REGENERACION RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

Como resultado de obtener resinas de intercambio catiónico y aniónico, se establecieron procesos para la producción de agua muy pura, constituyendo una alternativa al agua destilada y a precios mucho más baratos.
 

RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
 

Definición

Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que de presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, 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 (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones(generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante.
En los copolímeros de estireno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinilbenceno y el contenido de este último está directamente relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con su porosidad.

Proceso de 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.
Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el aguanormalmente tiene muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para algunos usos del agua.
Las resinas de intercambio iónico poseen un radical fijo y un ión móvil o ión de sustitución. El ión móvil es el ión que es intercambiado por iones que desean eliminarse de la solución y este intercambio sólo funciona entre iones de igual carga eléctrica: cationes por cationes y aniones por aniones.
En general las resinas de intercambio iónico operan en columnas, para favorecer el proceso de intercambio, parecido a la destilacióno la destilación en bandejas. La reacción de intercambio se desplaza en el lecho de resina, generalmente hacia los niveles inferiores.
Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones y debido a esto, en un momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto pase de iones no deseados en el agua producida y se dice que esta resina está "agotada" o saturada de los iones que ha atrapado.. Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del proceso. Cuando se llega a la concentración pre establecida, se debe proceder a regenerar la resina, para poderla utilizar en un nuevo ciclo.
 

Tipos de resinas de intercambio iónico
 

Las resinas de intercambio iónico pueden ser de los siguientes tipos:
a. Resinas catiónicas de ácido fuerte

• Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio.
• Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio,etc) por intercambio con hidrógeno.
b. Resinas catiónicas de ácidos débiles: eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos
 

c. Resinas aniónicas de bases fuertes: eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos.

d. Resinas aniónicas de base débil: eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros.

Regeneración de las resinas de intercambio iónico
 

La regeneración de las resinas de intercambio iónico es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad devolverle a la resina de intercambio iónico su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza haciendo pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento.
Para la regeneración de las resinas de intercambio iónico se usa:

• Sal común (cloruro de sodio) para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes.
• Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos débiles..
• Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de bases fuertes y resinas aniónicas de bases débiles.
Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico.
 

Vida útil de las resinas de intercambio iónico
 

Después de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas de intercambio iónico sufren la pérdida de sitios de intercambio activo o sufren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio.
Las resinas catiónicas fuertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar cationes asociados a los ácidos fuertes y las resinas aniónicas fuertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a baja concentración, tales como los carbonatos y silicatos.
La mayoría de autores de la especialidad asignan una vida útil esperada de las resinas de intercambio iónico entre los 5 y los 10 años. Según la Empresa RHOM AND HASS (fabricante de resinas de intercambio iónico) las resinas aniónicas tienen una vida útil teórica de 70 a 300 m3 de agua tratada por litro de resina y las resinas catiónicas de 200 a 1500 m3 de agua tratada por litro de resinas; en ambos casos dependerá de la calidad del agua a tratar.
Existen métodos de laboratorio que permiten determinar la capacidad de intercambio iónico de una resina dada, la mayoría de los cuales han sido desarrollados por las empresas fabricantes. La utilidad de poder determinar la capacidad de intercambio iónico reside en poder comparar las capacidades de varias resinas cuando se necesita escoger una resina adecuada a las necesidades de operación; así mismo sirve para saber el estado de la vida útil de una resina que está en uso y determinar en que momento necesita ser cambiada.
Operación de una unidad de desmineralizado completa
Se denomina unidad de desmineralizado completa a una unidad constituida de: filtro de carbón activado, intercambiador catiónico de ácidos débiles, intercambiador catiónico de ácidos fuertes, intercambiador aniónico de bases fuertes, descarbonatador e intercambiador aniónico de bases débiles. No todas las unidades de intercambio iónico tienen todos los equipos que se describen; esta descripción se hace para tener una idea completa, en caso de ser necesario.
 

Guía para la regeneración de resinas de intercambio iónico
 

-Los retrolavados deben efectuarse por un tiempo mínimo de 15 minutos, pudiendo prolongarse hasta 60 minutos en caso que se quiera eliminar finos que estén ocasionando altas caídas de presión, durante la producción de agua desmineralizada. Se debe tener cuidado de no tener velocidades altas o retrolavados excesivos, que provocan altas pérdidas de resinas. De suceder esto muestrear y determinar que porcentaje de los finos pasa malla 50 USA ó 0.3 mm y la humedad de la resina.
-El regenerante de las resinas aniónicas fuertes debe ser pasado en un tiempo no menor de 30 minutos y el 15 al 30 % regenerante se debe descartar antes de su ingreso al intercambiador de resina aniónica débil, para evitar que en ella se formen depósitos de sílice.
-Los flujos de retrolavados deben ser de 25 m3/m2/hr (25 m/hr).
-El enjuague lento o transferencia debe ser de 1 a 2 m3 de agua/ m3 de resina/ hora (el gasto debe ser igual al pase de la solución regenerante).
-El enjuague rápido debe hacerse entre 16 a 40 m3/m3 de resina/hora.
-Para la dilución de las soluciones regenerantes debe usarse agua tratada.
-Para el enjuague de las resinas aniónicas debe usarse agua tratada, en cambio para las resinas catiónicas puede usarse agua sin tratar ( agua potable).
-Los retrolavados se realizan generalmente con agua sin tratar (agua potable).
-Cuando los retrolavados terminan con conductividad mayor de 9 uS/cm, se debe prolongar esta operación por 10 a 20 minutos.
-El consumo de hidróxido de sodio (soda caústica) debe estar entre 50-60 Kg de NaOH al 100%, por cada m3 de resina aniónica fuerte.
-Cuando el calcio es más del 50 % del total de cationes, y cuando se usa ácido sulfúrico en la regeneración de las resinas catiónicas, se forma sulfato de calcio que puede precipitar por estar en exceso al límite de solubilidad. Se evita la precipitación usando una primera etapa más diluida de ácido sulfúrico (menor de 15 gr/l: menor de 1.5 %) y/o una mayor velocidad de la solución regenerante.
-Durante la regeneración de resinas de intercambio iónico se deben realizar los siguientes controles:
• Concentración de la solución de soda caústica a dosificar a las resinas aniónicas
• Concentración de la solución de ácido, en cada paso de la dosificación a las resinas catiónicas
• Gasto total de ácido
• Gasto total de soda usada para la regeneración
• Control del punto final en las resinas catiónicas y aniónicas.
 

Factores que afectan las operaciones de intercambio iónico
 

Hay diversos factores que pueden afectar las operaciones de intercambio iónico, entre las cuales podemos mencionar las siguientes.

-Regenerantes de mala calidad (se debe realizar análisis cuando se realice reposición de stocks de estos regenerantes: en el ácido sulfúrico o ácido clrhídrico analizar fierro, en el caso de la soda caústica determinar su concentración)
--Variaciones de la calidad del agua a ser tratada.
-Canalizaciones en los lechos de resinas.
-Falta de purgas de aire y gases u operación defectuosa de estos.
-Presencia de agentes oxidantes, tales como oxígeno, cloro, ozono u otros.
-Cambios bruscos de temperatura, que pueden provocar variaciones de las condiciones hidráulicas y en la cinética de las reacciones; si estos se producen, se deben efectuar ajustes de los flujos.
-Regeneraciones inadecuadas: concentraciones y/o gastos inadecuados.
-Distribución defectuosa del flujo, en la producción y/o en la regeneración.
-Características de las resinas.

• Rotura de las resinas
• Despolimerización por oxidantes y consecuente hinchamiento (se vuelve ligera de densidad y se pierde durante los retrolavados.
• Envejecimiento de los grupos funcionales, provocando una adsorción irreversible.
• Envenenamiento por materias orgánicas e inorgánicas.
• Pérdidas de resinas, por ser demasiado pequeñas o por baja densidad
-Selección inadecuada de las resinas de intercambio iónico: se debe tener en cuenta lo siguiente:
• Tipo de material
• Grados de los enlaces cruzados
• Tamaño de las resinas
• Grupo funcional
• Facilidad de regeneración
• Capacidad de intercambio en operación.
• Porosidad (superficie activa total)
• Estabilidad a contaminantes.
• Vida efectiva