Intercambio Iónico

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AGUA PURA MÉTODO Ω - cm μs – cm Teórico 26 x 10 6 0.04 Agua USP (bidestilada) 5 ppm ST 0.1 - 0.5 x 10 6 10 – 50 Agua Tridestilada 1 x 10 6 1 Intercambio Iónico 18 x 10 6 0.055 Agua Destilada 28 veces en Cuarzo 23 x 10 6 0.043

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-Remoción de una especie iónica de una solución, en intercambio con otra especie iónica.

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Page 1: Intercambio Iónico

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

Page 2: Intercambio Iónico

OPERACIÓN DE INTERCAMBIO IÓNICO

Remoción de una especie iónica de una solución en intercambio con otra especie iónica.

Page 3: Intercambio Iónico

PROPÓSITO

Concentrar un material deseable

Eliminar un constituyente indeseable

Page 4: Intercambio Iónico

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN

NATURALESAluminio silicatos naturales: zeolitasBajo intercambio - Bajo costo

SINTETICAS

Derivados de polímeros naturalesCarbón sulfonadoLignita sulfonada

Page 5: Intercambio Iónico

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO

CLASIFICACION SEGUN SU ORIGEN

SINTETICAS

Derivados de polímeros naturales

Carbón sulfonadoLignita sulfonada

Derivados de polímeros sintéticos

Estireno divinilbencenoAcrílicas

GelularesMacroreticulares

Page 6: Intercambio Iónico

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

Page 7: Intercambio Iónico

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

Page 8: Intercambio Iónico

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..

Page 9: Intercambio Iónico

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

Page 10: Intercambio Iónico

INTERCAMBIO ANIÓNICO

R - OH + C - X → R - X + C - OH

C: catión o H+

X: anión (HCO3-, CO3

=, Cl-, SO4=)

Page 11: Intercambio Iónico

SELECTIVIDAD

INTERCAMBIO CATIÓNICO

ValenciaFe3+ > Ca2+ > Na+

Número atómico (radio iónico)

Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+

Concentración

Page 12: Intercambio Iónico

SELECTIVIDAD

INTERCAMBIO ANIÓNICO

ValenciaPO4

3- > SO4= > Cl-

Número atómico (radio iónico)

SO4= > CrO4

= > citrato > tartrato

Concentración

Page 13: Intercambio Iónico

CICLO RESINA

AGOTAMIENTO

RETROLAVADO

REGENERACION

ENJUAGUE

Page 14: Intercambio Iónico

REGENERACIÓN

LAVADO CONTRACORRIENTE

15 minexpansión > 50 %

agua bruta2 v/v

REGENERACIÓN

30 minNaCl 10 %

agua bruta3 – 10 v/v

Page 15: Intercambio Iónico

REGENERACIÓN

LAVADO LENTO

30 minagua bruta1.5 v/v

LAVADO RÁPIDO

15 minagua bruta

5 v/v= Q que producción

Page 16: Intercambio Iónico

TAMAÑO EFECTIVO

90 % MAYOR QUE LA MALLA (a mm)

(10 % PASA)

COEFICIENTE DE UNIFORMIDAD

60 % PASA POR MALLA (b mm)

C.U.= b / a

Page 17: Intercambio Iónico

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

Page 18: Intercambio Iónico

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

Page 19: Intercambio Iónico

DEFINICIONES FUNDAMENTALES

Eficiencia

ε = meq regenerantemeq removidos

Fugacidad

Page 20: Intercambio Iónico

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

Page 21: Intercambio Iónico

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

SHOCK TÉRMICO

Gradientes de temperatura elevados destruyen la resina, entre agotamiento y regeneración

Consecuencia: pérdida de capacidad

Page 22: Intercambio Iónico

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

ATRICCIÓN MECÁNICA

Por rozamiento y choque de la resina con sustancias arrastradas

Page 23: Intercambio Iónico

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

ATAQUE QUÍMICO

Especialmente por oxidantes

Ensayo: H2O2 3%. Se mide el tiempo vs humedad

Page 24: Intercambio Iónico

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

En resinas aniónicas:

a. ácidos húmicos y fúlvicosb. residuos de tensoactivosc. ácidos ligninosulfónicosd. organofosfatos

Page 25: Intercambio Iónico

PROBLEMAS GENERALES A TENER EN CUENTA

CONTAMINANTES ORGÁNICOS

Método para determinar fouling orgánico:Se determina DQO con KMnO4, en ppm de KMnO4

Page 26: Intercambio Iónico

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.)

Page 27: Intercambio Iónico

OPTIMO DESEMPEÑO DE UNA OPERACION DE I.I.

PRETRATAMIENTO DE LA ALIMENTACIÓN

CONDICIONES AMBIENTALES

PROPIEDADES DE LA RESINA

DISEÑO MECÁNICO DEL EQUIPO

Page 28: Intercambio Iónico

REGENERACIÓN

RESINAS CATIÓNICAS

soluciones de Na+ (NaCl)

soluciones de H+ (HCl o H2SO4)

Page 29: Intercambio Iónico

REGENERACIÓN

RESINAS ANIÓNICAS

Fuertes

con OH- proveniente de bases fuertes (NaOH, KOH)

Débiles

con OH- proveniente de bases débiles (Na2CO3, NH4OH)

Page 30: Intercambio Iónico

PARÁMETROS DE DISEÑO

CATIÓNICAS

FUGACIDAD PERMITIDA

DUREZA

FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE

MgCaNa+

Page 31: Intercambio Iónico

PARÁMETROS DE DISEÑO

ANIÓNICAS

FUGACIDAD PERMITIDA

PRESENCIA DE SÍLICE

FLUJOS DE REGENERACIÓN Y AGOTAMIENTO, CONC. DE REGENERANTE

Page 32: Intercambio Iónico

1.

RCF-Na+

Page 33: Intercambio Iónico

2.

RCF-H+

Page 34: Intercambio Iónico

3.

NaOH

RCF-H+

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4.

RCF-H+

Page 36: Intercambio Iónico

5.

RCF-H+ RCF-Na+

Page 37: Intercambio Iónico

6.

RCD-H+

Page 38: Intercambio Iónico

7.

RCD-Na+

(o RCD-H+)

Page 39: Intercambio Iónico

8.

RCD-H+ RCF-Na+

Page 40: Intercambio Iónico

8’.

RCD-H+

RCF-Na+

Page 41: Intercambio Iónico

9.

RAF-Cl-

Page 42: Intercambio Iónico

10.

RAF-Cl-RCF-Na+

Page 43: Intercambio Iónico

11.

RAF-OH-RCF-H+

Page 44: Intercambio Iónico

12.

RAF-OH-RCF-H+

Page 45: Intercambio Iónico

13.

RAD-OH-RCF-H+

Page 46: Intercambio Iónico

14.

RAD-OH-RCF-H+ RAF-OH-

Page 47: Intercambio Iónico

15.

LECHOMIXTO

Page 48: Intercambio Iónico

RESINAS CATIÓNICAS DÉBILES

SÓLO INTERCAMBIAN CATIONES ASOCIADOS A ALCALINIDAD

Page 49: Intercambio Iónico

USO DE RCD-H+

Gran capacidad de intercambio de alcalinidad de Ca y Mg

Regeneración ~ 1:1

No es necesario neutralizar

Page 50: Intercambio Iónico

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

Page 51: Intercambio Iónico

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 ===

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AGOTAMIENTO DE RESINAS

Page 64: Intercambio Iónico

CONTROL DE AGOTAMIENTO

ABLANDAMIENTO

Análisis

Indicador colorimétrico (~ 10 ppm dureza)

DESIONIZACIÓN

Conductimetría

pH

Page 65: Intercambio Iónico

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

Page 66: Intercambio Iónico

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

Page 67: Intercambio Iónico

•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

Page 68: Intercambio Iónico

• Se requiere mucho espacio• Reactivos caros• Manipulación de reactivos• Control del proceso• No se logra dureza 0

CAL SODA

Page 69: Intercambio Iónico

• Se usa sólo cal, que es barata• Se logra dureza 0• Se produce poco CO2• Se obtiene calidad constante

CAL - I.I.