TRATAMIENTO DE AGUA PARA USO INDUSTRIAL

A. MARCO TEORICO

INTERCAMBIO IONICO

El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.

El agua contiene pequeñas cantidades de materias extrañas. En muchos casos, estas materias no producen ningún problema. Es mejor beber agua con una cierta salinidad y no agua ultra-pura (desmineralizada). No obstante, estas sustancias son consideradas como impurezas en ciertas aplicaciones y deben ser eliminadas.

Materias insolubles (arena etc.) se pueden separar por filtración. Existen varias tecnologías de filtración, hasta la ultrafiltración que puede eliminar partículas de menos de una micra. Materias solubles, por el otro lado, necesitan otras técnicas. Les sustancias solubles ionizadas se pueden eliminar por intercambio iónico.

RESINAS INTERCAMBIADORAS DE IONES

Son 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 (como todos los plásticos) 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 1 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+). Las resinas intercambiadoras de cationes, por ejemplo la Amberlite 1000, son muchas veces suministradas en la forma sodio.

Fig. 1

La perla de resina intercambiadora de aniones tiene un esqueleto semejante. Los grupos activos son aquí amonio cuaternario, es decir cationes, representados por la fórmula N+R3; una fórmula más precisa sería CH2-N+-(CH3)3. Los iones móviles de la resina intercambiadora de aniones son aquí iones cloruro (Cl—). la forma cloruro es la forma de suministro de muchas resinas intercambiadoras de aniones. Cada ion entrando en la resina produce la salida de otro ion de misma carga para mantener la neutralidad eléctrica. Eso es lo que se llama intercambio iónico. Solo iones de la misma carga se pueden cambiar. No es posible fabricar una resina que pueda intercambiar simultáneamente cationes y aniones, porque los cationes fijos dentro de la resina neutralizarían los aniones fijos, y ningún intercambio sería posible. Luego se deben producir resinas intercambiadoras de aniones y resinas intercambiadoras de cationes separadas.

ABLANDAMIENTO DEL AGUA

En esta etapa tiene lugar el intercambio de iones entre la disolución a tratar y la resina. La disolución a tratar se introduce en la columna y fluye gradualmente a través de la resina. Las condiciones de operación (velocidad de flujo, pH de la disolución, otros) dependerán del tipo de resina utilizada y es importante optimizarlas para obtener un buen rendimiento en cuanto a capacidad y selectividad.

Cuando la resina comienza a estar saturada con los iones de la disolución que entra, se observa un aumento de la concentración de dichos iones en la disolución que sale de la columna. Esta descarga de iones se conoce como punto de ruptura (breakthrough) e indica que el tratamiento de la disolución por la resina ya no es efectivo.

Una vez que la concentración de estos iones en la disolución de salida iguala a la de la concentración de entrada, la resina ha agotado toda su capacidad de intercambio en las condiciones de operación.

Entre 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++ y 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:

La figura 2 ilustra esta reacción: las perlas de resina son inicialmente cargadas con iones de sodio (Na+). Cada ion de calcio o de magnesio que penetra en la resina es reemplazado por dos iones que salen. Los aniones del agua — no representados en esta figura — no pueden entrar en la resina, porque serían rechazados por los aniones sulfonato fijos (SO3

—) que forman los grupos activos de la resina.

Fig. 2

ETAPA DE REGENERACIÓN

La etapa de regeneración consiste en devolver la resina saturada a su forma iónica inicial empleando una disolución concentrada en el ion originariamente asociado a la resina.

Esta etapa es importante en el proceso de intercambio iónico ya que el buen funcionamiento de la resina en sucesivos procesos de carga depende de una regeneración eficiente. Para obtener el máximo rendimiento de esta etapa es importante optimizar parámetros como la concentración y volumen de disolución regenerante así como la velocidad de flujo

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:

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).

La regeneración tiene dos inconvenientes importantes:

El gasto económico en regenerante. Puede reducirse reutilizándolo hasta que pierda su eficiencia aunque esta opción tampoco es del todo económica ya que implica establecer unas condiciones para su almacenaje.

La generación de residuos, ya que después de regenerar el intercambiador se obtienen disoluciones altamente ácidas o básicas generalmente muy concentradas en metales que deben ser tratadas o eliminadas.

MODO DE OPERACIÓN

En los procesos de intercambio iónico en columna se puede trabajar de dos modos:

Las disoluciones de carga y de regeneración se introducen siempre por la parte superior de la columna.

Fig. 3

El regenerante se introduce en dirección opuesta a la disolución de carga. Es decir por la parte inferior de la columna. Este proceso de denomina proceso en contracorriente.

Fig. 4

El procedimiento más habitual es el primero ya que supone un equipamiento más barato que el segundo; sin embargo, este modo de operación utiliza el regenerante menos eficientemente que el proceso en contracorriente. En éste al pasar el regenerante de abajo hacia arriba se fluidiza el lecho de intercambiador de manera que se aumenta la superficie de contacto. La regeneración es más rápida y se necesita menos volumen de regenerante.

La operación de intercambio iónico se realiza habitualmente en semicontinuo, en un lecho fijo de resina a través del cual fluye una disolución. El régimen de funcionamiento no es estacionario por variar continuamente la concentración de los iones en cada punto del sistema.

Las instalaciones constan generalmente de dos lechos idénticos de forma que sí por uno de ellos circula la disolución que contiene los iones que se de sea intercambiar, el otro se está regenerando.

Al inicio de la operación de un lecho la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar cerca de la entrada del lecho donde el fluido se pone en contacto con intercambiador. A medida que transcurre el tiempo el sólido próximo a la entrada se encuentra prácticamente saturado y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar lejos de la entrada. Debido a la resist encia que opone el sistema a la transferencia de iones desde el seno del líquido a los centros de intercambio se establece un gradiente de concentración en el lecho. La región donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona virgen de la resina y la de saturación.

A medida que progresa el intercambio iónico la zona de transferencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior, instante a partir del cual la disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.

Fig. 4

OSMOSIS INVERSA

Fenómeno natural en el cual agua pasa a través de una membrana semi-permeable, desde una solución menos concentrada a una solución más concentrada. El resultado final es la extracción del agua pura del medio ambiente, por Ejemplo Las raíces permiten a las plantas extraer el agua del suelo (El agua del suelo pasa por difusión a través de las membranas de las raíces para diluir la alta concentración de sales que normalmente tiene la Savia de la planta. El objetivo de la Osmosis Natural es que los seres vivos puedan absorber el agua pura del medio ambiente.

Se denomina Osmosis inversa a revertir el proceso natural de Osmosis mediante una fuerza externa.

Fig. 5

Osmosis Inversa: Proceso en el cual se fuerza al agua a pasar a través de una membrana semi-permeable, desde una solución más concentrada en sales disueltas u otros contaminantes a una solución menos concentrada, mediante la aplicación de presión. El Objetivo de la Osmosis Inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua con gran cantidad de sales como puede ser el agua de Mar. De hecho una de las grandes aplicaciones de la Osmosis Inversa es obtener agua potable partiendo del agua de Mar con la escasez de agua originada por el desarrollo humano esté proceso se ha vuelto más rentable.

B. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Definiciones:

Regenerante: Restituye a la resina su capacidad de intercambio iónico cuando esta se encuentra saturada después de un determinado tiempo de servicio, este regenerante es Cloruro de Sodio en solución.

Ablandador: Es un equipo constituido por un tanque cerrado en cuyo interior hay un lecho de resina de intercambio iónico, conexiones de entrada y salida de agua y una válvula multiport que se utiliza para direccionar el flujo de agua en el tanque según la etapa de operación seleccionada. El intercambio iónico se realiza entre la resina (que tiene cationes de sodio) y el agua (con cationes de calcio y magnesio), obteniéndose, luego del proceso de ablandamiento, agua con cationes sodios disueltos que no son incrustantes.

Elementos a Utilizar:

Equipo de intercambio iónico. Equipo para prueba de dureza de 20 a 400 mg/L.

1. Puesta en servicio de Ablandadores.

Poner en posición de servicio las válvulas1, 2 y 3 y cerrar las válvulas 4, 5, 6, 7, 8 y 9 en el ablandador.

Abrir las válvulas de admisión y descarga de agua cruda del ablandador y la válvula de ingreso dela caldera a llenar.

2. Control de operación

Análisis de dureza de Agua:

Lave todos los recipientes entre prueba y prueba. La contaminación puede alterar los resultados. Limpie con un detergente no abrasivo o con un solvente tal como alcohol isopropílico.

Limpie y seque con un paño suave. No utilice toallas de papel o papel tisú para los tubos de plástico ya que los mismos se pueden rayar. Enjuague con agua des ionizada

Enjuague completamente todos los tubos con la muestra antes de realizar la prueba. Al titular, cuente cada gota de titulante. Mantenga el gotero en posición vertical. Rote la

botella mezcladora después de agregar cada gota. El resultado puede expresarse en granos por galón (gpg) dividiendo el resultado en mg/l

por 17.1.

Utilización de las bolsas de polvo PermaChem:

Golpee la parte inferior de la bolsa sobre una superficie dura. Abra la bolsa cortando a lo largo de la línea de puntos. Junte ambos lados para formar una canaleta. Vierta el contenido en la muestra.

Medición de las indicaciones:

El polvo sin disolver no afecta la exactitud. Para obtener óptimos resultados, controle la exactitud del reactivo con cada nuevo lote de

reactivos.

Prueba de dureza de 20-400 mg/L:

Llene un tubo plástico completo con muestra. Vierta el contenido del tubo en la botella mezcladora cuadrada. Agregue a la botella mezcladora el contenido de una bolsa de polvo de reactivo para

dureza UniVer® 3. Rote para mezclar. Agregue titulante EDTA por goteo rotando la botella mezcladora para mezclar. Cuando

la muestra cambie de coloración roja a azul, registre la cantidad de gotas agregadas. Multiplique por 20 la cantidad de gotas de titulante utilizado. Este valor será el mg/l de

dureza como CaCO3.

Si la solución tiende a coloración roja, indica que hay dureza, procediendo entonces a regenerar.

3. Regeneración de ablandadores.

Añadir aproximadamente 7 kilos de sal al tanque de salmuera y llenarlo de agua manipulando la válvula respectiva (es recomendable realizar este proceso por lo menos con 3 horas de anticipación a la regeneración del ablandador a fin de favorecer la disolución total dela sal).

Verificar que la válvula de ingreso de agua al ablandador esté abierta y la de descarga cerrada.

Purgar el aire acumulado en el tanque ablandador utilizando la válvula respectiva.

Datos Obtenidos con la Prueba

Dureza del agua de la red:120 mg de carbonato de calcio por litro.

Dureza del agua después del tratamiento iónico:20 mg de carbonato de calcio por litro.

Dureza del agua después de la osmosis inversa:< 20 mg de carbonato de calcio por litro.

C. CUESTIONARIO:

1. Defina que es un método químico de tratamiento de agua.

El tratamiento corrector químico se refiere a la corrección del pH del agua, a la reducción de la dureza, a la eliminación de los elementos nocivos o al agregado de ciertos productos químicos, buscando siempre mejorar la calidad del agua.Dentro de los métodos químicos de tratamiento de agua se encuentran:LA CORRECCIÓN DEL PH: Puede hacerse agregando cal o carbonato de sodio, antes o después de la filtración. La reducción de la dureza, puede hacerse por métodos simples (cal, soda, Zeolita o resinas) o métodos compuestos (cal-soda; cal Zeolita, cal-resinas)OZONO: Es un oxidante poderoso. No deja olor pero sí sabor, aunque no desagradable. Es difícil regular su aplicación. No tiene acción residual.YODO: Muy buen desinfectante, necesita un tiempo de contacto de media hora. Es muy costoso para emplearse en abastecimientos públicos.PLATA: En forma coloidal o iónica es bastante efectiva; no da sabor ni olor al agua, tiene una acción residual muy conveniente. Su efectividad disminuye con la presencia de ciertas substancias, como cloruros, que se encuentran a veces en exceso en el agua.

CLORO. El cloro es EFECTIVAMENTE el elemento más importante que existe para la desinfección del agua. Se suele usar en una dosis de 0,0001% que destruye todos los microbios en cuatro minutos.

Además se usa para:o Eliminar olores y sabores.o Decolorar.o Ayudar a evitar la formación de algas.o Ayudar a quitar el hierro y manganeso.o Ayudar a la coagulación de materias orgánicas.

2. Cuáles son los límites admisibles de CaCO3 y MgCO3 en sistemas de vapor.

Sobre la base de las recomendaciones de la Norma Británica BS – 2486, la ABMA (American Boiler Manufacturing Association) y el TÜV, se han preparado las siguientes tablas que muestran los requerimientos que deberá satisfacer el agua de alimentación y el agua de una caldera para prevenir incrustaciones y corrosión en calderas de baja presión (hasta 10 bar).

3. Determine que es TDS.

El total de sólidos disueltos (a menudo abreviado como TDS, del inglés: Total Dissolved Solids) es una medida del contenido combinado de todas las sustancias inorgánicas y orgánicas contenidas en un líquido en forma molecular, ionizada o en forma de suspensión micro-granular (sol coloide). En general, la definición operativa es que los sólidos deben ser lo suficientemente pequeño como para sobrevivir filtración a través de un filtro con poros de 2 micrómetros (tamaño nominal, o más pequeño).

EL total de sólidos disueltos se diferencia del total de sólidos en suspensión (TSS), ya que este último se compone de sustancias que no pueden pasar a través de un filtro de dos micrómetros, aunque estas sean también suspendidas indefinidamente en una solución líquida.

4. Defina que es PH.

El pH es un indicador de la acidez de una sustancia. Está determinado por el número de iónes libres de hidrógeno (H+) en una sustancia.La acidez es una de las propiedades más importantes del agua. El agua disuelve casi todos los iones. El pH sirve como un indicador que compara algunos de los iones más solubles en agua.El resultado de una medición de pH viene determinado por una consideración entre el número de protones (iones H+) y el número de iones hidroxilo (OH -). Cuando el número de protones iguala al número de iones hidroxilo, el agua es neutra. Tendrá entonces un pH alrededor de 7.El pH del agua puede variar entre 0 y 14. Cuando el ph de una sustancia es mayor de 7, es una sustancia básica. Cuando el pH de una sustancia está por debajo de 7, es una sustancia ácida. Cuanto más se aleje el pH por encima o por debajo de 7, más básica o ácida será la solución.El pH es un factor logarítmico; cuando una solución se vuelve diez veces más ácida, el pH disminuirá en una unidad. Cuando una solución se vuelve cien veces más ácida, el pH disminuirá en dos unidades

5. ¿Qué es agua dura?

Se conoce como agua dura aquella que contiene un alto nivel de minerales, concretamente de sales de magnesio y calcio. Este tipo de aguas suelen ser las subterráneas en suelos calcáreos, que elevan los niveles de cal y magnesio, entre otros.Estos minerales son los que dificultan que otras sustancias se disuelvan correctamente en el agua, como puede ocurrir en el caso del jabón a la hora de lavar la ropa. Asimismo, las aguas duras dejan más residuos, por ejemplo la cal en desagües y tuberías.La dureza del agua se expresa normalmente como cantidad equivalente de carbonato de calcio (aunque propiamente esta sal no se encuentre en el agua) y se calcula, genéricamente, a partir de la suma de las concentraciones de calcio y magnesio existentes (miligramos) por cada litro de agua; que puede expresarse en concentración de CaCO3.

6. Defina que es un proceso de ablandamiento de agua.

El ablandamiento del agua es una técnica que sirve para eliminar los iones que hacen a un agua ser dura, en la mayoría de los casos iones de calcio y magnesio. En algunos casos iones de hierro también causan dureza del agua. Iones de hierro pueden también ser eliminados durante el proceso de ablandamiento. El mejor camino para ablandar un agua es usar una unidad de ablandamiento de aguas y conectarla directamente con el suministro de agua. Dentro de los procesos de ablandamiento de agua se encuentran el intercambio iónico y la osmosis inversa.

D. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES:

El agua utilizada para los calderos debe de ser tratada, es decir debe de estar exenta de sales, de gases (CO2), microorganismos como bacterias debido a que la sal se precipita y se

queda en las superficies formando el caliche, esto obstruye la transferencia de calor y el paso del fluido.

El índice de pH es el índice que tienen todos los cuerpos para saber si son ácidos o básicos; el punto neutro de este índice es de 7.

Este tratamiento de agua (químico) es el más usado, más eficaz y más cómodo. Para el proceso de intercambio iónico se utilizan resinas sintéticas, siendo la más usada la

Amberlita. Estas resinas realizan un proceso llamado regeneración por el cual adquieren sus propiedades iniciales para cumplir con otro ciclo de intercambio iónico.

El tanque del intercambio iónico está lleno en un 60 % aproximadamente de resina.

E. BIBLIOGRAFÍA:

https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdf

http://www.lenntech.es/intercambiador-ionico.htm http://dardel.info/IX/IX_Intro_ES.html http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/22193/Capitulo3.pdf http://osmosisinversa.mx/ http://187.141.81.212/biblioteca/MAQUINAS/ArticuloTratamientoAguaCalderas.pdf