Intercambio iónico

¿Por qué un intercambiador de iones y los usos comunes en la vida cotidiana y en la industria?

Con muy poca frecuencia el hombre se encuentra con el agua en las condiciones ideales para ser utilizada. Generalmente contiene “impurezas” de naturaleza particular, iónica o biológica que deben ser removidas para su uso ya sea por cuestiones de salud, técnicas y/o económicas. Intercambio ionico

En muchos usos cotidianos se nos presentan calidades de agua que no satisfacen los requerimientos del usuario final. El caso más común se puede ver con los denominados ablandadores, en los cuales, mediante un intercambiador de cationes, se puede reducir la dureza de un agua, intercambiando cationes sodio por calcio y magnesio, o casos donde una fuente de agua potable de origen subterráneo se encuentre próxima a una fosa séptica y pueda tener el agua nitratos. En este último caso, el uso del intercambio iónico es una de las formas de reducir las concentraciones de este compuesto en el agua, intercambiándolo por cloruros.

También existen numerosas aplicaciones de índole industrial con calidades de agua “ultra pura” en donde se emplean intercambiadores de iones, una de las más comunes es el agua para calderas, donde para evitar corrosiones, desbalance en turbinas, incrustaciones o depósitos que luego impidan la transferencia de calor, es necesario reducir a valores muy bajos los contenidos de alcalinidad, dureza, sílice, etc. También son menos frecuentes, los intercambiadores de iones en unidades “pulidoras de condensados” también para agua de caldera, reduciendo así los costos de operación de plantas de energía eléctrica.

El intercambio iónico es un proceso reversible en el cual se intercambian iones entre una matriz sólida (resina) y un medio líquido (agua o fluido de proceso) sin alterar físicamente la primera. Si bien esta descripción se refiere a aguas de proceso, en muchas otras industrias (farmacéutica, minería, procesamiento de alimentos, etc.) se emplea este proceso como vía para separación de otros líquidos o fluidos. Esta resina es, desde hace años, un material plástico inerte (de diámetros promedio del orden de los 500 micrones) en la que se han fijado grupos activos que permiten intercambiar cationes o aniones. *

*Un ion es un átomo o combinación de átomos (molécula) que tiene una carga eléctrica neta positiva (catión) o negativa (anión).

De forma genérica este asunto puede indicarse de la siguiente manera:

RA+ (s) + B+ (l) RB+ (s) + A+ (l)

Donde el intercambiador o resina (R-A) lleva cationes (A+) como iones intercambiables con los del medio en solución (B+). Este equilibrio representado en la ecuación anterior es un ejemplo de intercambio catiónico. De manera análoga, puede expresarse un intercambio aniónico:

R+A (s) + B (l) R+B (s) + A (l)

Es bien sabido que hay iones más fácilmente intercambiables que otros, es decir las resinas de intercambio exhiben una selectividad o afinidad determinada para diversos iones.

AblandadoresLa capacidad de intercambio de una resina es una medida del número total de iones intercambiables que posee, comúnmente se expresa en mili equivalentes/gramo en estado seca y para una forma iónica monovalente determinada.

Estos iones que mencionamos pueden clasificarse según su carga eléctrica neta en cationes (positivos – sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, etc.) y aniones (negativos – carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sulfatos, nitratos, sílice, etc.).

A su vez, los tipos intercambiadores comerciales que podemos encontrar con frecuencia, son los siguientes:

  • Catiónicos débiles.
  • Catiónicos fuertes.
  • Aniónicos débiles.
  • Aniónicos fuertes (tipo I).
  • Aniónicos fuertes (tipo II).

Materialización de un intercambiador de iones

La manera tradicional de llevar a cabo un intercambiador de iones, independientemente del tipo, es mediante una columna cilíndrica vertical a presión, donde la resina de intercambio está contenida dentro de la misma y el agua a tratar pasa a través de la misma. Soportes o falsos fondos junto con un sistema de toberas mantienen la resina dentro de la columna.

La operación de los intercambiadores tiene una secuencia que comprende en general las siguientes etapas.

  1. Producción
  2. Regeneración
    • Contralavado
    • Regeneración
    • Desplazamiento
  3. Enjuague final

 

  1. Producción:

En esta fase se produce la utilización real del intercambiador iónico lográndose la obtención del agua tratada en la cantidad y calidad establecida por la capacidad instalada.

  1. Regeneración:
    • Contralavado:

Una vez terminado el ciclo productivo se procede a la regeneración de la resina. Para ello es necesario descompactar primero el lecho y eliminar al mismo tiempo las impurezas físicamente retenidas a lo largo del ciclo utilizándose para tal fin una corriente de agua ascendente para lograr la expansión de la resina.

  • Regeneración:

Durante esta operación se logra por utilización de una solución regenerante la reversibilidad del fenómeno de intercambio iónico siguiendo el principio de la conservación de masas, logrando compensar la mayor selectividad iónica de los iones fijados por un aumento considerable de la concentración de la solución regenerante.

  • Desplazamiento:

Cuando finalizada la etapa de regeneración, todo el intercambiador está lleno de solución regenerante, que debe ser evacuada para dejar la columna en condiciones de re iniciar la producción.

  • Enjuague final:

La resina en presencia de fuertes concentraciones de regenerantes absorbe físicamente los reactivos, por lo que es necesario llevar a cabo un enjuague final de la misma a un caudal mayor que el de la regeneración y que comúnmente se toma como igual al de operación.

Al finalizar este período se debe obtener prácticamente la calidad del agua deseada antes de afectar el equipo al ciclo productivo.

A su vez, la operación de estos intercambiadores puede realizarse en co-corriente o contracorriente, es decir, en el primer caso el sentido del flujo en producción es el mismo que durante la regeneración (generalmente hacia abajo). En este modo de operación, el regenerante concentrado toma contacto primero con la capa superior del manto de resina, la cual es la que mayor agotamiento presenta con iones de gran afinidad para la resina. Finalmente, los iones intercambiados en la regeneración de los estratos superiores de la columna tienen que atravesar todo el manto antes de ser evacuados del mismo. El resultado final de esta operatoria es que los estratos superiores se encuentran regenerados, pero los inferiores pueden estar parcialmente regenerados, acortando el ciclo de producción antes de la fuga de ion a remover.

En los intercambiadores de operación contra corriente, el sentido de flujo en producción es opuesto al de regeneración. Se pueden dar ambos casos por igual producción en sentido descendente o ascendente. Aquí, en esta modalidad de operación, el regenerante concentrado que ingresa entra en contacto primero con la región del manto que está menos agotado y solo por iones de baja afinidad con la resina. Por lo tanto, el resultado final es una regeneración de mayor eficiencia debido al alto grado de reconversión de la resina y por ende una mejor calidad de agua producto.

Procesos de intercambio iónico en el campo del agua industrial o de consumo humano

En la siguiente tabla se indican los procesos más comunes y con mayor cantidad de instalaciones para agua industrial o potable y el tipo de resina empleado:

ProcesoTipo de resina
AblandamientoCatiónica fuerte*
 Catiónica débil
 
DealcalinizaciónCatiónica débil*
 Aniónica fuerte
 
DesmineralizaciónCatiónica fuerte*
 Catiónica débil
 Aniónica fuerte*
 Aniónica débil
 
Remoción de materia orgánicaAniónica fuerte*
 Aniónica débil
 
Remoción de nitratosAniónica fuerte

*Principal tipo de resina utilizada.

Cada uno de estos procesos tiene sus particularidades. Algunos serán tratados con mayor detalle por ser más frecuentes como los ablandadores y desmineralizadores, no obstante, las características generales de cada uno de los mencionados en la tabla anterior son las siguientes:

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