1. INTRODUCCIÓN

La presencia en el agua de diversas sustancias sólidas constituye la parte más importante y aparente de la contaminación.

Debe eliminarse esta parte sólida para evitar gran número de inconvenientes, de los cuales los más importantes son la obstrucción de conducciones, abrasión de bombas, desgaste de materiales, etc, puesto que todo esto incide en los costes de explotación o de mantenimiento.

El tamaño de las partículas contaminantes presentes en el agua es muy variado. 

Hay sólidos que por su tamaño pueden observarse a simple vista en el agua y dejando la suspensión en reposo, se pueden separar bien por decantación bajo la influencia de la gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas del sólido y del agua. También resulta fácil separarlas por filtración.

Sin embargo, hay otras partículas muy finas de naturaleza coloidal denominadas coloides que presentan una gran estabilidad en agua. Tienen un tamaño comprendido entre 0,001 y 1 µ y constituyen una parte importante de la contaminación, causa principal de la turbiedad del agua. Debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible separarlas por decantación o flotación. Tampoco es posible separarlas por filtración porque pasarían a través de cualquier filtro.

La causa de esta estabilidad es que estas partículas presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, que hace que existan fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse para sedimentar.

Estas cargas son, en general, negativas, aunque los hidróxidos de hierro y aluminio las suelen tener positivas.

El tratamiento físico químico del agua residual tiene como finalidad mediante la adición de ciertos productos químicos la alteración del estado físico de estas sustancias que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación.

Mediante este tratamiento puede llegar a eliminarse del 80 al 90% de la materia total suspendida, del 40 al 70% de la DBO5 y del 30 al 40% de la DQO.

Introducción

Varias tecnologías de intercambio iónico existen para tratar aguas:

Ablandamiento  (o suavización, eliminación de la dureza) Descarbonatación  (eliminación del bicarbonato) Descationización  (eliminación de todos los cationes) Desmineralización  (eliminación de todos los cationes y aniones) Lecho mezclado  o lecho mixto, pulido final Eliminación de nitratos Eliminación selectiva  de varios contaminantes

Encontrará aquí la descripción de estos procesos, las reacciones de intercambio y los cambios que ocurren en el agua. Los tipos de resinas están en otra página (en inglés), así como los métodos de regeneración (en español). Véase también

los principios básicos del intercambio iónico, y la descripción de las columnas de intercambio (en inglés, pero con muchas imágenes) en otras páginas.

Ablandamiento

Aguas naturales contienen iones de calcio y de magnesio (véase análisis de agua) que forman sales no muy solubles. Estos cationes, así como el stroncio y el bario que son menos comunes y aún menos solubles, se llaman iones de dureza. Cuando se evapora el agua, estos cationes pueden precipitar. Eso es lo que se puede observar cuando bulle agua en el hervidor de la cocina.

El agua dura produce incrustaciones en tuberías y calderas domésticas e industriales. Puede crear turbidez en la cerveza o bebidas gaseosas. Sales de calcio ensucian vasos en su lavaplatos si la dureza del agua municipal es alta o si olvidó adicionar sal.

Resinas intercambiadoras de cationes fuertemente ácidas (SAC, véase tipos de resina) usadas en forma de sodio eliminan los cationes de dureza del agua. Columnas de ablandamiento agotadas con estos cationes se regeneran con cloruro de sodio (NaCl, sal común).

Reacciones

Aquí el ejemplo del calcio:

2 R-Na + Ca++   R2-Ca + 2 Na+

R representa la resina, la cual está inicialmente en forma sodio. La reacción con el magnesio es idéntica.

Esta reacción es un equilibrio. se puede invertir aumentando la concentración de sodio en el lado derecho. Eso se hace con NaCl y la reacción de regeneración es:

R2-Ca + 2 Na+   2 R-Na + Ca++

¿Qué ocurre en el agua?

Agua bruta

SAC (Na)

Agua ablandada

La salinidad del agua es igual que antes, pero contiene ahora sodio en lugar de dureza. Un pequeño residuo de dureza permanece, que depende de las condiciones de regeneración.

Usos

Ejemplos de uso de ablandadores:

Tratamiento de agua para calderas de baja presión En Europa, muchos lavaplatos tienen un cartucho de resina ablandadora en

el fondo de la máquina Cervecerías y productores de refrescos tratan el agua de producción con

resinas de calidad alimentaria

Ablandar el agua no reduce su salinidad: solo elimina los cationes de dureza y los reemplaza por sodio. Las sales de sodio son mucho mas solubles, de manera que no producen incrustaciones.   

Descarbonatación

Este proceso emplea una resina intercambiadora de cationes débilmente ácida (WAC), que es capable de eliminar dureza del agua cuando esa tiene alcalinidad (es decir bicarbonatos). El agua tratada tiene gas carbónico libre que se puede eliminar en una torre desgasificadora. La resina se regenera muy fácilmente con un ácido fuerte, preferentemente ácido clorhídrico.

Reacciones

Aquí el ejemplo del calcio:

2 R-H + Ca++(HCO3–)2   R2-Ca + 2 H+ + 2 HCO3

–

después, los cationes de hidrógeno se combian con los aniones de bicarbonato y producen ácido carbónico y agua:

H+ + HCO3–   CO2 + H2O

¿Qué ocurre en el agua?

Agua bruta

WAC (H)

Agua descarbonatada

Recombinación del hidrógeno con el bicarbonato y eliminación del dióxido de carbono en la torre de desgasificación:

Agua descarbonatada

DEG

Agua desgasada

La salinidad ha sido reducida. La dureza temporal ha desaparecido.

Usos

La descarbonatación sirve:

En cervecerías En cartuchos domésticos de agua potable Para calderas de baja presión Como primera etapa de una desmineralización

La descarbonatación disminuye la salinidad del agua eliminando cationes de dureza y aniones de alcalinidad. 

Descationiszación

La eliminación de todos los cationes no es un proceso individual muy corriente, sino como primera etapa de un tratamiento de condensados ante un lecho

mezclado. Se hace con una resina intercambiadora de cationes fuértemente ácida (SAC) en forma H+.

Reaciones

Aquí el ejemplo del sodio, pero todos los cationes reaccionan igualmente. Es una reacción de equilibrio:

R-H + Na+   R-Na + H+

La reacción inversa (de regeneración) ocurre aumentando la concentración de hidrógeno en el lado derecho. Se hace con un ácido fuerte, HCl o H2SO4:

R-Na + H+   R-H + Na+

¿Qué ocurre en el agua?

Agua bruta

SAC (H)

Agua descationizada

DEG

Descationizada y desgasada

En la segunda etapa, una torre de desgasificación elimina aquí tambien el dióxido de carbono, combinandp los aniones de bicarbonato y los cationes de hidrógeno producidos en la primera etapa. La salnidad del agua ha sido reducida y el agua tratada es ácida. Una pequeña fuga de sodio permanece (en rojo en la imagen).

Desmineralización

En muchas aplicaciones se deben eliminar todos los iones del agua. Cuando se calienta agua para producir vapor, cualquiera impureza en ella puede precipitar y causar daño. Como hay cationes y aniones en el agua bruta (en concentración globalmente igual), se deben usar dos tipos de resina: un intercambiador de cationes y un intercambiador de aniones. Esta combionación produce agua pura, como ya presentado en laintroducción general. La desmineralización se puede también llamar desionización. La resina catiónica se usa en forma hidrógeno

(H+) , y la anionica en forma hidróxido (OH–), de manera que se regenera la catiónica con un ácido y la aniónica con un álcali.

El dióxido de carbono se elmina con una torre desgasificadora torre desgasificadora cuando el agua contiene una concentración apreciable de bicarbonato.

En general, el intercambiador de cationes está colocado en primer sitio, delante del intercambiador de aniones. Si no fuese así, los cationes de dureza precipitarían en el medio ambiente alcalino de la resina aniónica en forma de Ca(OH)2 o de CaCO3, que tienen baja solubilidad.

Arreglo SAC – (DEG) – SBAExaminemos primero un sistema sencillo de desmineralización con una resina fuértemente ácida (SAC) en forma H+, una torre de desgasificación (opcional) y una resina fuértemente básica (SBA) en forma OH–. La primera etapa del proceso es la descationización de arriba:

RSAC-H + Na+   RSAC-Na + H+

En el caso de calcio en lugar de sodio (válido también para magnesio y otros cationes divalentes):

2 RSAC-H + Ca++   (RSAC)2-Ca + 2 H+

En la segunda etapa del proceso, todos los aniones son eliminados por la resina básica fuerte:

RSBA-OH + Cl–   RSBA-Cl + OH–

Los ácidos débiles producidos en la etapa de descationización, que son el ácido carbónico y silícico (H2CO3 y H2SiO3) se eliminan de misma manera:

RSBA-OH + HCO3–   RSBA-HCO3

– + OH–

Y al final, los iones H+ producidos en la primera etapa reaccionan con los iones OH– de la segunda y forman nuevas moléculas de agua. Esta reacción es irreversible:

H+ + OH–   H2O

¿Qué ocurre en el agua?

Intercambio de cationes (idéntico a la descationización de arriba):

Agua bruta

SAC (H)

Agua descationizada

DEG

Descationizada y degasada

Intercambio de aniones:

Agua descat. y desgasada

SBA (OH)

Agua desmineralizada

El agua descationizada no contiene ningunos iones, excepto pequeñas trazas de sodio y de sílice, porque las resinas SAC y SBA tienen una menor selectividad para ellos. Con tal cadena sencilla de desmineralización regenerada en contra-corriente se obtiene un agua desmineralizada con una conductividad de solo 1 µS/cm aproximadamente, y una sílice residual de 5 a 50 µg/L, un valor que depende de la concentración de sílice en el agua bruta y de las condiciones de regeneración. El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada. Los valores indicados con un pH-metro son erróneos cuando la conductividad es baja.

Regeneración

La resina fuértemente ácida (SAC) se regenera con un ácido fuerte, HCl o H2SO4:

R-Na + H+   R-H + Na+

Y la resina fuértemente básica (SBA) se regenera con una base fuerte, NaOH en 99 % de los casos:

RSBA-Cl + OH–   RSBA-OH + Cl–

Arrreglo WAC/SAC – DEG – WBA/SBALas resinas débilmente ácidas (WAC) y débilmente básicas (WBA) ofrecen una capacidad útil alta y se regeneran muy fácilmente. Entonces se emplean tales resinas en combinación con resinas fuértemente ácidas (SAC) y básicas (SBA) en plantas grandes, para lograr un mejor rendimiento químico y un consume de regenerantes más bajo. La primera etapa con la resina WAC es una descarbonatación (eliminación de la dureza temporal), y la segunda etapa elimina todos los demás cationes. Las resinas débilmente ácidas WAC se emplean cuando el agua bruta tiene concentraciones relativamente altas de dureza y de alcalinidad.

Las resinas débilmente básicas (WBA) eliminan solo los ácidos fuertes detrás de la etapa de descationización. No son capaces de eliminar los ácidos débiles que son SiO2 y CO2. En su forma regenerada, no son disociadas, y entonces no tienen iones OH– libres necesitados por un intercambio de aniones neutrales. Por el otro lado, su basicidad es suficiente para eliminar los ácidos fuertes creados por el intercambio de cationes.

RWBA + H+Cl–   RWBA.HCl

En la última etapa, una resina fuértemente básica (SBA) es necesaria para eilminar los ácidos débiles como ya mencionado en el párrafo anterior:

RSBA-OH + HCO3–   RSBA-HCO3

– + OH–

¿Qué ocurre en el agua?

Intercambio catiónico empezando por una descarbonatación seguida por la eliminación de todos los demás cationes:

Agua bruta

WAC (H)

Agua descarbonatada

SAC (H)

Agua descatiionizada

Intercambio aniónico empezando por la eliminación de los ácidos fuertes después de una desgasificación:

Agua descationizada y desgasada

WBA (FB)

Agua partialmente desmineralizada

SBA (OH)

Agua totalmente desmineralizada

La imagen siguiente es una cadena completa de desmineralización, incluyendo una columna de intercambio catiónico de dos cámaras (WAC y SAC), una torre de desgasificación, una columna de intercambio aniónico de dos cámaras (WBA y SBA), y un lecho mezclado como pulido final. El uso de la resina débilmente ácida (WAC) y de la torre de desgasificación depende de la concentración de dureza y de alcalinidad en el agua bruta, como mencionado en los párrafos anteriores.

Cadena de desmineralización (haga clic para una imagen más grande)

Regeneración

La regeneración se hace en serie: la solución regenerante pasa primero por la resina fuerte y después por la resina débil; en general, el regenerante no consumido por la resina fuerte basta par regenerar la débil.

Las resinas intercambiadoras de cationes se regeneran con un ácido fuerte, preferentemente HCl porque H2SO4 puede precipitar sulfato de calcio. Las resinas intercambiadoras de aniones se regeneran con sosa cáustica.

Regeneración de la cadena de desmineralización (haga clic para una imagen más grande)

La calidad del agua tratada es la misma que la obtenida con el arreglo sencillo SAC—SBA, pero el consumo de regenerantes es más bajo porque las resinas débiles se regeneran prácicamente sin coste. Además, las resinas débiles tienen más capacidad que las fuertes, así que el volumen total de resinas es reducido.

Usos

Ejemplos de desmineralización:

Agua para calderas de alta persión en centrales eléctricas nucleares o térmicas y en otras industrias

Agua de lavado en la producción de semiconductores y otros productos electrónicos

Agua de proceso en varias aplicaciones de las industrias químicas, de tejidos y de papel

Agua para baterías Agua para laboratorios

Lechos mezclados de pulido

Un lecho mixto en produccióny en regeneración

Las últimas trazas de salinidad y de sílice se pueden eliminar en un lecho mixto donde una resina intercambiadora de cationes fuértemente ácida y una resina intercambiadora de aniones fuértemente básica muy bien regeneradas están mezcladas.

Los lechos mezclados producen un agua de calidad excelente, pero son difíciles de regenerar, porque hay que separar las resinas antes de regenerarlas. Además, precisan de cantidades elevadas de regenerantes, y las condiciones hidráulicas de regeneración no son óptimas. Entonces lechos mezclados se usan príncipalmente para el tratamiento de agua pre-desmineralizada o de baja salinidad, cuando los ciclos son largos.

¿Qué ocurre en el agua?

No queda casi nada en el agua tratada:

Agua pre-desmineralizada

SAC (H) + SBA (OH)

No queda nada

Lechos mezclados de pulido producen agua con una conductividad de menos que 0,1 µS/cm. Con un diseño óptimo y resinas apropiadas se puede alcanzar la conductividad del agua pura (0,055 µS/cm). La sílice residual puede ser 1 µg/L, a

veces menos. El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada. Los valores indicados con un pH-metro son erróneos cuando la conductividad es menor que 1 µS/cm.

Usos

Pulido de agua pre-desmineralizada con resinas Pulido de permeado de ósmosis inversa Pulido de agua de mar destilada Pulido de condensados de turbina en centrales eléctricas Tratamiento de condensados de proceso en varias industrias Producción de agua ultrapura en la industria de semiconductores Desmineralización de cartuchos  (con regeneración externa)

Eliminación de nitrato

La eliminación selectiva de nitratos en agua potable se puede hacer con resina fuértemente básicas (SBA) en ciclo cloruro, es decir con regeneración con una salmuera de NaCl. La reacción de intercambio es:

RSBA-Cl + NO3–   RSBA-NO3 + Cl–

¿Qué ocurre en el agua?

Agua bruta

SBA (Cl)

Agua desnitratada

Se puede usar resinas SBA convencionales, pero ellas también eliminan sulfatos. Véase la tabla de selectividad. En función del tipo de resina, una pequeña parte (resinas selectivas) o todo el sulfato (resinas convencionales) desaparece. El bicarbonato es eliminado parcialmente en la primera parte del ciclo.

Usos

Principalmente tratamiento de aguas municipales

Eliminación selectiva de varios otros contaminantes

La eliminación selectiva de metales y otros contaminantes es importante en los casos de agua potable y de aguas de desecho. Muchas de estas aplicaciones necesitan resinas especiales, por ejemplo resinas quelatantes que forman complejos estables con metales.

Ejemplos

Eliminación de boro (ácido bórico) en agua potable Eliminación de nitrato en agua potable (párrafo anterior) Eliminación de perclorato en agua potable Eliminación de metales pesantes en vertidos: Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn

En muchas de estas aplicaciones se puede alcanzar una concentración de unos µg/L en el agua tratada.

Algunos contaminantes no se pueden eliminar fácilmente por intercambio iónico, por ejemplo As, F, Li. Véase el sistema periódico de los elementos con algunos datos de intercambio iónico. Véase también la página de los tipos de resina (resinas selectivas) y una página separada en inglés sobre el tratamiento de agua potable.

La descarbonatación del agua es una tecnología que se utiliza en la industria para eliminar la dureza temporal del agua y evitar incrustaciones calcáreas.

Se realiza normalmente con una resina catiónica débil que elimina los iones calcio y magnesio intercambiándolos por hidrogeniones:

2 R-H + Ca2+ ---> R2-Ca + 2 H+

El hidrogenión se combina con los bicarbonatos presentes para formar CO2 que se elimina, posteriormente, en una torre desgasificadora o mediante tecnología de membranas:

HCO3- + H+ ---> CO2 +H2O

El intercambio iónico se realiza hasta que el bicarbonato presente se ha convertido en CO2. A partir de este momento el H+ que se libera ya no se neutraliza, con lo cual se produce un descenso del valor del pH del agua y la resina pierde su capacidad de intercambio. Una vez agotada, la resina se regenera con un ácido mineral.

Tratamiento de aguas: Desmineralización

La función principal del proceso de desmineralización, radica en la eliminación de sólidos disueltos que contiene el agua de aportación a caldera.

Los sólidos disueltos son partículas de tamaño reducido que se encuentran totalmente rodeadas por moléculas de agua y que poseen cierta carga eléctrica. Si la carga es negativa

se denominan aniones, en cambio, si la carga es positiva se denominan cationes. Sin la presencia de agua forman compuestos denominados sales.Existen diferentes procesos para la desmineralización del agua, lo mas utilizados a nivel industrial son:

Procesos de destilación, los cuales se basan en la separación de los componentes no volátiles mediante cambios de estado en el agua.

Procesos de membrana, los cuales se basan en las propiedades que presentan ciertos tipos de membranas las cuales permiten el paso de moléculas de cierto tamaño a través de sus poros (Ósmosis inversa o electrodiálisis).

Procesos de intercambio iónico, tienen lugar cuando un ion de una disloución se intercambio por otro ion del mismo signo que se encuentra unido a una partícula móvil. Se caracterizan por tener depósitos presurizados que contienen en su interior lecho de resinas donde se quedan retenidos los sólidos disueltos.

reacion iones

El agua de aportación a caldera tiene que estar dentro de los ratios pertinentes de conductividad y dióxido de silicio (SiO2). Para asegurarnos de estar dentro de dichos ratios se precisa realizar el proceso de desmineralización en dos etapas:La elección de un proceso u otro vendrá condicionada por las características físico-químicas del agua de alimentación, la producción necesaria y la fuente de energía disponible para impulsar la planta de desalación.

1. Desmineralización primaria, donde se elimina el grueso de las sales disueltas, mediante intercambiadores con resinas del tipo catión fuerte y anión fuerte, un sistema de evaporación o un sistema de ósmosis inversa.

2. Desmineralización secundaria, donde se realiza el pulido final para alcanzar dichos ratios. Esta segunda etapa siempre estará constituida por intercambiadores de resinas del tipo catión y anión fuerte, formando dos lechos separados o un lecho mixto.

FILTRACION

2. Filtración Eliminar las partículas y microorganismos que no han podido ser separados del Agua, en la etapa de coagulación floculación y sedimentación. Se eliminan haciendo pasar el líquido a través de un medio poroso. Todas las aguas superficiales tienen que ser sometidas al proceso de filtración, porque es la única forma de eliminar esporas.

3.    Principales Materiales Filtrantes

Arena

Antracita

Grava

Carbón Activado

4. Principales Materiales Filtrantes

5. Principales Materiales Filtrantes

6. Principales Materiales Filtrantes

7. Tipos de Filtros

Filtros a Presión

Filtros por Gravedad

8. Filtros a Presión

9. Filtros a Presión

10. Filtros de Gravedad

11. Filtros de Gravedad

12.

Filtros Lentos : 0.15 – 0.20 m 3 /hr m 2 . Se pueden usar sin previa decantación y coagulación.

Filtros Rápidos : 5 – 8 m

RESUMEN

Actualmente uno de los procedimientos más comunes para el tratamiento de aguas, es el tratamiento físico-químico de soluciones coloidales.

La formación de este tipo de soluciones es muy común en diversas industrias, por lo que es muy conveniente conocer la forma en que se realiza la operación.

En este trabajo se describen los elementos de una solución coloidal y se presentan los mecanismos bajo los cuales se desestabilizan para lograr la separación de las fases.

También se revisan las etapas en el proceso, esto es: Mezclado, Coagulación, Floculación y Separación y para cada una de ellas de analizan las variables de diseño y operación.

Finalmente se presentan a manera ilustrativa, los datos reales de la operación de diversos sistemas de tratamiento físico-químico, en los cuales participa el autor en el diseño e inicio de operación.

BIBLIOGRAFIA 

http://dardel.info/IX/processes/processes_ES.html

http://www.lenntech.es/agua-desmineralizada.htm

http://es.slideshare.net/marisolbuela/filtracion?qid=9a0f5ddc-334c-4299-a23a-74d95c6d7e3c&v=qf1&b=&from_search=2

http://www.atmosferis.com/tratamiento-de-aguas-desmineralizacion/