Intercambio Iónico El intercambio de iones se realiza mediante un polímero en forma de esferas diminutas que son capaces de intercambiar iones particulares por otros iones, en una solución que se pasa a través de ellos. A estas esferas de gel sinteticas se les llama “Resinas de intercambio iónico”. Esta capacidad también se observa en varios sistemas naturales, tales como los suelos y las células vivas. Las resinas sintéticas no sólo se utilizan para la purificación del agua, sino también para varias otras aplicaciones incluyen la separación de algunos elementos. En la purificación del agua, el objetivo principal es ablandar el agua o para eliminar el contenido mineral. El agua se suaviza mediante el uso de una resina que contiene cationes de sodio Na +, y los intercambia por calcio Ca2 + y magnesio Mg2 + (dureza) que son más fuertes que el Na + A medida que el agua pasa a través de la resina aumenta la captación de Ca2 + y Mg2 + hasta saturar la resina, en este punto es necesario regenerar la resina, saturándola de nuevo con Na + para que inicie desde cero. Los procesos que utilizan intercambio iónico son los siguientes: Suavizador de agua (eliminación de dureza) De-alcalinización (eliminar carbonatos) Decationisation (eliminación de todos los cationes) Desmineralización (eliminación de todos los iones) Lecho mixto (Nitratos y desmineralización) Eliminar metales Aquí encontrará una descripción de los procesos anteriores, las reacciones de intercambio y los cambios en el agua. Los tipos de resinas se describen a continuación, así como métodos de regeneración Suavización de agua El agua natural contiene iones calcio y magnesio (véase Suavización de agua ) que forman sales que no son muy solubles. Estos cationes, junto con los cationes estroncio y bario aunque menos comunes y solubles, se denominan en conjunto iones de dureza. Cuando el agua se evapora incluso un poco, estos cationes precipitado. Esto es lo que ves cuando dejas que el agua se evapore en un hervidor de agua hirviendo en la estufa de la cocina. El agua dura también forma sarro en las tuberías de agua y en las calderas, tanto domésticas como industriales. Puede crear turbiedad en la cerveza y los refrescos. Las sales de calcio forman depósitos en los vasos de cocina, dejar la piel reseca y pelo dañado o no hacer jabón para lavar o bañarse. Las resinas de intercambio catatónica de ácido fuerte, que se utilizan en forma de sodio eliminan estos cationes de la dureza del agua. Los suavizadores, cuando se saturan con estos cationes, se regeneran con cloruro de sodio (NaCl, sal de mesa sin yodo). Reacciones Aquí el ejemplo de calcio: 2 R-Na + Ca ++ —> R2-Ca + 2 Na + Representa la resina, que está inicialmente en la forma de sodio. La reacción para el magnesio es idéntica. La reacción anterior es un equilibrio. Se puede invertirse mediante el aumento de la concentración de sodio en el lado derecho. Esto se hace con NaCl, y la reacción de regeneración es: R2-Ca + 2 Na + —> 2 R-Na + Ca ++ Ejemplos para el uso de suavizadores: Tratamiento de agua para calderas Uso residencial para tuberías, cuidado del cabello y piel. Las cervecerías y fábricas de refrescos tratan el agua para sus productos con resinas de grado alimenticio El ablandamiento del agua no reduce su salinidad: meramente elimina los iones de dureza y los reemplaza con el sodio, las sales de los cuales tienen una solubilidad mucho mayor, por lo que no forman escala o depósitos. De-alcalinización Este proceso en particular utiliza una resina de cationica de ácido débil. Este tipo de resina son capaces de eliminar la dureza del agua cuando también contiene alcalinidad. Después del tratamiento, el agua contiene dióxido de carbono, que puede ser eliminado con una cama descalificadora. La resina catiónica se regenera de manera muy eficie nte con un ácido, generalmente clorhídrico. Reacciones Aquí el ejemplo de calcio: 2 RH + Ca ++ (HCO3) 2 —> R2-Ca + 2 H + + 2 HCO3 y los cationes de hidrógeno se combinan con los aniones para producir dióxido de carbono y agua: H + + HCO3 —> CO2 + H2O La recombinación de hidrógeno y bicarbonato y la eliminación de dióxido de carbono con el desgasificador: Agua descarbonatada Agua descarbonatada DEG Agua desgasificada usos De-alcalinización se utiliza en: Cervecerías En los filtros de agua potable domésticos. Para calderas de baja presión. Como primer paso antes de que el cambio de SAC en la desmineralización. De-alcalinización reduce la salinidad del agua, mediante la eliminación de cationes de la dureza y aniones bicarbonato. Decationisation La eliminación de todos los cationes rara vez se practica, excepto como una primera etapa del proceso de desmineralización, o, a veces en el condensado de pulido donde el decationizador precede a una unidad de lecho mixto. Una resina de intercambio catiónico de ácido fuerte (SAC) se utiliza en la forma H +. Reacciones: Aquí el ejemplo de sodio, pero todos los cationes reaccionan de la misma manera: R-H + Na + —> R-Na + H + La reacción de equilibrio se invierte para la regeneración mediante el aumento de la concentración de hidrógeno de lado derecho. Esto se realiza con un ácido fuerte, HCl o H2SO4: R-Na + H + —> R-H + Na + En el segundo paso, un desgasificador se utiliza de nuevo para eliminar el dióxido de carbono formado mediante la combinación de los aniones bicarbonato y el catión de hidrógeno liberado. La salinidad del agua se reduce, y el agua es ácida ahora. Se muestra una fuga de sodio pequeña. Desmineralización Para muchas aplicaciones, todos los iones en el agua deben ser eliminados. En particular, cuando el agua se calienta para producir vapor, todas las impurezas que pueden precipitar y causar daños. Como existen cationes y aniones en el agua, debemos utilizar dos tipos diferentes de resinas: un intercambiador catiónico y un intercambiador aniónico. Esta disposición combinada produce agua pura, como se presenta en la introducción general. La desmineralización es también llamado desionización. La resina catiónica se utiliza en la forma de hidrógeno (H +) y la resina de aniones en forma de hidroxilo (OH), de modo que la resina catiónica debe ser regenerado con un ácido y la resina aniónica con un álcali. Un desgasificador se utiliza para eliminar el dióxido de carbono creado después de intercambio catiónico cuando el agua contiene una concentración significativa de bicarbonato. La resina catiónica se encuentra normalmente antes de la resina aniónica: de lo contrario si el agua contiene cualquier dureza, sería precipitar en el medio alcalino creado por la resina forma de anión OH como Ca (OH) 2 o CaCO3, que tienen baja solubilidad. Layout SAC – (DEG) – SBA Consideremos primero un sistema de desmineralización sencilla que comprende una resina fuerte de intercambio catiónico de ácido en la forma H +, un desgasificador (opcional) y una fuerte resina de intercambio aniónico de base en la forma OH. El primer paso es decationisation como se muestra arriba: RSAC-H + Na + RSAC-Na + H + Con insead calcio de sodio (también válido para el magnesio y otros cationes bivalentes): 2 RSAC-H + Ca ++ (RSAC) 2-Ca + 2 H + En la segunda etapa, se eliminan todos los aniones con la resina base fuerte: RSBA-OH + Cl RSBA-Cl + OH Los ácidos débiles creados después de intercambio catiónico, que son el ácido carbónico y ácido silícico (H2CO3 y H2SiO3) se retiran de la misma manera: RSBA-OH + HCO3 RSBA-HCO3 + OH Y finalmente, los iones H + generados en la primera etapa reaccionan con los iones OH de la segunda etapa para producir nuevas moléculas de agua. Esta reacción es irreversible: H + + OH —> H2O 1: El intercambio de cationes de retirar todos los cationes (como en decationisation) seguido de desgasificación: El agua cruda SAC agua cruda (H) -> Agua descationizada Agua descationizada DEG -> Agua desgasificada Decat + agua desgasificada 2: Intercambio de aniones quitar todos los aniones (ácidos fuertes y débiles): agua desgasificada Decat + desgasificado SBA agua (OH) -> Agua Demin agua desmineralizada El agua desmineralizada es completamente libre de iones, excepto unas pocas trazas residuales de sodio y sílice, debido a que las resinas SAC y la SBA tienen su selectividad más bajo para estos. Con una línea de desmineralización sencilla regenerado en flujo inverso, el agua tratada tiene una conductividad de sólo alrededor de 1 S / cm, y un residuo de sílice entre 5 y 50 g / L en función de la concentración de sílice en la alimentación y en condiciones de regeneración. Tenga en cuenta que el valor de pH no debe ser utilizado como un control del proceso, ya que es imposible medir el pH de un agua con menos de decir 5 mS / cm de conductividad. Regeneración La resina CAF se regenera con un ácido fuerte, HCl o H2SO4: R-Na + H + R-H + Na + Y la resina se regenera SBA con un álcali fuerte, NaOH en 99% de los casos: RSBA-Cl + OH RSBA-OH + Cl WAC Layout / SAC – DEG – AMB / SBA Debido a que las resinas ácidas débiles, ofrecen una capacidad de funcionamiento alta y son muy fáciles de regenerar, se utilizan en combinación con resinas ácidas fuetes en plantas industriales. El primer paso con la resina WAC es deacalinización (eliminación de la dureza del bicarbonato), y el segundo paso con el SAC elimina todos los cationes restantes. Una resina WAC se utiliza cuando la dureza y la alcalinidad están presentes en grandes concentraciones relativas en el agua de alimentación. Resinas AMB eliminar sólo los ácidos fuertes después de intercambio catiónico. Ellos no son capaces de eliminar los ácidos débiles tales como SiO2 y CO2. En el regenerado, forma de base libre, que no se disocian, los iones OH libres están disponibles para intercambio aniónico neutral. Por otro lado, es suficiente para adsorber los ácidos fuertes creados después de intercambio catiónico: RWBA + H + Cl —> RWBA.HCl En el último paso, una resina de SBA está por lo tanto necesaria para eliminar los ácidos débiles, como se muestra en la sección anterior: RSBA-OH + HCO3 RSBA-HCO3 + OH Una línea de desmineralización completa se muestra a continuación, con una columna de intercambio catiónico (WAC / SAC) y un desgasificador, una columna de intercambio aniónico (AMB / SBA), y una unidad de lecho mixto como pulido. El uso de una resina de ácido débil y la columna de la desgasificador están condicionados por la presencia de la dureza y la alcalinidad en el agua de alimentación, como se ha explicado en las secciones anteriores. Regeneración La regeneración se realiza por separado en cada resina, lo que significa que el regenerante primero pasa a través de la resina fuerte, lo que requiere un exceso de regenerante, y el regenerante no consumido por la resina fuerte es generalmente suficiente para regenerar la resina débil sin dosis adicional. Las resinas catiónicas se regeneran con un ácido fuerte, preferiblemente ácido clorhídrico HCl, H2SO4, porque puede precipitar calcio. Las resinas aniónicas se regeneran con sosa cáustica. Regeneración línea La regeneración de la línea de desmineralización La calidad obtenida es la misma que en la disposición simple SAC-SBA, pero debido a que las resinas débiles se regeneran prácticamente en consecuencia, el consumo de regenerante es considerablemente menor. Además, las resinas débiles tienen una capacidad funcioar mejor que las resinas fuertes, por lo que el volumen total de resinas de intercambio de iones se reduce. Ejemplos de desmineralización: Agua para calderas de alta presión en fósiles y nuclear alimentado centrales eléctricas y otras industrias El agua de enjuague se utiliza en la producción de chips de computadoras y otros dispositivos electrónicos El agua de proceso para muchas aplicaciones en las industrias textil y papelera químicas Agua para las baterías Agua para laboratorios Principio de la página Pulido lecho mixto Lecho mixto o resinas mixtas En las resinas mixtas (cationicas y anionicas) y se utilizan comúnmente después de un proceso de desmineralización por intercambio ionico u ósmosis inversa, como un pulido. Tienen preferencia por el sílice, donde se mezclan de catión de ácido fuerte y resinas aniónicas de base fuerte. Unidades de lecho mezcla entrega una excelente calidad del agua tratada, pero es complicado su regeneración, debido a que las resinas deben separarse por el retrolavado para regenéralas. Además, se requieren grandes cantidades de productos químicos, y las condiciones hidráulicas para la regeneración no son óptimas. Por lo tanto, lechos mixtos sólo se usan para tratar el agua predesmineralizada, cuando el plazo de servicio es largo. El lecho mixto de pulido produce un agua con menos de 0,1 mS / cm de conductividad. Con un diseño sofisticado y resinas apropiadas, la conductividad del agua pura (0,055 mS / cm) se puede lograr. Valores de sílice residual puede ser tan baja como 1 g / l. El valor del pH no debe ser utilizado como un control de proceso, como medidores de pH no son capaces de operar a 1 mS / cm de conductividad o por debajo. Aplicaciones: Tratamiento de agua pre-desmineralizada con resinas de intercambio iónico Pulido de permeado de ósmosis inversa Pulido de destilado agua de mar Tratamiento del condensado de la turbina en centrales eléctricas Tratamiento de condensado del proceso en diversas industrias La producción de agua ultra pura para la industria de los semiconductores Servicio de-ionización (con columnas fuera de las instalaciones regeneradas) Eliminación de nitratos El nitrato puede ser eliminado selectivamente de agua potable utilizando resinas aniónicas fuertes de base en ciclo de cloruro, es decir regenera con una salmuera de NaCl. La reacción es: RSBA-Cl + NO3 RSBA-NO3 + Cl SBA resinas convencionales pueden ser utilizadas, pero que también eliminan el sulfato del agua. Consulte la tabla de la selectividad. Dependiendo del tipo de resina, algunos (resinas selectivas) o todos (no selectivo) el sulfato se elimina. Bicarbonato sólo se elimina parcialmente al inicio de la ejecución de servicio. Aplicaciones Principalmente el tratamiento municipal de aguas Principio de la página La eliminación selectiva de diversos otros contaminantes La eliminación selectiva de metales Se utiliza principalmente para el agua potable y para los residuos. Muchas de estas aplicaciones requieren resinas especiales: resina quelante que hacen complejos metálicos estables, por ejemplo. Aplicaciones La eliminación de boro (ácido bórico) del agua potable La eliminación de nitratos del agua potable (ver imagen superior) La eliminación de perclorato en el agua potable La eliminación de metales pesados a partir de residuos: Cd, Cr, Fe, Hg, Ni, Pb, Zn En muchas de estas aplicaciones, una concentración residual en el intervalo de mg / L es posible. Algunos contaminantes son difíciles de eliminar con intercambio de iones, debido a una escasa selectividad de las resinas. Ejemplos: As, F, Li. Ver la tabla periódica de los elementos con algunos datos de intercambio iónico. Ver también fichas técnicas de resinas selectivas y una página separada sobre los procesos de intercambio de iones para el agua potable. Tipos de resina se suelen abreviarse como: SAC: resina de intercambio catiónico de ácido fuerte WAC: resina de intercambio catiónico de ácido débil SBA: resina de intercambio aniónico básica fuerte AMB: resina de intercambio de aniones básica débil