Intercambio Iónico
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AGUA PURA
MÉTODO Ω - cm μs – cm
Teórico 26 x 106 0.04
Agua USP (bidestilada) ≅ 5 ppm ST 0.1 - 0.5 x 106 10 – 50
Agua Tridestilada 1 x 106 1
Intercambio Iónico 18 x 106 0.055
Agua Destilada 28 veces en Cuarzo
23 x 106 0.043
OPERACIÓN DE INTERCAMBIO IÓNICO
Remoción de una especie iónica de una solución en intercambio con otra especie iónica.
PROPÓSITO
Concentrar un material deseable
Eliminar un constituyente indeseable
RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO
CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN
NATURALESAluminio silicatos naturales: zeolitasBajo intercambio - Bajo costo
SINTETICAS
Derivados de polímeros naturalesCarbón sulfonadoLignita sulfonada
RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO
CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN
SINTETICAS
Derivados de polímeros naturales
Carbón sulfonadoLignita sulfonada
Derivados de polímeros sintéticos
Estireno divinilbencenoAcrílicas
GelularesMacroreticulares
RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO
CLASIFICACION SEGUN SU GRUPO FUNCIONAL
INTERCAMBIO CATIONICO
Fuertes
Grupo sulfónico -HSO3
Débiles
Grupo metil sulfónico -CH3HSO3Grupo carboxílico -COOHGrupo fosfonio -H2PO3Grupo fenólico -OH
RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO
CLASIFICACION SEGUN SU GRUPO FUNCIONAL
INTERCAMBIO ANIONICO
Fuertes
Grupo amonio cuaternario -N⊕R4
Débiles
Grupo amino - N⊕ H3R
Tipo I menor fugacidad SiO2
Tipo II mayor fugacidad SiO2
ABLANDAMIENTO DE AGUA
2 R-SO3-Na + Ca++ → [R- SO3- ]2 Ca + 2Na+
DESMINERALIZACION
R-SO3-H + NaCl → R- SO3-Na + HCl (Resina Catiónica)
R-OH + HCl → R-Cl + H2O (Resina Aniónica)
USOS MUSOS MÁÁS COMUNES DE S COMUNES DE R.I.IR.I.I..
INTERCAMBIO CATIÓNICO
Ciclo ácido
R - H + Z - A → R - Z + H - A
R: cadena de la resinaZ: catión (p. ej.: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, etc.)A: anión (p. ej.: Cl-, SO4
=, HCO3-, CO3
=, etc.)
Ciclo sódico
R - Na + Z - A → R - Z + Na - A
INTERCAMBIO ANIÓNICO
R - OH + C - X → R - X + C - OH
C: catión o H+
X: anión (HCO3-, CO3
=, Cl-, SO4=)
SELECTIVIDAD
INTERCAMBIO CATIÓNICO
ValenciaFe3+ > Ca2+ > Na+
Número atómico (radio iónico)
Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+
Concentración
SELECTIVIDAD
INTERCAMBIO ANIÓNICO
ValenciaPO4
3- > SO4= > Cl-
Número atómico (radio iónico)
SO4= > CrO4
= > citrato > tartrato
Concentración
CICLO RESINA
AGOTAMIENTO
RETROLAVADO
REGENERACION
ENJUAGUE
REGENERACIÓN
LAVADO CONTRACORRIENTE
15 minexpansión > 50 %
agua bruta2 v/v
REGENERACIÓN
30 minNaCl 10 %
agua bruta3 – 10 v/v
REGENERACIÓN
LAVADO LENTO
30 minagua bruta1.5 v/v
LAVADO RÁPIDO
15 minagua bruta
5 v/v= Q que producción
TAMAÑO EFECTIVO
90 % MAYOR QUE LA MALLA (a mm)
(10 % PASA)
COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD
60 % PASA POR MALLA (b mm)
C.U.= b / a
ESPECIFICACIONES
HUMEDAD: 40 – 60 %
GRANULOMETRÍA: malla 16 – 50 (1.2 – 0.3 mm)
TAMAÑO EFECTIVO: 0.4 – 0.6 mm
COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD: 1.6 – 2.0
DEFINICIONES FUNDAMENTALES
CapacidadC = meq. intercambiados
mL de resinaAsociada a:
Tasa de regeneración
Análisis del agua a tratar (cationes y aniones presentes)Flujo y concentración del regeneranteFlujo en ciclo de agotamiento
Fugacidad deseada pH y temperatura
DEFINICIONES FUNDAMENTALES
Eficiencia
ε = meq regenerantemeq removidos
Fugacidad
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
SHOCK OSMÓTICO
Resinas catiónicas: se contraen durante la regeneración y se expanden durante su agotamiento
Ensayo: 2000 ciclos regeneración/agotamiento
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
SHOCK TÉRMICO
Gradientes de temperatura elevados destruyen la resina, entre agotamiento y regeneración
Consecuencia: pérdida de capacidad
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
ATRICCIÓN MECÁNICA
Por rozamiento y choque de la resina con sustancias arrastradas
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
ATAQUE QUÍMICO
Especialmente por oxidantes
Ensayo: H2O2 3%. Se mide el tiempo vs humedad
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
CONTAMINANTES ORGÁNICOS
En resinas aniónicas:
a. ácidos húmicos y fúlvicosb. residuos de tensoactivosc. ácidos ligninosulfónicosd. organofosfatos
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
CONTAMINANTES ORGÁNICOS
Método para determinar fouling orgánico:Se determina DQO con KMnO4, en ppm de KMnO4
PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA
CONTAMINANTES ORGÁNICOS
Soluciones:
Resinas con capacidad de absorción de materia orgánica
Estructuras acrílicas hidrófilas: rechazan contaminantes orgánicos hidrófobos
Tratamiento previo (filtros, carbón activado, etc.)
OPTIMO DESEMPEÑO DE UNA OPERACION DE I.I.
PRETRATAMIENTO DE LA ALIMENTACIÓN
CONDICIONES AMBIENTALES
PROPIEDADES DE LA RESINA
DISEÑO MECÁNICO DEL EQUIPO
REGENERACIÓN
RESINAS CATIÓNICAS
soluciones de Na+ (NaCl)
soluciones de H+ (HCl o H2SO4)
REGENERACIÓN
RESINAS ANIÓNICAS
Fuertes
con OH- proveniente de bases fuertes (NaOH, KOH)
Débiles
con OH- proveniente de bases débiles (Na2CO3, NH4OH)
PARÁMETROS DE DISEÑO
CATIÓNICAS
FUGACIDAD PERMITIDA
DUREZA
FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE
MgCaNa+
PARÁMETROS DE DISEÑO
ANIÓNICAS
FUGACIDAD PERMITIDA
PRESENCIA DE SÍLICE
FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE
1.
RCF-Na+
2.
RCF-H+
3.
NaOH
RCF-H+
4.
RCF-H+
5.
RCF-H+ RCF-Na+
6.
RCD-H+
7.
RCD-Na+
(o RCD-H+)
8.
RCD-H+ RCF-Na+
8’.
RCD-H+
RCF-Na+
9.
RAF-Cl-
10.
RAF-Cl-RCF-Na+
11.
RAF-OH-RCF-H+
12.
RAF-OH-RCF-H+
13.
RAD-OH-RCF-H+
14.
RAD-OH-RCF-H+ RAF-OH-
15.
LECHOMIXTO
RESINAS CATIÓNICAS DÉBILES
SÓLO INTERCAMBIAN CATIONES ASOCIADOS A ALCALINIDAD
USO DE RCD-H+
Gran capacidad de intercambio de alcalinidad de Ca y Mg
Regeneración ~ 1:1
No es necesario neutralizar
DESALCALINIZACIÓN CON RAF
Se regeneran con NaCl
No se utilizan ácidos
No habrá arrastre de ácidos
El equipo no debe ser resistente a ácidos
No se requiere torre desgasificadora
DISEÑO DE RESINAS
ANÁLISIS COMPLETO DEL AGUA
EXIGENCIA DEL SERVICIO
CAUDAL A PROCESAR
RRR
h Leq/Leq
eq/L(h)θ.Q(L/h).eq/LV ===
AGOTAMIENTO DE RESINAS
CONTROL DE AGOTAMIENTO
ABLANDAMIENTO
Análisis
Indicador colorimétrico (~ 10 ppm dureza)
DESIONIZACIÓN
Conductimetría
pH
Agua brutaDT = 6 meq/L ST = 8 meq/LNa+= 2 meq/LAgua tratadaDT = 0.1 meq/L
Qneto = 50 m3/hProducción: 8 horasRegeneración: 2 horas
EJEMPLO
CAL-SODA
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2 H2O
MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCl2
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl
NaH2PO4 + Na2CO3 → Na3PO4 + H2O + CO2
3CaCO3 + Na3PO4 → Na2CO3 + Ca3(PO4)2
•Bajo costo de equipos•Agua blanda de calidad constante•Costos de tratamiento bajos•Poco manejo de productos químicos y atención de equipos•Se logra dureza 0
RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
• Se requiere mucho espacio• Reactivos caros• Manipulación de reactivos• Control del proceso• No se logra dureza 0
CAL SODA
• Se usa sólo cal, que es barata• Se logra dureza 0• Se produce poco CO2• Se obtiene calidad constante
CAL - I.I.