Intercambio Ionico

GENERALIDADES SOBRE EL INTERCAMBIO IONICO

CONCEPTOS INTRODUCTORIOS

Ing. Ricardo E. Pauer

Gerente de Proyecto

IDRECO SUDAMERICANA SA

SEMINARIO AGUA Y ENERGIA, ROSARIO, 25 Y 26 / 9 / 90

El porqué del intercambio iónico

El agua, tal como se nos presenta en la naturaleza posee características que por razones económicas, operacionales, técnicas o psicológicas no puede ser empleada directamente.

La existencia de turbiedad, olores, colores, sales, gases en solución, sólidos disueltos o dispersos, materia orgánica, etc., obliga al acondicionamiento de la misma previa a su utilización.

Son bien conocidos los efectos producidos por las incrustaciones debidas a dureza permanente o temporaria, por la precipitación de sales de calcio y magnesio que impiden la transferencia de calor y el paso de fluidos aumentando asimismo el costo de la energía necesaria en la conducción de los mismos. Altos niveles de dureza crean problemas en el lavado de la ropa y para el aseo personal, lo que se traduce en un cierto grado de incomodidad.

La presencia de alcalinidad en las aguas de alimentación a caldera produce la aparición de los fenómenos de fragilidad cáustica, y por la disociación de los bicarbonatos a altas temperaturas el arrastre en el vapor de anhídrido carbónico con los consiguientes problemas de acidificación del condensado y corrosión en los circuitos.

La presencia de sílice en aguas utilizadas en centrales energéticas producen depósitos y desequilibrios peligrosos en las turbinas.

El hierro y el manganeso son sustancias indeseables en las industrias textiles, papelera, etc.

El oxígeno es una fuente de corrosión importante en todas aquellas líneas especialmente a elevadas temperaturas.

La presencia de azufre combinado en sus distintas formas trae también problemas de toxicidad y olores.

El amoníaco produce corrosión en las aleaciones de cobre o zinc.

Los nitratos en algunos casos son lo suficientemente altos para implicar posibles riesgos en la salud, especialmente en los lactantes.

Todos estos elementos son solamente algunos de los muchos que se encuentran presentes en el agua y que es necesario eliminar en mayor o menor grado para evitar las consecuencias antedichas.

Existen muchos métodos simples o complejos, antiguos o modernos para evitar estos inconvenientes.

Afortunadamente todos o casi todos ellos son resumibles a un tipo de tratamiento después de la aparición de los intercambiadores de iones.

Orígenes del intercambiador iónico

El tratamiento de agua por absorbentes sólidos tales como la arena es tan viejo como la civilización misma.

Que materias filtrantes eran usadas para purificación de mar o de aguas contaminadas, es mencionado en el Antiguo Testamento y conocido desde tiempos de Aristóteles.

El estudio de los problemas inherentes a la agricultura, especialmente al considerar la fijación de los elementos nutrientes por el suelo condujo a investigaciones importantes y con ellas al descubrimiento de las propiedades de estas tierras en la absorción e intercambio de sustancias por la misma.

Del estudio de las arenas y suelos responsables de la absorción nacieron las primeras zeolitas utilizadas en ablandamiento y reactivadas con soluciones de salmuera.

Usando la fusión de caolín y la arena en un horno o mas tarde por la utilización de métodos de precipitación, se desarrollaron materiales sintéticos de intercambio del tipo silícico.

Este tipo de intercambiador tuvo la desventaja de ser atacado por soluciones de pH agresivo o que contuvieran poca sílice, por lo que su uso fue limitado al ablandamiento.

Mas tarde fueron descubiertos depósitos de gluconita o arenas verdes, que fueron usados en intercambio catiónico gracias a sus características particulares.

La aparición de cambiadores orgánicos marca una nueva etapa de rápida avanzada en la producción de intercambiadores. El ataque con ácido sulfúrico a carbones o lignitos elegidos por su resistencia mecánica o alto contenido de materias volátiles condujo a la aparición de compuestos polifuncionales con radicales carboxílicos y sulfónicos.

Posteriormente a estos aparecen las resinas de fenol-formaldeído, casi completamente abandonadas y solo usadas esporádicamente en la actualidad.

Finalmente los mas modernos métodos de fabricación han producido las resinas poliestirénicas obtenidas gracias a una copolimerización del estireno y del divinilbenceno efectuada en emulsión con formación de las clásicas esferas y sulfonación posterior.

Asimismo la fabricación de resinas con grupos carboxílicos lleva a la aparición de los intercambiadores catiónicos débiles, de uso limitado pero de gran capacidad de intercambio y bajos consumos de regenerante.

Con las resinas aniónicas débiles, y medianamente fuertes, se logra la absorción de los ácidos fuertes libres provenientes de una decationización previa, obteniéndose gracias a esta resina la resolución de un número considerable de los problemas de desmineralización parcial.

La incorporación de calderas de alta presión y de vaporización instantánea y el uso de turbogeneradores de energía condujo a la necesidad imperiosa de fabricación de resinas del tipo aniónico fuerte capaces de retener los ácidos mas débiles como el silícico y carbónico.

Definidos en una forma general, estos intercambiadores de iones son sólidos insolubles o líquidos inmiscibles, que poseen cationes o aniones móviles susceptibles de ser cambiados reversible y estequiométricamente con los iones del mismo signo presentes en soluciones de electrolitos, con los cuales son puestos en contacto.

Los intercambiadores iónicos se clasifican según el tipo de iones a retener.

Los iones presentes en el agua están divididos en aniones y cationes.

Los aniones principales son:

• Carbonatos CO3= (*)

• Bicarbonatos CO3H- (*)

• Sulfatos SO4=

• Cloruros Cl-

• Nitratos NO3-

• SiO3H- Sílice

Los cationes principales son:

• Sodio Na+

• Potasio K+

• Calcio Ca++ (#)

• Magnesio Mg++ (#)

• Hierro Fe++

• Manganeso Mn++

(*) Estos elementos a veces se denominan como “alcalinidad”.

(#) Estos elementos constituyen la “dureza”.

Existen por lo tanto intercambiadores catiónicos (destinados a retener o intercambiar cationes) y aniónicos (destinados a los aniones).

Los distintos tipos de intercambiadores que es posible encontrar son:

• Zeolitas

• Carbones sulfonados

• Catiónicos fuertes

• Catiónicos débiles

• Aniónicos débiles

• Aniónicos medianamente básicos

• Aniónicos fuertes tipo I

• Aniónicos fuertes tipo II

Se ha mencionado hasta el momento lo que es posible hacer con estos intercambiadores. Mencionaremos ahora los medios que se deben disponer y la forma con la que es posible materializar este intercambio.

Sistemas clásicos de intercambio iónico

Las dos principales técnicas de contacto de soluciones con intercambiadores iónicos son los métodos batch y en columna. Este último a su vez puede ser dividido según se trate de lechos fijos o móviles en los que se lleva a cabo el proceso. En el primer caso, lechos fijos, también pueden clasificarse según la regeneración se efectúe en cocorriente o en contracorriente.

La utilización de los lechos móviles fue una tecnología que apareció como muy promisoria a comienzos de los años sesenta, pero que no prosperó y puede decirse que desapareció del mercado en la década del setenta.

La operación batch consiste en colocar la resina y el líquido a tratar en un tanque, mezclar y permitir llegar al equilibrio. Luego la solución es filtrada y la resina separada para ser usada en un nuevo ciclo.

De esta forma, a menos que la selectividad sea altamente favorable, solo una parte relativamente pequeña de la capacidad total de la resina puede ser utilizada.

Este tipo de proceso solo es empleado en pequeña escala para desalado de agua de mar, para ablandamiento de jugos azucarados, recuperación de oro de soluciones cianuradas, etc.

La operación en columna puede ser considerada como un gran número de operaciones batch realizadas en serie. Dado que la extensión del intercambio iónico en la operación batch está gobernada por el coeficiente de selectividad, puede lograrse un efecto total mas favorable con el uso de la operación en columna.

Intercambiadores industriales: su uso y operación

Los intercambiadores clásicos (regenerados cocorriente) para fines industriales están constituidos por un recipiente cilíndrico vertical cerrado provisto en su parte superior de una entrada para el líquido a tratar, con algún sistema de distribución que permita asegurar

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