANIÓNICO

R - OH + C - X → R - X + C - OH

C: catión o H+

X: anión (HCO3-, CO3

=, Cl-, SO4=)

SELECTIVIDAD

INTERCAMBIO CATIÓNICO

ValenciaFe3+ > Ca2+ > Na+

Número atómico (radio iónico)

Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+

Concentración

SELECTIVIDAD

INTERCAMBIO ANIÓNICO

ValenciaPO4

3- > SO4= > Cl-

Número atómico (radio iónico)

SO4= > CrO4

= > citrato > tartrato

Concentración

CICLO RESINA

AGOTAMIENTO

RETROLAVADO

REGENERACION

ENJUAGUE

REGENERACIÓN

LAVADO CONTRACORRIENTE

15 minexpansión > 50 %

agua bruta2 v/v

REGENERACIÓN

30 minNaCl 10 %

agua bruta3 – 10 v/v

REGENERACIÓN

LAVADO LENTO

30 minagua bruta1.5 v/v

LAVADO RÁPIDO

15 minagua bruta

5 v/v= Q que producción

TAMAÑO EFECTIVO

90 % MAYOR QUE LA MALLA (a mm)

(10 % PASA)

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD

60 % PASA POR MALLA (b mm)

C.U.= b / a

ESPECIFICACIONES

HUMEDAD: 40 – 60 %

GRANULOMETRÍA: malla 16 – 50 (1.2 – 0.3 mm)

TAMAÑO EFECTIVO: 0.4 – 0.6 mm

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD: 1.6 – 2.0

DEFINICIONES FUNDAMENTALES

CapacidadC = meq. intercambiados

mL de resinaAsociada a:

Tasa de regeneración

Análisis del agua a tratar (cationes y aniones presentes)Flujo y concentración del regeneranteFlujo en ciclo de agotamiento

Fugacidad deseada pH y temperatura

DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Eficiencia

ε = meq regenerantemeq removidos

Fugacidad

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

SHOCK OSMÓTICO

Resinas catiónicas: se contraen durante la regeneración y se expanden durante su agotamiento

Ensayo: 2000 ciclos regeneración/agotamiento

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

SHOCK TÉRMICO

Gradientes de temperatura elevados destruyen la resina, entre agotamiento y regeneración

Consecuencia: pérdida de capacidad

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

ATRICCIÓN MECÁNICA

Por rozamiento y choque de la resina con sustancias arrastradas

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

ATAQUE QUÍMICO

Especialmente por oxidantes

Ensayo: H2O2 3%. Se mide el tiempo vs humedad

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

En resinas aniónicas:

a. ácidos húmicos y fúlvicosb. residuos de tensoactivosc. ácidos ligninosulfónicosd. organofosfatos

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

Método para determinar fouling orgánico:Se determina DQO con KMnO4, en ppm de KMnO4

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

Soluciones:

Resinas con capacidad de absorción de materia orgánica

Estructuras acrílicas hidrófilas: rechazan contaminantes orgánicos hidrófobos

Tratamiento previo (filtros, carbón activado, etc.)

OPTIMO DESEMPEÑO DE UNA OPERACION DE I.I.

PRETRATAMIENTO DE LA ALIMENTACIÓN

CONDICIONES AMBIENTALES

PROPIEDADES DE LA RESINA

DISEÑO MECÁNICO DEL EQUIPO

REGENERACIÓN

RESINAS CATIÓNICAS

soluciones de Na+ (NaCl)

soluciones de H+ (HCl o H2SO4)

REGENERACIÓN

RESINAS ANIÓNICAS

Fuertes

con OH- proveniente de bases fuertes (NaOH, KOH)

Débiles

con OH- proveniente de bases débiles (Na2CO3, NH4OH)

PARÁMETROS DE DISEÑO

CATIÓNICAS

FUGACIDAD PERMITIDA

DUREZA

FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE

MgCaNa+

PARÁMETROS DE DISEÑO

ANIÓNICAS

FUGACIDAD PERMITIDA

PRESENCIA DE SÍLICE

FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE

1.

RCF-Na+

2.

RCF-H+

3.

NaOH

RCF-H+

4.

RCF-H+

5.

RCF-H+ RCF-Na+

6.

RCD-H+

7.

RCD-Na+

(o RCD-H+)

8.

RCD-H+ RCF-Na+

8’.

RCD-H+

RCF-Na+

9.

RAF-Cl-

10.

RAF-Cl-RCF-Na+

11.

RAF-OH-RCF-H+

12.

RAF-OH-RCF-H+

13.

RAD-OH-RCF-H+

14.

RAD-OH-RCF-H+ RAF-OH-

15.

LECHOMIXTO

RESINAS CATIÓNICAS DÉBILES

SÓLO INTERCAMBIAN CATIONES ASOCIADOS A ALCALINIDAD

USO DE RCD-H+

Gran capacidad de intercambio de alcalinidad de Ca y Mg

Regeneración ~ 1:1

No es necesario neutralizar

DESALCALINIZACIÓN CON RAF

Se regeneran con NaCl

No se utilizan ácidos

No habrá arrastre de ácidos

El equipo no debe ser resistente a ácidos

No se requiere torre desgasificadora

DISEÑO DE RESINAS

ANÁLISIS COMPLETO DEL AGUA

EXIGENCIA DEL SERVICIO

CAUDAL A PROCESAR

RRR

h Leq/Leq

eq/L(h)θ.Q(L/h).eq/LV ===

AGOTAMIENTO DE RESINAS

CONTROL DE AGOTAMIENTO

ABLANDAMIENTO

Análisis

Indicador colorimétrico (~ 10 ppm dureza)

DESIONIZACIÓN

Conductimetría

pH

Agua brutaDT = 6 meq/L ST = 8 meq/LNa+= 2 meq/LAgua tratadaDT = 0.1 meq/L

Qneto = 50 m3/hProducción: 8 horasRegeneración: 2 horas

EJEMPLO

CAL-SODA

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2 H2O

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl

NaH2PO4 + Na2CO3 → Na3PO4 + H2O + CO2

3CaCO3 + Na3PO4 → Na2CO3 + Ca3(PO4)2

•Bajo costo de equipos•Agua blanda de calidad constante•Costos de tratamiento bajos•Poco manejo de productos químicos y atención de equipos•Se logra dureza 0

RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

• Se requiere mucho espacio• Reactivos caros• Manipulación de reactivos• Control del proceso• No se logra dureza 0

CAL SODA

• Se usa sólo cal, que es barata• Se logra dureza 0• Se produce poco CO2• Se obtiene calidad constante

CAL - I.I.