Intercambio iónico: ablandamiento de agua (artículo en construcción)

La información que se adjunta forma parte de una práctica de "Experimentación  en Ingeniería Química IV":

1.   INTRODUCCIÓN

         Con la realización de esta práctica se pretende obtener agua desionizada aprovechando la operación de “intercambio iónico”. Se estudiará el efecto de la concentración de iones Mg²⁺ y Ca²⁺ sobre las columnas de intercambio iónico. A su vez se obtendrá el coeficiente global de transferencia de materia y se determinará la constante de equilibrio de las dos resinas utilizadas en el intercambio (una aniónica y otra catiónica).

Al realizar un intercambio iónico se está realizando una transferencia materia de forma reversible, en concreto se transfieren iones entre un líquido y un sólido en el que no se produce un cambio permanente en su estructura. Su principal aplicación es el ablandamiento y desionización del agua, aunque también se utiliza como método de separación, en síntesis química, investigación médica o procesado de alimentos entre otros.

La principal ventaja de esta operación unitaria es la posibilidad de usar repetidas veces los mismos materiales de intercambio iónico. En concreto, para el ablandamiento de aguas.

 

El material en la forma sódica es capaz de intercambiar el ion Na⁺ por el Ca²⁺ y eliminar así el Ca²⁺ (constituyente del agua dura). Para regenerar la resina y volverla a convertir en su forma sódica sólo es necesario tratarla con una solución de cloruro de sodio y así se deja preparada para otro ciclo de operación. De esta forma es posible ablandar millones de litro de agua por metro cúbico de resina durante un largo periodo de tiempo.

Desde el punto de vista iónico, los materiales de intercambio iónico están constituidos por centros activos distribuidos en su estructura.

Una vez atravesada la resina, el agua pierde los iones Ca²⁺ Mg²⁺, y los sustituye por Na⁺. Esto seguirá así hasta que la resina comience a saturarse.

Una vez saturada la columna (al no quedar huecos libres), se ve un aumento de la concentración de iones calcio y magnesio a la salida de la misma, que se incrementa hasta que la concentración en la corriente de agua tratada se hace constante e igual a la inicial que entra por la columna. Finalmente, la resina ahora cargada de calcio y magnesio puede lavarse con solución de cloruro de sodio con una circulación en sentido contrario al del proceso de desionización, obteniendo el efecto contrario, es decir se regenera la resina y se convierte en su forma sódica para empezar otro ciclo de operación tal y como se muestra en la figura 2.

Estos materiales se encuentran comercialmente en forma de esferas de distintos tamaños para poder ser utilizados en cada aplicación particular. La densidad en contacto con agua es de 1.1-1.5 kg/L y situadas en una columna suelen dejar un 35-40% de huecos con respecto al volumen total. Estos materiales deben estar preparados para resistir choques osmóticos (cambios rápidos de concentración de las disoluciones en contacto con las resinas).

   
        También es importante en este tipo de resinas granuladas la expansión del lecho consecuencia de la fluidización experimentada al lavar en sentido contrario al sentido normal para tratar de eliminar impurezas y pequeñas partículas del intercambiador y así reducir la caída de presión a través de la columna. Al realizar esta fluidización se incrementa la proporción de huecos que se mide en función de la velocidad de flujo transversal y de la temperatura. Además, la caída de presión depende del tamaño de partícula, forma, uniformidad y compresibilidad de la resina, así como de la viscosidad del fluido.

2.   PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

         2.1 Puesta a punto de las columnas de intercambio iónico

 Antes de poner en marcha el sistema se deben tener en cuenta una serie de consideraciones para asegurar el buen funcionamiento del sistema.

En primer lugar, se debe tener la precaución de que, al poner en funcionamiento el sistema, la corriente de agua pueda salir al exterior para evitar aumentos de presión indeseables en cualquier instalación por la posibilidad de producirse fugas o roturas en los equipos. Igual de importante es dejar todas las válvulas cerradas y las bombas del equipo apagadas.

Para realizar la puesta a punto del sistema se deben seguir una serie de etapas para poner en condiciones óptimas las columnas de intercambio.

Lavado con agua de la red: este paso se realiza con objeto de, por un lado fluidizar el lecho y reducir así la caída de presión en las columnas, y por otro eliminar impurezas sólidas en la cabeza de la columna y posibles burbujas de gas que se hayan introducido en el sistema. Se debe realizar el lavado de cada columna de forma aislada. Se pretende conseguir una fluidización que haga que el lecho se expanda aproximadamente la mitad del volumen original que ocupaba en la columna.

Regeneración:  

Este paso es uno de los más importantes ya que se realiza con objeto de saturar los intercambiadores catiónicos y aniónicos con H⁺ y OH^-, respectivamente. La regeneración de ambas resinas se realiza de forma paralela. Para ello se procede tal y como se indica a continuación. Resina catiónica: se utiliza una disolución de ácido clorhídrico al 4%, la cual se hace circular durante 30 minutos con un caudal aproximado de 3.5 L/h. Resina aniónica: se hace transitar una disolución de hidróxido de sodio al 4% durante una media hora con un caudal equivalente al anterior. Además, el depósito que contiene esta disolución debe estar cerrado con la trampa para CO₂ abierta para que la disolución pueda circular y a su vez evitar la carbonatación de la disolución, y por consiguiente, evitar al máximo la introducción de sólidos en el sistema de intercambio iónico.

Lavado: esta etapa es realizada para reducir el exceso de ácido clorhídrico e hidróxido de sodio que haya podido quedar retenido en cada columna como consecuencia del paso anterior. Al igual que el primer lavado con agua de la red, este lavado también se realiza de forma independiente para cada columna y respectivas conducciones pero con la diferencia de que se empleará agua osmotizada.

Todas las etapas anteriores se realizan utilizando un caudal de 17 L/h durante 10 minutos. Además, se debe comprobar el pH a la salida del sistema para controlar si existen restos ácidos o alcalinos en el agua. En caso de encontrarse, se debe prolongar el lavado hasta que desaparezcan.

         2.2 Desionización del agua

El agua que es objeto de ser desionizada (200 L de disolución de cloruro de calcio) debe hacerse pasar de forma descendente por ambas resinas. La altura de las resinas en el interior de cada columna debe ser comprobada durante el transcurso de cada experimento, así como el caudal de la corriente líquida tanto con el rotámetro como experimentalmente. Durante el experimento se toman muestras espaciadas de unos 35 mL a la salida del agua desionizada para realizar las valoraciones pertinentes que permitan obtener la concentración de cloruros por el método de la argentometría con nitrato de plata y de iones calcio y magnesio por complexometría con EDTA.

También se realizan estos ensayos en el depósito del agua antes de que ésta pase por el sistema de desionización. Estos resultados sirven para indicar el final de cada experimento, es decir, cuando la concentración de iones es la misma tanto en el bidón inicial como a la salida del sistema quiere decir que las resinas están agotadas.

Se debe tener la precaución de aumentar la frecuencia en la toma de muestras durante el intervalo de ascenso de la curva de rotura cuando la concentración de iones presente en la corriente de salida comienza a aumentar como resultado de la saturación de la resina.

3.   ESTUDIO RESINA


      3.1 Experimento 1: caudal igual a 100 L/h y concentración inicial de 300 ppm

El procedimiento para la obtención de los datos experimentales es el mismo que ya ha sido comentado anteriormente. Se recuerda, que en este informe se estudia la influencia de la concentración del agua que va a ser tratada y no el caudal de tránsito de agua. Por ello en este experimento se utiliza un caudal próximo al anterior (de 103.5 L/h) de una disolución de 300 ppm.

Los datos de la columna en esta segunda experiencia son:

Tabla 10. Datos de las columnas para el experimento 2.

 

RESULTADOS OBTENIDOS PARA LOS IONES CLORURO

Tabla 13. Valoración del agua de red antes de pasar por las columnas.

 

Concentración de iones cloruro a lo largo del experimento 2.

En este caso la concentración de cloruros del agua varía entre los 16 y 330 ppm aproximadamente. Como se comentó anteriormente, al principio la columna retiene en gran medida los iones cloruros hasta que en el minuto 25 dicha concentración (a la salida) va aumentando hasta que  en el minuto 30 alcanza su máximo (la columna ya está agotada y por consiguiente, no retiene iones cloruro).

 Curva de rotura para los iones cloruro en el experimento 2.

Como se ve en el gráfico anterior, el cambio brusco de concentraciones se da en el intervalo entre 25-30 minutos. Después del minuto 30 la curva se mantiene constante, y aproximadamente igual a uno. Es decir, la concentración de cloruros que se obtiene a la salida de la columna es muy cercana a la concentración de cloruros del agua al comienzo del análisis.

RESULTADOS OBTENIDOS PARA LOS IONES CALCIO

Tabla 17. Valoración del agua de red antes de pasar por las columnas.

Gráfico 10. Curva de rotura para los iones calcio + magnesio en el experimento 2.

             

          En este caso al tener más cantidad de calcios y magnesios en el agua estudiada, se ha podido llevar a cabo el experimento completamente. Como en el caso anterior la curva de rotura para calcios y magnesios es mucho mas tendida que para la de cloruros, esto es debido entre otras cosas a las propiedades que tiene cada una de las resinas utilizadas.

            En esta experiencia el tiempo de inicio en la curva de rotura para la resina  catiónica es mucho antes que en la experiencia anterior, y se produce en un menor tiempo, debido a la mayor concentración de calcio en la preparación del bidón inicialmente. Siendo el inicio del agotamiento de la resina a los 30 minutos, y el agotamiento total (ya no se produce más intercambio de H⁺ por Ca²⁺ y Mg²⁺) a los 65 min después de iniciar el experimento.

Bibliografía: apuntes  de  "Experimentación en Ingeniería Química IV"