2-Generalidades sobre el - cdAguas

1 GENERALIDADES sobre EL INTERCAMBIO I NICO. CONCEPTOS INTRODUCTORIOS. IDRECO SUDAMERICANA SA. Seminario de Agua y Energ a, Rosario 25 y 26 de Septiembre de 1990. GENERALIDADES sobre EL INTERCAMBIO I NICO. CONCEPTOS INTRODUCTORIOS. IDRECO SUDAMERICANA SA. Seminario de Agua y Energ a, Rosario 25 y 26 de Septiembre de 1990. Ing. Ricardo E. Pauer Gerente de Proyecto El porqu del intercambio i nico El agua, tal como se nos presenta en la naturaleza posee caracter sticas que por razones econ micas, operacionales, t cnicas o psicol gicas no puede ser empleada directamente. La existencia de turbiedad, olores, colores, sales, gases en soluci n, s lidos disueltos o dispersos, materia org nica, etc., obliga al acondicionamiento de la misma previa a su utilizaci n. Son bien conocidos los efectos producidos por las incrustaciones debidas a dureza permanente o temporaria, por la precipitaci n de sales de calcio y magnesio que impiden la transferencia de calor y el paso de fluidos aumentando asimismo el costo de la energ a necesaria en la conducci n de los mismos.

2 Altos niveles de dureza crean problemas en el lavado de la ropa y para el aseo personal, lo que se traduce en un cierto grado de incomodidad. La presencia de alcalinidad en las aguas de alimentaci n a caldera produce la aparici n de los fen menos de fragilidad c ustica, y por la disociaci n de los bicarbonatos a altas temperaturas el arrastre en el vapor de anh drido carb nico con los consiguientes problemas de acidificaci n del condensado y corrosi n en los circuitos. La presencia de s lice en aguas utilizadas en centrales energ ticas produce dep sitos y desequilibrios peligrosos en las turbinas. El hierro y el manganeso son sustancias indeseables en las industrias textiles, papelera, etc. El ox geno es una fuente de corrosi n importante en todas aquellas l neas especialmente a elevadas temperaturas. La presencia de azufre combinado en sus distintas formas trae tambi n problemas de toxicidad y olores. El amon aco produce corrosi n en las aleaciones de cobre o zinc.

3 Los nitratos en algunos casos son lo suficientemente altos para implicar posibles riesgos en la salud, especialmente en los lactantes. [01]. Todos estos elementos son solamente algunos de los muchos que se encuentran presentes en el agua y que es necesario eliminar en mayor o menor grado para evitar las consecuencias antedichas. Existen muchos m todos simples o complejos, antiguos o modernos para evitar estos inconvenientes. Afortunadamente todos o casi todos ellos son resumibles a un tipo de tratamiento despu s de la aparici n de los intercambiadores de iones. Or genes del intercambiador i nico El tratamiento de agua por absorbentes s lidos tales como la arena es tan viejo como la civilizaci n misma. Que materias filtrantes eran usadas para purificaci n de mar o de aguas contaminadas, es mencionado en el Antiguo Testamento y conocido desde tiempos de Arist teles. El estudio de los problemas inherentes a la agricultura, especialmente al considerar la fijaci n de los elementos nutrientes por el suelo condujo a investigaciones importantes y con ellas al descubrimiento de las propiedades de estas tierras en la absorci n e intercambio de sustancias por la misma.

4 Del estudio de las arenas y suelos responsables de la absorci n nacieron las primeras zeolitas utilizadas en ablandamiento y reactivadas con soluciones de salmuera. Usando la fusi n de caol n y la arena en un horno o mas tarde por la utilizaci n de m todos de precipitaci n, se desarrollaron materiales sint ticos de intercambio del tipo sil cico. Este tipo de intercambiador tuvo la desventaja de ser atacado por soluciones de pH. agresivo o que contuvieran poca s lice, por lo que su uso fue limitado al ablandamiento. Mas tarde fueron descubiertos dep sitos de gluconita o arenas verdes, que fueron usados en intercambio cati nico gracias a sus caracter sticas particulares. La aparici n de cambiadores org nicos marca una nueva etapa de r pida avanzada en la producci n de intercambiadores. El ataque con cido sulf rico a carbones o lignitos elegidos por su resistencia mec nica o alto contenido de materias vol tiles condujo a la aparici n de compuestos polifuncionales con radicales carbox licos y sulf nicos.

5 Posteriormente a estos aparecen las resinas de fenol-formalde do, casi completamente abandonadas y solo usadas espor dicamente en la actualidad. [02]. Finalmente los mas modernos m todos de fabricaci n han producido las resinas poliestir nicas obtenidas gracias a una copolimerizaci n del estireno y del divinilbenceno efectuada en emulsi n con formaci n de las cl sicas esferas y sulfonaci n posterior. Asimismo la fabricaci n de resinas con grupos carbox licos lleva a la aparici n de los intercambiadores cati nicos d biles, de uso limitado pero de gran capacidad de intercambio y bajos consumos de regenerante. Con las resinas ani nicas d biles, y medianamente fuertes, se logra la absorci n de los cidos fuertes libres provenientes de una decationizaci n previa, obteni ndose gracias a esta resina la resoluci n de un n mero considerable de los problemas de desmineralizaci n parcial. La incorporaci n de calderas de alta presi n y de vaporizaci n instant nea y el uso de turbogeneradores de energ a condujo a la necesidad imperiosa de fabricaci n de resinas del tipo ani nico fuerte capaces de retener los cidos m s d biles como el sil cico y carb nico.

6 Definidos en una forma general, estos intercambiadores de iones son s lidos insolubles o l quidos inmiscibles, que poseen cationes o aniones m viles susceptibles de ser cambiados reversible y estequiom tricamente con los iones del mismo signo presentes en soluciones de electrolitos, con los cuales son puestos en contacto. Los intercambiadores i nicos se clasifican seg n el tipo de iones a retener. Los iones presentes en el agua est n divididos en aniones y cationes. Los aniones principales son: Carbonatos CO 3= (*). Bicarbonatos CO 3H- (*). Sulfatos SO 4=. Cloruros Cl- Nitratos NO 3- SiO 3H- S lice Los cationes principales son: Sodio Na +. Potasio K+. Calcio Ca ++ (#). Magnesio Mg ++ (#). Hierro Fe++ (#). Manganeso Mn ++ (#). (*) Estos elementos a veces se denominan como alcalinidad . [03]. (#) Estos elementos constituyen la dureza . Existen por lo tanto intercambiadores cati nicos (destinados a retener o intercambiar cationes) y ani nicos (destinados a los aniones).

7 Los distintos tipos de intercambiadores que es posible encontrar son: Zeolitas Carbones sulfonados Cati nicos fuertes Cati nicos d biles Ani nicos d biles Ani nicos medianamente b sicos Ani nicos fuertes tipo I. Ani nicos fuertes tipo II. Se ha mencionado hasta el momento lo que es posible hacer con estos intercambiadores. Mencionaremos ahora los medios que se deben disponer y la forma con la que es posible materializar este intercambio. Sistemas cl sicos de intercambio i nico Las dos principales t cnicas de contacto de soluciones con intercambiadores i nicos son los m todos batch y en columna. Este ltimo a su vez puede ser dividido seg n se trate de lechos fijos o m viles en los que se lleva a cabo el proceso. En el primer caso, lechos fijos, tambi n pueden clasificarse seg n la regeneraci n se efect e en cocorriente o en contracorriente. La utilizaci n de los lechos m viles fue una tecnolog a que apareci como muy promisoria a comienzos de los a os sesenta, pero que no prosper y puede decirse que desapareci.

8 Del mercado en la d cada del setenta. La operaci n batch consiste en colocar la resina y el l quido a tratar en un tanque, mezclar y permitir llegar al equilibrio. Luego la soluci n es filtrada y la resina separada para ser usada en un nuevo ciclo. De esta forma, a menos que la selectividad sea altamente favorable, solo una parte relativamente peque a de la capacidad total de la resina puede ser utilizada. Este tipo de proceso solo es empleado en peque a escala para desalado de agua de mar, para ablandamiento de jugos azucarados, recuperaci n de oro de soluciones cianuradas, etc. La operaci n en columna puede ser considerada como un gran n mero de operaciones batch realizadas en serie. Dado que la extensi n del intercambio i nico en la operaci n [04]. batch est gobernada por el coeficiente de selectividad, puede lograrse un efecto total mas favorable con el uso de la operaci n en columna. Intercambiadores industriales: su uso y operaci n Los intercambiadores cl sicos (regenerados cocorriente) para fines industriales est n constituidos por un recipiente cil ndrico vertical cerrado provisto en su parte superior de una entrada para el l quido a tratar, con alg n sistema de distribuci n que permita asegurar un caudal uniforme (Es importante destacar que la mayor a de las plantas existentes responden a este tipo de proceso, pero a partir de la d cada del 90 las plantas nuevas utilizan el proceso de regeneraci n en contracorriente que se explica mas adelante).

9 El l quido percola a trav s del lecho de resina. El nivel de la misma puede observarse gracias a visores de vidrio o acr lico colocados a la altura del manto de resina. La resina es mantenida en su sitio por medio de un manto soporte de arena y grava (resina cati nica) o de antracita (resina ani nica), o en los sistemas mas modernos mediante un falso fondo provisto de strainers o toberas que retienen la resina. El agua tratada es evacuada por un colector en la parte inferior del recipiente. La operaci n de los intercambiadores i nicos del tipo cl sico tiene una secuencia que comprende las siguientes etapas: 1. Producci n 2. Regeneraci n Contralavado Regeneraci n Desplazamiento Enjuague final 1. Producci n: En esta etapa se produce la utilizaci n real del intercambiador i nico logr ndose la obtenci n del agua tratada en la cantidad y calidad establecida por la capacidad instalada. 2. Regeneraci n: Contralavado: Una vez terminado el ciclo productivo se procede a la regeneraci n de la resina.

10 Para ello es necesario descompactar primero el lecho y eliminar al mismo tiempo las impurezas f sicamente retenidas a lo largo del ciclo utiliz ndose para tal fin una corriente de agua [05]. ascendente para lograr la expansi n de la resina en valores comprendidos entre el 50% y el 75%. Para el control de esta operaci n, que demanda un tiempo de aprox. 10 a 15 minutos, es conveniente disponer de un visor ubicado a la altura del manto expandido, un limitador o indicador del caudal de lavado, y eventualmente una trampa de resina con el objeto de evitar p rdidas por errores de operaci n. Regeneraci n: Durante esta operaci n se logra por utilizaci n de una soluci n reactiva (sal, cido, lcali). la reversibilidad del fen meno de intercambio en un todo de acuerdo con la ley de acci n de masas, logrando compensar la mayor selectividad i nica de los iones fijados por un aumento considerable de la concentraci n de la soluci n regenerante. Esta operaci n, seg n el tipo de resina a regenerar puede demandar un tiempo variable entre un m nimo de 20 minutos y una hora.