PROCESO DE ABLANDAMIENTO DE

AGUAS

PROCESOS QUIMICOS EN INGENIERIA SANITARIA

Introducción

Como ya se ha señalado al hacer referencia a la calidad de las aguas de consumo, la dureza no es de los componentes de mayor importancia sanitaria. No obstante, por sus implicaciones económicas y las molestias y el rechazo que ocasiona en la población, el ablandamiento del agua es una de las operaciones que se realiza con bastante frecuencia. Denominamos ablandamiento del agua al conjunto de operaciones que tienen por finalidad reducir las concentraciones de calcio y magnesio, es decir, eliminar dureza del agua. La eliminación de estas sustancias se puede realizar por dos procedimientos:

Desmineralización. Ablandamiento químico.

Ablandamiento QuímicoConsiste en la adición de sustancias al agua que reaccionan con los iones calcio y magnesio, transformándolos en compuestos insolubles, que son separados del agua por procedimientos físicos convencionales (decantación y filtración).

Existen varios procedimientos para realizar el ablandamiento del agua: Con cal. Con carbonato sódico y cal. Con sosa cáustica (hidróxido sódico).

Ablandamiento con Cal

Cuando a un agua se añade cal (hidróxido cálcico), tienen lugar las siguientes reacciones con la dureza: (1) CO2

+ Ca(OH)2 CO⇒ 3Ca ↓ + H2O

(2) (CO3H)2Ca + Ca(OH)2 2 CO⇒ 3Ca ↓ + 2 H2O

(3) (CO3H)2Mg + Ca(OH)2 CO⇒ 3Ca + CO3Mg + 2H2O

CO3Mg + Ca(OH)2 Mg(OH)⇒ 2

↓ + CO3Ca ↓

(4) SO4Mg + Ca(OH)2 Mg(OH)⇒ 2

↓ + SO4Ca

Cl2Mg + Ca(OH)2 ⇒ Mg(OH)2

↓ + Cl2Ca

En estas reacciones se puede observar que:

a) El calcio será eliminado del agua en forma de carbonato cálcico, CO3Ca, y el magnesio en forma de hidróxido de magnesio, Mg(OH)2, ambos compuestos insolubles en agua.

b) El anhídrido carbónico influye en la dosis de cal necesaria para el tratamiento, no porque afecte a la dureza, sino porque representa un consumo adicional de cal independientemente de la dureza.

c) La tercera reacción formulada es doble, ya que el carbonato de magnesio no es suficientemente insoluble, siendo necesaria su transformación en hidróxido de magnesio.

d) Como puede observarse en las reacciones (4), mediante el tratamiento con cal se elimina únicamente dureza temporal, es decir, dureza en forma de bicarbonatos, ya que la dureza magnésica se transforma en dureza cálcica. Esto quiere decir que el ablandamiento con cal podrá ser aplicado a aquellas aguas que presenten un contenido suficiente de bicarbonatos.

Práctica del ablandamiento con cal

El ablandamiento con cal es el utilizado habitualmente, debido a que las aguas destinadas al consumo humano suelen contener un nivel de bicarbonatos suficiente.

La reacción de la cal con la dureza es muy lenta en ausencia de gérmenes de cristalización. Por el contrario, en contacto con una masa suficiente de cristales de carbonato cálcico ya formados, la reacción transcurre en varios minutos. Como la precipitación se efectúa sobre los cristales, éstos tienden a aumentar su volumen, con lo que aumenta la velocidad de sedimentación. Esto ocurre si la superficie de los cristales de CO3Ca se encuentra suficientemente limpia. Por ello, la presencia de sustancias orgánicas coloidales puede impedir la cristalización, siendo una de las razones por las que se realiza simultáneamente una coagulación-floculación.

Si el carbonato cálcico se encuentra solo, tiene tendencia a formar agrupaciones de cristales que sedimentan a gran velocidad, mientras que el hidróxido de magnesio, si se encuentra solo, forma flóculos muy ligeros. Si la proporción de hidróxido de magnesio en relación al carbonato cálcico es pequeña, se ocluye dentro del precipitado cálcico, pero si su proporción es grande, no pueden obtenerse precipitados densos, siendo mucho menor la velocidad de sedimentación.

La realización en la práctica del proceso de ablandamiento con resultados satisfactorios, implicará un conocimiento adecuado de las siguientes variables:

Caudal de agua que va a ser tratada: la medida exacta del caudal de agua que se va a tratar es imprescindible para adecuar el tratamiento, ya que la dosificación de reactivos se hará en función del caudal. Además, el flujo de agua debe ser continuamente vigilado, ya que habitualmente se producen variaciones importantes en todas las fuentes de captación.

Características químicas del agua: antes de realizar el ablandamiento de un agua es imprescindible conocer su composición. Sobre todo, será necesario determinar su dureza para evaluar la conveniencia o no del tratamiento. M mismo tiempo, conviene determinar cuantos parámetros estén relacionados con el tratamiento, tales como alcalinidad, pH, conductividad, etc.

Dosificación de reactivos: es necesario determinar la cantidad de cal necesaria para realizar el tratamiento adecuado. Para ello se expone a continuación un método muy sencillo de cálculo que permite obtener la demanda aproximada de cal.

Este método simplificado, al llevarlo a la práctica, ofrece un menor rendimiento que el calculado, ya que factores tales como el contenido en CO2, grado de pureza de los reactivos, cal consumida por la dureza permanente, etc., no se tendrán en cuenta, pero será muy orientativo a la hora de plantear el tratamiento.

Consideremos que el calcio a eliminar se encuentra todo en forma de bicarbonatos, que correspondería a la reacción (2). De acuerdo con esta reacción, la eliminación de un mol de calcio (40 g), en forma de bicarbonato, requiere un aporte de un mol de hidróxido cálcico (74 g). La eliminación de una determinada concentración de calcio (CCa), se producirá con la siguiente cantidad de hidróxido cálcico (HCCa):

HCCa = ( Cca * 74 ) / 40 = 1.8 * Cca

La eliminación de un mol de magnesio (24.3 g) en forma de bicarbonatos, requiere dos moles de cal, ya que se necesita un mol para su transformación en carbonato de magnesio y otro mol para convertir éste en hidróxido de magnesio, de acuerdo con las reacciones (3). Por tanto, la eliminación de una determinada concentración del exceso de magnesio del agua (CMg), se producirá con la siguiente cantidad de hidróxido cálcico (HCMg):

HCMg = ( CMg * 2.74 ) / 24.3 = 6.1 * CMg

Se puede, a partir de ahora, simplificar los cálculos considerando que todo el calcio y magnesio del agua se encuentra en forma de bicarbonatos, y sin tener en cuenta que el CO2

del agua y la dureza permanente consumirán parte de la cal. De esta forma puede obtenerse un valor aproximado para realizar la prueba del vaso mediante la siguiente expresión:

HCT = HCCa

+ HCMg = 1.85 C⋅ Ca

+ 6.1 C⋅ Mg

en donde, HCT es el aporte de cal calculado para el tratamiento (en mg/l),

CCa la concentración de calcio que se pretende eliminar del agua (en

mg/l), y CMg la concentración de magnesio que se desea eliminar del agua

(en mg/l).

Ablandamiento con carbonato sódico y cal

Cuando es necesario eliminar dureza permanente del agua, las reacciones anteriormente formuladas con la cal no son suficientes, siendo necesario hacer un tratamiento con carbonato sódico y cal.

En este tratamiento, a las reacciones formuladas con la cal, previamente descritas, se añaden las siguientes:

SO4Ca + CO3Na2 CO⇒ 3Ca ↓ + SO4Na2

Cl2Ca + CO3Na2 CO⇒ 3Ca ↓ + 2 ClNa

Estas reacciones representan la eliminación de dureza permanente correspondiente a los sulfatos y cloruros respectivamente, y completarían las reacciones (4) formuladas en el tratamiento con cal.

El tratamiento con carbonato sódico no es muy efectivo, no pudiéndose eliminar más de 4 ºH en los casos más favorables.

Ablandamiento con sosa cáustica

Se puede considerar como una variante del proceso de ablandamiento con carbonato sódico y cal. La reacción básica del proceso es la siguiente:

(CO3H)2Ca + 2 NaOH CO⇒ 3Ca ↓ + CO3Na2 + 2 H2O

Se produce la precipitación del carbonato cálcico y la formación de carbonato sódico, que reaccionará con la dureza permanente, de acuerdo con las reacciones formuladas anteriormente.

Precipitación química de sulfatos Se pueden utilizar dos procedimientos para la precipitación de sulfatos: Precipitación en forma de yeso: se realiza mediante la adición de

calcio (Ca2+) a las aguas con alto contenido en sulfatos (SO42-),

formándose yeso (CaSO4.2H2O). Si las aguas son ácidas se suele adicionar el calcio en forma de cal, mientras que en aguas con fuerte contenido salino se suele adicionar en forma de cloruro cálcico (CaCl2).

SO4= + Ca 2+ + 2H2O CaSO⇒ 4.2H2O ↓

La precipitación en forma de cristales es muy lenta, por lo que para evitar sobresaturaciones y precipitaciones posteriores, la reacción debe efectuarse en presencia de una gran concentración de gérmenes cristalinos.

Precipitación con cloruro de bario: Al adicionar cloruro de bario (BaCl2) se forma sulfato de bario (BaSO4) insoluble, de acuerdo con las siguientes reacciones, que sirven de ejemplo:

CaSO4 + BaCl2 BaSO⇒ 4

↓ + CaCl2

Na2SO4 + BaCl2 BaSO⇒ 4

↓ + 2 NaCl

Precipitación química de fluoruros

El ablandamiento con cal puede eliminar fluoruros del agua por formación de un precipitado insoluble y por coprecipitación con hidróxido de magnesio [Mg(OH)2]. Además de la cal, se puede añadir CaCl2 para mejorar el rendimiento del tratamiento.

2 F- + Ca 2+ CaF⇒ 2 ↓

La coprecipitación ocurre por la adsorción del flúor en el hidróxido magnésico que se forma en el ablandamiento con cal. Si el agua no contiene suficiente magnesio, es necesario enriquecerla, añadiendo sulfato magnésico o cal dolomítica.

Se ha desarrollado una ecuación teórica para calcular el magnesio necesario para reducir el nivel de fluoruro hasta un valor dado:

F residual = F inicial - ( 0.07 F ⋅ inicial ↓ Mg ) ⋅

ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IONICO

¿Que es el intercambio iónico? El intercambio iónico es una reacción química reversible, que

tiene lugar cuando un ión de una disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica como en las células vivas.

¿Qué es una Resina?

Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas, aunque también las hay en forma de polvo.

Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones.

IonesLas sustancias solubles ionizadas disueltas en agua están presente como iones, que son átomos o moléculas llevando cargas eléctricas. Los iones con carga positiva se llaman cationes, los con carga negativa aniones. Puesto que el agua es globalmente neutral eléctricamente — si no lo fuese, sufriríamos un choque eléctrico cuando sumergimos nuestra mano en el agua — el número de cargas positivas y negativas debe ser exactamente igual.

Ejemplos: Un catión monovalente monoatómico: el ion sodio Na+ Un catión divalente de un monoatómico: el ion calcio

Ca++ Un catión monovalente poliatómico: el ion amonio

NH4+

Un anión monovalente monoatómico: el ion cloruro Cl– Un anión monovalente poliatómico: el ion nitrato NO3

–

Sales son sustancias cristalizadas (en su estado seco) que contienen una

proporción fija de cationes y aniones. Por ejemplo, la sal común tiene exactamente el mismo número de cationes sodio (Na+) y de aniones cloruro (Cl—). Su fórmula es NaCl. Cuando disolvemos sal en agua, sus cationes y aniones se mueven libres.

En agua, los iones son débilmente asociados a moléculas de agua. Se dice que están hidratados. Los cationes son atraídos por el átomo de oxígeno O, y los aniones por los átomos del hidrógeno H de la molécula de agua H2O, como se ve en la figura.

Resinas intercambiadoras de ionesSon perlas de plástico minúsculas, con un diámetro de aproximadamente 0,6 mm. Estas bolitas son porosas y contienen agua, que es invisible y no se puede quitar. Esta proporción de agua se expresa como "retención de humedad". La estructura de la resina es un polímero en lo cual un ion fijo ha sido inmovilizado de manera permanente. Este ion no se puede quitar o reemplazar: pertenece a la estructura de la resina. Para mantener la neutralidad eléctrica de la resina, cada uno de estos iones fijos está neutralizado por un contra-ion de carga opuesta. Este es móvil y puede entrar o salir de la resina. La figura representa esquemáticamente perlas de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones. Las líneas oscuras representan el esqueleto polimérico de la resina: es poroso y contiene agua. Los iones fijos de la resina intercambiadora de cationes son sulfonatos (SO3

–) atados al esqueleto. En esta imagen, los iones móviles son cationes sodio (Na+).

Ablandamiento de aguaEntre las sustancias disueltas en el agua se encuentra la dureza. Esta es una expresión común que representa principalmente las sales de calcio y de magnesio. En ciertas condiciones, estas sales pueden precipitar y formar depósitos (sarro), que se ven en la hervidora de su cocina, y también pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en calderas. El ablandamiento de agua es la eliminación de esta dureza: los iones Ca++ y Mg++ que forman el sarro se intercambian por iones Na+ que son mucho más solubles y no precipitan.

Para ablandar agua se toma una resina intercambiadora de cationes en la cual los iones móviles dentro de la resina son sodio (Na+) y se pasa el agua a través de una columna llenada con esta resina en forma sodio. Los iones de dureza Ca++ et Mg++ entran en las perlas de resina, y cada uno de estos iones produce la salida de dos iones de sodio. La reacción de intercambio se puede escribir:

2 RNa + Ca++ R2Ca + 2 Na+

Desmineralización Si cambiamos todos los cationes disueltos en el agua por iones H+ y

todos los aniones por iones OH—, esos se van a recombinar para producir nuevas moléculas de agua. Para conseguir esto, necesitamos una resina intercambiadora de cationes en la forma H y una resina intercambiadora de aniones en la forma OH. Todos los cationes y aniones del agua se intercambian y el resultado neto es una desaparición completa de las impurezas ionizadas. La reacción del intercambio de cationes es:

2 R'H + Ca++ R2Ca + 2 H+

R'H + Na+ R'Na + H+

De modo parecido, una resina en forma OH– puede eliminar todos los aniones:

R’’OH + Cl– R’’Cl + OH–

2 R’’OH + SO4= R’’2SO4 + 2 OH–

En las ecuaciones, R’’ representa la resina intercambiadora de aniones. Todos los aniones son reemplazados por iones hidróxido (OH–). No hay aquí ilustración de este intercambio aniónico, porque es exactamente similar al intercambio de cationes ilustrado en la figura 5.

Al final del proceso de intercambio, las perlas de resina han eliminado todos los cationes y aniones presentes en el agua y liberado una cantidad equivalente de iones H+ y OH–. Las resinas son casi completamente agotadas (fig. 6).

Estos iones H+ y OH– se recombinan instantáneamente y producen nuevas moléculas de agua:

H+ + OH– HOH H2O

Regeneración

Una vez agotadas las resinas, se pueden regenerar a su forma inicial para reanudar la operación de intercambio. Así, el intercambio iónico es un proceso cíclico y no continuo. La regeneración de las resinas se hace según reacciones inversas de las presentadas en los párrafos anteriores.

Regeneración de un ablandador

La regeneración de una resina ablandadora se hace con iones sodio (Na+) suministradas por una solución de cloruro de sodio (sal común NaCl). la reacción de regeneración es:

R2Ca + 2 NaCl 2 RNa + CaCl2

La regeneración es eficaz solo cuando la concentración del regenerante es alta, típicamente 1000 veces la concentración en agua normal. Por ejemplo, la sal de regeneración de un ablandador se utiliza en una salmuera con una concentración de 10 % (un poco más de 100 g/L) .

Ahora sabe porqué pone sal en su lavaplatos: esta sal diluida en agua regenera el cartucho de resina ubicada en el fondo de la máquina, fuera de vista.

Regeneración de una planta de desmineralización

Ácidos fuertes, por ejemplo el ácido clorhídrico (HCl) o el ácido sulfúrico (H2SO4) son totalmente disociados en solución y pueden proporcionar los iones H+ necesarios para reemplazar los iones cargados durante la fase de agotamiento de la resina que ahora ocupan los sitios activos:

R’Na + HCl R’H + NaCl

De manera similar, bases fuertes — en práctica se emplea siempre sosa cáustica NaOH — pueden proporcionar los iones OH— para reemplazar los aniones eliminados por la resina:

R’’Cl + NaOH R’’OH + NaCl

Se puede ver en estas reacciones que la regeneración produce vertidos salinos. Eso es la principal desventaja del intercambio iónico.

Funcionamiento en columnas Tanto en el laboratorio como en plantas

industriales, las resinas funcionan en columnas. El agua o la solución de tratar pasa a través de la resina. En la imagen de derecha se ve la resina fresca, y luego cargada poco a poco con los iones de la solución de tratar. Iones cargados inicialmente en la resina — no visibles aquí — migran el la solución tratada. Al final de la operación, algunos de estos iones "oscuros" escapan en la solución tratada (aparición de la fuga, o fin del ciclo) y se para la fase de agotamiento.

Capacidad de intercambio

Capacidad total El número de grupos activos corresponde a la capacidad total de una resina. Puesto que hay millones de millones de grupos en una sola perla de resina, la capacidad total volúmica se expresa en equivalentes por litro de resina. Un equivalente representa 6,02×1023 grupos activos. Sin embargo, no hay que acordarse de este número, llamado número de Avogadro.

Una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida típica tiene una capacidad total de 1,8 a 2,2 eq/L Una resina intercambiadora de cationes débilmente ácida típica tiene una capacidad total de 3,7 a 4,5 eq/L Una resina intercambiadora de aniones débil o fuerte típica tiene una capacidad total de 1,1 a 1,4 eq/L

Capacidad útil En la ilustración del funcionamiento en columna del párrafo anterior, la resina es totalmente regenerada al principio del ciclo, pero no totalmente agotada al final de la fase de producción. La definición de la capacidad útil, o capacidad operativa, es la diferencia entre los sitios regenerados al principio y al final del período de producción. Se expresa también en equivalentes por litro.

En operación normal, la capacidad útil de la resina es aproximadamente la mitad de la capacidad total. Los valores normales son de 40 a 70 % de la capacidad total, en función de las condiciones de operación.

Intercambio selectivo

Gracias a la diferencia de afinidad entre varios iones, las resinas intercambiadoras de iones pueden servir para la eliminación selectiva de varios iones. Uno de los ejemplos más comunes es el ablandamiento descrito arriba. No se puede ablandar agua con la ósmosis inversa — es decir eliminar solo los iones de dureza Ca++ y Mg++ — ; la OI solo puede producir una desmineralización parcial y tiene baja tolerancia para iones divalentes que puedan precipitar. Por su lado, el intercambio iónico permite eliminar dureza con una resina en forma Na+. De manera semejante, se puede eliminar nitratos y sulfatos, por lo menos en parte, con una resina intercambiadora de aniones en forma cloruro. Eso funciona porque la resina tiene más afinidad — o una selectividad más alta — para los iones nitrato o sulfato que para el cloruro. La orden de afinidad es:

SO4= > NO3

– > Cl– > HCO3– > OH– > F–

Así, no hay manera práctica — con ningún proceso — para eliminar únicamente los iones cloruro del agua sin tocar los otros aniones.

Para resinas intercambiadoras de cationes usadas en ablandamiento, la orden es: Pb++ > Ca++ > Mg++ > Na+ > H+ El plomo (Pb) está en la lista para ilustrar que trazas de plomo disuelto se

eliminan en un ablandamiento, y varios otros metales pesantes también (pero no todos)

GRACIAS