Con el avance de la ciencia y de la técnica es cada vez mayor el uso de agua desprovista de ciertos iones y muchas veces desprovista de todos los iones. Una de las técnicas de eliminación de iones consiste en hacer pasar el agua a través de resinas de intercambio iónico.
Es frecuente encontrar instalaciones que usan resinas de intercambio iónico que no producen la calidad del agua requerida o la cantidad requerida, o ambas cosas a la vez, y esto puede deberse al desconocimiento de las propiedades de las resinas de intercambio iónico o a la falta de experiencia necesaria para manejar los imprevistos que pueden presentarse durante la operación de intercambiadores de iones. En muchas ocasiones se descartan prematuramente las resinas de intercambio iónico, en otras se sigue usando las resinas que ya cumplieron su vida útil y muchas veces se usan resinas que no son las adecuadas.
El intercambio iónico no está restringido al tratamiento de agua, sino que tiene un amplio campo de aplicación, tal como:
- Recuperación de uranio
- Decoloración y reducción de cenizas en soluciones de azúcar
- Recuperación y purificación de estreptomicina.
- Remoción del ácido fórmico del formaldehído
- Recuperación de metales de soluciones
- Desalinización de aguas salobres
- Eliminación de acidez de efluentes minero-metalúrgicos
Por su relevancia en el tratamiento de aguas y diversos procesos industriales, en este dossier se pretende dar una visión general de los intercambiadores iónicos, su funcionamiento y sus principales aplicaciones.
INTERCAMBIO IÓNICO
El proceso de Intercambio de Iones
En el contexto de purificación, intercambio de ion es un proceso rápido y reversible en el cual los iones impuros presentes en el agua son reemplazados por iones que despiden una resina de intercambio de iones. Los iones impuros son tomados por la resina que debe ser regenerada periódicamente para restaurarla a su forma iónica original. (Un ion es un átomo o grupo de átomos con una carga eléctrica. Los iones con carga positiva se llama cationes y son generalmente metales, los iones con carga negativa se llaman aniones y son generalmente no metales).
| Cationes | Aniones |
| Calcium (Ca2+) | Cloruro (Cl–) |
| Magnesio (Mg2+) | Bicarbonato (HCO3–) |
| Sodio (Na+) | Nitrato (NO3–) |
| Potasio (K+) | Carbonato (CO32-) |
| Hierro (Fe2+) | Sulfato (SO42-) |
Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separandose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para los usos habituales del agua. Además, el creciente interés por el medio ambiente, impone establecer tratamientos eficaces que eviten el deterioro de la calidad de las aguas, especialmente por el vertido de efluentes industriales altamente contaminados. Entre todos los tratamientos posibles, el intercambio iónico es una opción a considerar.
Hay 2 tipos básicos de resinas- intercambio de cationes e intercambio de aniones. Resinas del intercambio de cationes emiten iones Hidrógeno (H+) u otros iones como intercambio por cationes impuros presentes en el agua. Resina de intercambio de Aniones despedira iones de hydroxil (OH) u otros iones de cargas negativas en intercambio por los iones impuros que están presentes en el agua.
Las resinas de Intercambio de iones modernas son preparadas de polímeros sintéticos tales como styrenedivinlybenzene copolymers que han sido sulphonated para formar unos intercambios de cationes fuertemente ácidos o aminated para formar intercambios de aniones fuertemente básicos o débilmente básicos.
La aplicación del intercambio de ion al tratamiento de agua y purificación
Estas son tres maneras en la cual la tecnología de intercambio de iones puede ser usada en el tratamiento de agua y purificación: primero, resinas de intercambio de cation solas se pueden emplear para suavizar el agua por intercambio base; segundo, resinas de intercambio anión solas pueden ser utilizadas para escarbar o eliminar nitrato y tercero, combinaciones resinas de intercambios de cationes y aniones pueden ser utilizadas para eliminar virtualmente todas las impurezas iónicas presentes en el feedwater, un proceso conocido como desionización
Las dos primeras tecnologías son formas de tratamiento de agua en cualquiera de la naturaleza química de las impurezas sean cambiadas(como un intercambio en base de suavizante(]) o ciertas impurezas que son eliminadas selectivamente (como un escarbar orgánico o eliminación de nitrato). Por contraste, la desionización es un proceso de purificación que puede producir agua de calidad excepcional.
Suavizando Intercambio de Base
Suavizando fue la primera aplicación industrial que involucro el intercambio de iones. Este proceso fue propuesto por primera vez por Gans en el 1905. Excepto para algunos tipos de mejoramientos en el tipo de material de intercambio de ion y el equipo, el proceso de Gans es aún uno de los métodos mas simples de Suavizar el agua.
El proceso consiste agua que pasa conteniendo iones de dureza, mayormente calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) a través de una columna conteniendo una resina de intercambio ácido de cation en forma de sodio (Na+) (por ejemplo, los cationes intercambiables son sodio). Los iones de calcio y magnesio son intercambiados por un número equivalente de iones de sodio. La resina, una vez agotada, (por ejemplo, todos los iones de sodio disponible han sido intercambiados) deben ser recargados. Esto significa que hay que pasar una solución que contiene una alta concentración de sales de sodio tales como brine cloruro de sodio a través de la resina de intercambio- un proceso conocido como regeneración.
- Para prevenir formación de sarro en calderas, calentadores de agua, planchas de vapor y máquinas de lavar platos, etc.
- Para eliminar la producción de “capa de suciedad” formada como resultado de la reacción entre los iones de calcio y magnesio con ácidos de grasa encontrado en jabones en la industria textil, máquinas de lavar, etc
- Para prevenir manchas antiestéticas en cristalería, espejos, etc.
- Para pre-tratar osmosis inversa feed water para prevenir que se contaminen las membranas de osmosis inversa.
Escarbando Orgánicos
Escarbadores orgánicos son plantas totalmente automáticas diseñadas primordialmente para eliminar contaminantes que ocurren naturalmente- mayormente ácidos humic y fulvic- de las fuentes de agua. Estos son compuestos ionizados débilmente que pueden contaminar irreversiblemente las resinas normales de los aniones e invertir las membranas de osmosis pero que pueden ser eliminados fácilmente del agua por una combinación de absorbción e intercambio de ion.
Escarbadores orgánicos contienes resinas especiales macroporosas que operan en la forma de cloruro. Tienen una estructura abierta con grandes poros que le permiten a los voluminosos aniones orgánicos ser eliminados del feedwater entonces eludidos fuera de nuevo durante la regeneración.
Eliminación de Nitrato
Nitratos son un peligro particular para bebés de menos de seis meses de edad. Los nitratos se reducen a nitritos en el sistema gastrointestinal del niño(a), reduciendo así la capacidad de llevar oxigeno a la sangre (el síndrome de niño azul). El método más simple más factible de costo para eliminar nitratos del agua es por intercambio de aniones, utilizando sus resinas en forma de cloruro y regeneradas con brine. Resinas especiales están disponibles para tratar las aguas ricas en sulfato. (Resinas convencionales tienen una mayor afinidad para el sulfato que el nitrato, reduciendo así su capacidad para eliminar el nitrato.
Desionización
Para muchas aplicaciones de laboratorio e industriales se requiere la alta pureza del agua, la cual esté esencialmente libre de contaminantes iónicos. Agua de esta calidad se puede producir con la Desionización.
- Desionización de Dos Camas
- Desionización de Camas Mixtas
El Desionizador de Dos Camas consiste en dos recipientes- uno conteniendo una resina de intercambio de cationes en forma de hidrógeno (H+) y la otra conteniendo una resina de aniones en forma de hidroxil (OH–). El agua fluye a través de la columna de cationes, donde todos los cationes son intercambiados por iones de hidrógeno.
Para mantener el agua eléctricamente balanceada por cada monovalente , por ejemplo, Na+, un ión de hidrógeno es intercambiado y por cada cation divalente, por ejemplo Ca2+, ó Mg2+, dos iones de hidrógeno son intercambiados. El mismo principio aplica cuando se considera un intercambio de aniones.
El agua descationizada entonce fluye a través de la columna de aniones. Esta vez todos los iones con carga negativa son intercambiados por iones de hidróxido los cuales entonces se combinan con los iones de hidrógeno para formar agua (H2O).
En los desionizadores de cama mixta, las resinas del intercambio de cationes y de aniones están íntimamente mezcladas y contenidas en un solo recipiente a presión. La mezcla minuciosa de cationes intercambiadores y aniones intercambiadores en una columna sencilla hace al desionizador de cama mixta equivalente a la serie larga de plantas de dos camas. Como resultado, la calidad del agua obtenida de un desionizador de cama mixta es apreciablemente mas alta que la que se produce en una planta de dos camas.
El recipiente puede ser en la forma de una columna grande de acero inoxidable o de fibra de vidrio reforzada conteniendo cientos de litros de resina , o un cartucho pequeño desechable/regenerable que cuando se acaba, puede desecharse o enviado al proveedor original para regeneración. Los desionizadores grandes- ya sean de dos camas o camas mixtas- se regeneran automáticamente ellos mismos, en su lugar, cuando la calidad del agua cae por debajo de los niveles fijados anteriormente
Aunque son mas eficientes purificando el feedwater entrante, las plantas de camas mixtas son más sensitivas a las impurezas en la fuente de agua e involucran un proceso de regeneración más complicado. Los desionizadores de cama mixta se utilizan normalmente para “pulir” el agua a altos niveles de pureza después de que han sido tratadas inicialmente por un desionizador de dos camas o una unidad de osmosis inversa.
Los desionizadores usados en aplicaciones de laboratorios son casi invariablemente unidades de camas mixtas conteniendo cartuchos de resina intercambiables o desechables. Desionizadores grandes de auto-regeneración se utilizan a veces en sistemas de purificación de agua supliendo volúmenes substanciales de aguas para suites de laboratorios, o grandes cantidades de agua para proceso industrial.
Principales aplicaciones de la desmineralización:
- Calderas de alimentación de agua,
- Industria de textiles
- Industria química
- Industria farmacéutica
- Fábricas de cerveza
- Agua potable.
- Hospitales
- Automóviles y baterías
- Fertilizantes.
- Plantas de intercambio iónico
- Suavizdores o descalcificadores
- Plantas industriales
- Planta de Energía
- Sector de petróleo y gas