PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL”QUIMICA DEL AGUA TEMA DE INVESTIGACIÓN: ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO 1. INTRODUCCION El agua es el componente químico más abundante en la biosfera y quizá también el más importante. Casi toda la vida en la Tierra, incluso la humana, utiliza agua como medio fundamental para el funcionamiento metabólico. La eliminación y dilución de la mayor parte de los desechos naturales y de origen humano están a cargo del agua casi en su totalidad. El agua posee varias propiedades físicas peculiares que son la causa directa de la evolución de nuestro medio ambiente y de la vida y funciona dentro de él. Su capacidad para conducir y almacenar calor no tiene igual en ninguna otra sustancia[4]. El agua contiene diversas sustancias físicas y químicas. Por éstas razones suele ser necesario, suele ser necesario tratarlas a fin de hacerla adecuada para su uso. El agua que contiene sustancias microscópicas químicas y en general material particulado puede ser perjudicial para ciertos procesos industriales e idónea para otros. Las aguas subterráneas con piedra caliza ,pueden tener un alto contenido de dureza y requerir ablandamiento previo a sus uso. En tal caso es posible realizar su tratamiento a través de procesos unitarios como son la Adsorción e Intercambio Iónico. En 1852, Way descubrió que la eliminación del amoniaco de líquidos acuosos que se hacían pasar a través de ciertos suelo eran en realidad un intercambio con calcio de un tipo especial de silicato que existia en los suelos. El verdadero estimulo para las resinas orgánicas intercambiadoras se presento cuando Adams y Holmes[7] publicaron sus resultados sobre las resinas orgánicas intercambiadoras, completamente sintéticas, y describieron las resinas cambiadoras aniónicas. En la actualidad el intercambio iónico se ha vuelto un valioso proceso de conversión química. Su utilización a gran escala industrial esta muy extendida, incluso en la producción comercial de agua desmineralizada con baja conductividad eléctrica En éste sentido el presente trabajo tiene por objetivo estudiar los diferentes principios científicos, por los que está fundamentado el proceso de Adsorción e Intercambio Iónico como opción de tratamiento de aguas mediante carbón activado y un intercambiador iónico con el fin de obtener un tipo de agua con características más atrayentes para su uso, en lo que se refiere a : olor, color, sabor, pH , dureza, etc.. 1.2. OBJETIVOS GENERALES El objetivo del presente trabajo es presentar un fundamento científico de lo que engloba el proceso de Adsorción e Intercambio Iónico para tratamientos de aguas con características agresivas para el uso tanto en industrias como para su consumo. 1.3. OBJETIVOS ESPECIFICOS • • • • Diagnóstico del proceso de Adsorción Estudio del carbón activado Diagnóstico del proceso de Intercambio iónico Estudio de un intercambiador iónico 1 n = constantes especificas Existen otras isotermas como las de Langmuir y otros. la tierra de fuller . por consiguiente se prefieren los sólidos altamente porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen. Una sustancia polar ( sustancia que es soluble en agua) no puede ser adsorbida por el carbón activo. La acumulación por unidad de área es pequeña. en este caso que la superficie es del carbón activo. llámese Desorción. La selectividad común de un sorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos. Cada clase de carbón tiene su propio isoterma de la adsorción (véase que el cuadro 1) y en el negocio del tratamiento de aguas este isoterma es definido por la ecuación de Freundlich[4]. el gel de sílice .. la temperatura y la polaridad de la sustancia. PRINCIPIOS DE LA ADSORCIÓN [6] La adsorción.1. Los utilizados en gran escala incluyen el Carbón activo.se realiza a menudo la separación de las especies que se encontraban originalmente en el sólido. Ecuación de Freundlich: x/m = sustancia adsorbida por gramo Ce = diferencia de concentración (entre antes y después) Kf. Generalmente las superficies son irregulares y las energías de enlace debidas básicamente a las fuerzas de Van der Waals Los adsorbentes son materiales naturales o sintéticos de estructura amorfa y microcristalina.etc. pero debido a la mayor aplicabilidad se da mayor relevancia a la función de Freundlich 3. en la operación inversa. Se tienen dos tipos de adsorción: Adsorción Química y Física X 1 = K f Ce / n m El nivel de actividad de la adsorción se basa en la concentración de la sustancia en el agua. contrariamente.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA 2. otras arcillas . la alúmina activa. El proceso de la adsorción ocurre en tres pasos: • de carbón activo Macro transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del macro-poros del carbón activo (macro-poros > 50nm) 2 . En forma similar. la Adsorción incluye la acumulación de moléculas de soluto en una interfase. MECANISMOS DE ADSORCIÓN Las moléculas a partir de la fase del gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie. una sustancia no polar es posible ser adsorbida por el carbón activo. FUNDAMENTO TEÓRICO 2. . En general. hace posible la separación de ciertos componentes presentes en el fluido. es la transferencia selectiva de uno o más solutos (adsorbato) de una fase fluida a una de partículas sólidas (adsorbente). cantidad necesaria de carbón Vrs concentración de equilibrio La descripción de la ocurrencia del proceso de adsorción es el siguiente: Figura 2.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” • QUIMICA DEL AGUA Micro Transporte : El movimiento del material orgánico a través del sistema del micro-poros del carbón activo (microporo < 2nm. meso-poro los 2-50nm) Absorción: El accesorio físico del material orgánico en la superficie del carbón activo en los mesoporos y micro-poros del carbón activo • 3.1. en donde se tiene la cantidad adsorbida en miligramos por cada gramo de carbón(adsorbente) en función de la concentración de equilibrio Figura 1. volumen tratado Vrs concentración 3 . PROCESO DE ADSORCIÓN El proceso de Adsorción esta de acuerdo a la siguiente figura 1. 3.. CARACTERISTICAS DEL CARBON ACTIVADO El Carbón Activado es un excelente adsorbente que ha sido utilizado exitosamente durante siglos: al principio en forma de polvo para propósitos medicinales y purificación del alcohol. la variación de la concentración del adsorbato (agotamiento del filtro de carbón) en relación al volumen tratado de agua. Están descritos de acuerdo a la tabla 1. .... En estos casos ocurre una reacción química en la superficie del carbón que cambia el estado del adsorbato.2. Estas fuerzas son físicas. etc. lo cual significa que el proceso es reversible (a partir del uso de calor. Parámetros de diseño de un adsorbedor CAG.m 5-15. más tarde en forma granular durante la 1ra Guerra Mundial en las máscaras antigases y más recientemente para la recuperación de solventes. Tabla 1. El carbón también es capaz de absorción. El carbón activo se produce específicamente para alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500 . Esta es una reacción irreversible y está ejemplificada en el proceso de declorinación el cual se produce por una reducción catalítica. Esta superficie interna grande hace el carbón tenga una adsorción ideal. presión. Ejemplos de aplicación de carbón activos en diferentes procesos: • • • • Depuración de agua subterranea El proceso de decloracion del agua Depuración de aguas para piscinas Refinamiento de las aguas residuales tratadas Los parámetros importantes y valores típicos usados para caracterizar el diseño y operación de adsorbentes como el CAG.m3 5-30 m2 1.. La adsorción es un fenómeno superficial en el cual el adsorbato es retenido sobre la superficie del carbón debido a las fuerzas de Van der Waal’s.1500 m 2 /g). min 100-600 dias 5-10 g7m3 4 . y el carbón activo granular (CAG) con un diámetro de partícula de 0. La saturación está representada como su punto de equilibrio. La superficie del carbón es no polar por lo cual este resulta afín a los adsorbatos no polares como son las materias orgánicas...1 mm..). Factores Volumen de cama Área de sección transversal Longitud Velocidad de filtro Tiempo de contacto de cama vacía Tiempo de operación Cantidad de uso de carbón Fuente: Sheppard T. Powell Unidades 10-50 .. El carbón activo viene en dos variaciones: Carbón activado polvo (PAC) con un diámetro menor a la malla de tamiz # 200.8-4 .PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA La figura 2 muestra.m7h 5-30. la 5 . o potencialmente cargados. El verdadero estimulo para las resinas orgánicas intercambiadoras se presento cuando Adams y Holmes[4] publicaron sus resultados sobre las resinas orgánicas intercambiadoras. INTERCAMBIADOR IÓNICO Definición: Es una reacción química en la que los iones móviles hidratados de un sólido son intercambiado equivalentemente. completamente sintéticas.48 g/cc 1000 Lignito Mediano Alto Baja 20% Alta Alto Pobre 0.3 g/cc 600 Madera Bajo Alto Mediana 5% Mediana Mediano Regular 0. Su utilización a gran escala industrial esta muy extendida. este a su vez fijo en el intercambiador iónico. La siguiente mejoría consistió en la introducción de intercambiadores iónicos orgánicos. El intercambio de cationes ocurre cuando el catión móvil. El sólido tiene una estructura de red de pesca abierta y los iones móviles neutralizan eléctricamente a los grupos cargados.42 g/cc 1100 Carbón Mineral Alto Mediano Alta 10% Baja Mediano Buena 0. Los diferentes tipos de carbón están de acuerdo al cuadro siguiente. Propiedad Microporo Macroporo Dureza Cenizas Cenizas Agua Polvo Solubles en Coco Alto Bajo Alta 5% Alta Bajo Buena 0. Way descubrió que la eliminación del amoniaco de líquidos acuosos que se hacían pasar a través de ciertos suelo eran en realidad un intercambio con calcio de un tipo especial de silicato que existía en los suelos.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA Tabla 3. se cambia por otro catión en solución. De modo semejante. se intercambia por otro anion en la solución[5]. hecho a partir de productos naturales sulfonados como el carbón.35 g/cc 100 Regeneración Densidad Aparente Indice de Yodo Fuente: Vergara Yayon Francisco 3. En 1852. cargado positivamente y unido al grupo cargado negativamente. cargado negativamente y unido a un grupo unido positivamente y fijo sobre la resina intercambiara. la lignita y la turba. y describieron las resinas cambiadoras aniónicas. que están adheridos a ala matriz sólida. el intercambio aniónico ocurre cuando el anion móvil. En la actualidad el intercambio iónico se ha vuelto un valioso proceso de conversión química. como los silicatos de aluminio. conocido como intercambiador iónico. que tener muy baja capacidad de intercambio por meros cubico del material. por iones de igual carga en solución. incluso en la producción comercial de agua desmineralizada con baja conductividad eléctrica Los primeros productos empleados en la industria como intercambiadores iónicos fueron las zeolitas inorgánicas de origen natural. sin embargo .4. estos grupos pueden ser del tipo carboxilo. por ejemplo uranio. se citara la reacción ya conocida para suavizar el agua: Ca + + ( aq ) + 2 Na + ( resina ) ⇔ Ca + + ( resina ) 2 + 2 Na + ( aq ) 6 . de soluciones acuosas diluidas. sintético Las resinas para intercambio catiónico contienen por lo general. casi siempre poliestireno copolimerizado con divinilbenceno (para conferir la cantidad necesaria de enlaces cruzados). Distribución estructural de los iones intercambiables iónico orgánico. etc. zeolitas o arenas verdes. En el intercambio iónico. La literatura que se refiere a la múltiples aplicaciones de los intercambiadores iónicos. dosfinico. En la siguiente figura 3 se ilustra de manera esquemática la estructura molecular de un intercambiador en forma de iones de hidrogeno. como en el jarabe del azúcar para mejorar la cristalización. que se relacionaban con los tamices moleculares. en la tecnología de alimentos. ya sea positiva o negativa. como ejemplo del intercambiador catiónico. A estos siguiendonlos carbones oxidados (carboxilados) o sulfonados. es muy extensa[6]. para retirar impurezas de soluciones acuosas. itrio. excepto cuando se superponen deliberadamente una red de poros mas bastos. Figura 3. grupos enlazados al ácido sulfonico. en un grado menor. o simplemente para secar solventes no polares. Las resinas aniónicas comprenden grupos de amonio cuaternario (fuertemente básicos) u otros grupos amino (débilmente básicos).PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA mayoría de las resinas intercambiadoras de iones de alta capacidad se basan en el poliestireno – divinilbenceno (SDVB). son permeables solo a dimensiones moleculares. para catalizadores. Mas del 80% de las resinas intercambiadoras se emplean para tratamientos de agua. Los primeros intercambiadores iónicos fueron polímeros de silicatos inorgánicos de tipo microcritalino. la mayoría de los intercambiadores iónicos en uso hoy en día se basan en resinas sintéticas. Pueden escogerse para eliminar y purificar. la fase sólida contiene grupos enlazados o unidos que portan una carga ionica. fosofonico. El intercambio iónico se expresa como una reacción reversible que comprende cantidades químicamente equivalentes. en combinación con iones libres de carga opuesta que se pueden desplazar. se le hace un lavado inverso para limpiar y reclasificar hidraulicamente las partículas de resina en el lecho. Además. desde 0 hasta 14. por lo general del tipo de resina sintética de estireno – divilbenceno sulfonado. Durante el proceso de ablandamiento. En el proceso de intercambio con catión sodio Es el que se emplea en forma mas amplia para el ablandamiento del agua[7]. y se le regresa al servicio ya listo para ablandar otro volumen igual de agua dura.1. El símbolo R representa el radical el intercambio cationico en las siguientes reacciones para el ablandamiento: ( HCO Ca SO 4 Mg Cl 2 )2 + 2 NaR ( HCO SO 4 Cl 2 )2 3 Ca ⇒ R Mg 3 2 + Na 2 Calcio Bicarbonato Intercambiador intercambiador Bicarbonato y/o Sulfato y/o catiónico cation de calcio sodio sulfato y/o magnesio Cloruro de sodio y/o magnesio cloruro (soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble) cuando se agota la habilidad del lecho de intercambio catiónico para producir agua completamente blanda.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA O bien. la cual elimina el calcio y el magnesio en forma de cloruros solubles y simultáneamente vuelve al intercambiador catiónico a su forma de sodio. se le regenera con una columna de sal comun (cloruro de sodio). Cuando la resina intrercambiadora a quitado los iones de calcio y magnesio prácticamente al limite de su capacidad. los iones de calcio y magnesio son eliminados del agua dura por intercambio catiónico con los iones de sodio. se regenera a su forma de sodio con una solución de sal en el intervalo 6 a 8 de pH. la unidad de ablandamiento se pone temporalmente fuera de servicio. Este tipo es excepcionalmente estable a temperaturas elevadas (hasta de 150°C) y en todo el amplio intervalo de pH.4. Los intercambiador cationicos del ciclo del sodio o del hidrogeno para el ablandamiento del agua son. Las reacciones de regeneración pueden indicarse como mediante el empleo de la sal (o ácido sulfúrico en un ciclo de hidrogeno): 7 . Ca + + + 2 NaR ⇔ CaR2 + 2 Na + 3. La capacidad de intercambio de las resinas de poliestireno es de 650 Kg/m cuando se regeneran con 250 g sal por kilogramo de dureza eliminada. es un tip muy resistente a las condiciones de oxidación. La capacidad en la practica de operación común no son tan elevadas. La capacidad total de intercambiador con un ciclo de hidrogeno es de hasta 925 Kg de CaC03 por metro cubico en un intercambiador con un ciclo de hidrogeno y arriba de 810 kg de CaC03 por metro cubico en un intercambiador con un ciclo de sodio. Como sucede en casi todas las operaciones de sorcion. El intercambio iónico entre electrolitos fuertes se desarrolla usualmente hasta que se agota casi por completo. Existe una presentación comercial (Dowx A-1) de una matriz de poliestireno que contiene grupos imino – diacetato particularmente selectivo por cobre. Estas dos clases de resinas son capaces de aumentar (en oxidaciones) o reducir (reducciones) la valencia de los iones metálicos susceptibles sin afectar a ninguna otra forma la solución tratada. hasta de 10 o 15 angstroms de diámetro. un ejemplo de esto se observa en la eliminación incompleta del ácido silisico (H2SiO4) durante la etapa anionica de la desmineralización del agua. Del mismo modo se han empleado poli (mercaptoestirenos) para el mismo fin. 8 .4.2. El equipo de ablandador de zeolitas se diseña para operar ya sea a flujo por gravedad o por presión. cobalto y hierro. sea cual fuera la composición de la solución tratada. pero rechaza por completo materiales “coloidales” de dimensiones mayores que este tamaño limite que el cristaloide abandone la partícula y se recupere en el efluente. en consecuencia la capacidad del sorbante es mas o menos constante. tales ablandadores tiene la ventaja de ser rápidamente accesibles para inspección y mantenimiento. se emplea este tipo donde se requiera amplia capacidad. como el que se unas en el diálisis de membrana. para llevar a cabo reacciones de oxido reducción. por ejemplo la celulosa.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA En donde R representa un sitio aniónico univalente y estacionario en la red del polielectrolito de fase del intercambiador. Infiltración de un “gel” proporciona una separación basada en el tamaño molecular desarrollada con un sustrato liquido. y por lo tanto una extensa área de lecho. Algunas de esa índole incorporan grupos de hidroquinona a la estructura del polímero que sufre la oxidación reversible a quinona. el sorbente sólido debe conservarse después de su uso. ya se mediante un tratamiento de regeneración o revivifivcacion con una solución que contenga el ion que estaba presente inicialmente en el solido. Implica el uso de gránulos de un material permeable y sumamente sovlatado. dejando sólido listo para reutilizarse. Se han sintetizado resina quelatantes de intercambio iónico que manifiestan una selectividad desacostumbradamente marcada hacia ciertos cationes. ya sea en la resina o en la solución (o en ambas). la capacidad estequiomentrica del intercambiador. en que la capacidad aparente de la resina puede ser mucho menor que su valor estequiometrico. Esta operación tratamiento se realiza para eliminar la dureza formada por las sales de calcio y magnesio que provienen de la dureza natural de las aguas de suministro y que causan incrustaciones en los equipos y calderos. níquel. restaurando a la resina a su condición inicial. Se lograra remover la dureza temporal y permanente[2] . Tipos de resinas También se han desarrollado resinas de transferencia e electrones o de oxidación reacción. También parecen ser apropiados para eliminar oxigeno de agua. El granulo admite solutos “cristaloides” ya sea iónicos o moleculares. los suavizadores por gravedad se construyen en tanques rectangulares de concreto o tanques cilíndricos de acero. Un exceso perpetuo de este ion durante la etapa de regeneración hará que el equilibrio de la reacción se invierta por si solo. se presenta una excepción aparentemente cundo se trata un ácidos o una bases débiles. 3. pueden indicarse como sigue: Ca SO 4 SO 4 + 2 HR ⇒ Na 2 R 2 + H 2 Cl 2 Cl 2 Mg 2 Calcio Sulfato Intercambiador Intercambiador Acido sulfúrico Magnesio y/o catiónico de catiónico de calcio y/o clorhídrico Y/o sodio cloruro hidrogeno magnesio y/o sodio (soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble) Ca Mg Na 9 . CRH.2 Diasion SKI Allasion C. Zeo-Dur Cochranex CSL. Dusarit.3.5 1. Propiedades físicas de materiales para el intercambio iónico Contenido de humedad (escurrido) (% por peso) Esponjamiento debido al intercambio (%) Capacidad de intercambio húmeda de nombre 0.2 Húmedo (meq/g) 2 Material Forma de las partículas Densidad de masa (escurrido) (lb/pies3) Máxima temperatura operación (°F) Fuertemente ácido Poliestireno sulfonado Resina homogénea 1% de enlaces cruzados Resina derivadas de sulfúrico y fenolmetileno Arena verde Silicato de aluminio Matriz de poliestireno E ácido G G E 44-55 43-48 80 40-60 44 84-92 50-65 1-5 50 j 2 250(H)-300(Na) 100(H)-200(Na) 140 100 0-14 0-14 6-8 7-8 1-13 5-5. Proceso de intercambio catiónico con hidrogeno Se parece mucho al procedimiento con cation sodio. El simbolo R representa el radical complejo para el intercambiador de cation hidrogeno en las siguientes reacciones para intercambios con Ca ( HCO 3 ) 2 + 2 HR ⇒ Na 2 R 2 + 2 H Mg 2 bicarbonatos: Calcio Intercambiador intercambiador Magnesio Bicarbonatos catiónico de catiónico de Y/o sodio hidrogeno calcio y/o Mg (soluble) (insoluble) (insoluble) Ca Mg Na O + 2 CO Designación del industrial registrado Seco (meq/g) PH 2 Agua Dioxido de Carbono (soluble) Las reacciones con sulfito y cloruros. excepto en que las resinas intercambiara contienen un ion hidrogeno intercambiable y que se puede emplear para eliminar todos los cationes. Decalso Diaon SA21A Fuente: Perry 3.4 3. cuando se emplean el símbolo R para representar el radical orgánico del intercambiador.7 7-8 1.6 0.4. Permutit H-62 Cochranex CG.5 0.3-1.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA Tabla 3.4 0.8 1. la regeneración puede efectuarse por cualquiera de las sales de sodio o 10 . • Los requerimientos de la calidad del efluente para diferentes empleos.5. como el silicato y el carbónico. • Costos comparativos del capital y de operación Como el ablandamiento de zeolitas depende de reemplazar iones sodio y potasio por calcio y magnesio. intercambiador aniónicos Son de dos tipos de resinas. Regeneración con ácido sulfúrico Es el método mas usado y mas económico entre todos los métodos de regeneración.4. Si se requiere desmineralización. con carbonato de sodio y e ocasiones con hidróxido de amonio.4. 3. magnesio hidrogeno Y/o sodio (insoluble) (soluble) (insoluble) sulfato de calcio magnesio y/o sodio (soluble) El agua ácida no es deseable en la mayor parte de los propósitos.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA 3. Los sistemas de intercambio de iónicos escogidos varían de acuerdo con: • El volumen y composición de las aguas crudas. en forma condensada. por lo que el efluente del tratamiento de intercambio con cation de hidrogeno debe ser neutralizada o mezclada con agua tratada con zeolita de sodio. las fuertemente básicas o débilmente básicas. pero solo los intercambiadores aniónicos fuertemente básicos eliminan tanto los ácidos débilmente ionizados.4. Las reacciones que siguen el intercambio aniónico de un ácido fuertemente ionixado. pueden indicarse como sigue: Ca Mg Na 2 R2 + H 2 SO 4 Ca ⇒ 2 HR + Mg Na 2 SO 4 Intercambiador Acido sulfúrico Intercambiador catiónico de catiónico de Calcio. en donde R4N representa el radical complejo de intercambio aniónico (algunas de las R pueden ser hidrogeno): H 2 SO4 + 2 R4 NOH ⇒ ( R4 N ) 2 SO4 + 2 H 2O Regeneración: ( R4 N ) 2 SO4 + 2 NaOH ⇒ 2 R4 NoH + Na2 SO Los intercambiadores aniónicos fuertemente básicos se regeneran con sosa cáustica. como sulfúrico. el clorhídrico o el nítrico. Las reacciones. se hace pasar a través de un material intercambiador de aniones. Ambos tipos eliminan ácidos fuertemente ionizados. la columna se somete a un ciclo de lavado a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a la posterior regeneración. De iones removidos. en el que los iones positivos se sustituyen por los iones hidrogeno. reduciendo por lo tanto su dureza. La cantidad de sal requerida dependerá. de la cantidad de iones de sodio que reemplazaron al calcio y magnesio removidos del agua que se han tratado. aplicables a algunos tipos de materiales de zeolita. El tipo de material de intercambio. proceso en que los iones aniónicos se sustituyen por iones hidróxilo. en los que los iones sodicos de la resina catiónica de intercambio sustituyen los iones de calcio y magnesio presentes en el agua. 4. El agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión. y se extrae por la parte inferior. El grado de dureza: las aguas mas duras requieren para su regeneración. es necesario utilizar tanto resinas de intercambio aniónico como resinas de intercambio catiónico. El cloruro de sodio sin embargo. El uso mas extenso de este proceso es el ablandamiento de aguas residuales domesticas. un consumo mayor de sal de la necesidad de aguas de baja o dureza media. 5. La efectividad de la distribución de la sal en el lecho. Los intercambiadores iónicos suelen ser del tipo de columna con flujo descendente. El efluente del intercambio catiónico se hace pasar por una resina de intercambio iónico.136 Kg por Kg en algunos casos. La eficacia de regeneración de la zeolita y otras resinas cambiadoras de iones. El nivel de regeneración. fue común durante muchos años emplear 0. se define como los gramos de regenerante por Kg. Por lo tanto. Este proceso es necesario a causa de la mayor afinidad de la zeolita por el calcio y magnesio que por el sodio. Ablandamiento y regeneración incompletas. 11 . Mejores materiales y proceso condujeron a una mejoría en la eficiencia obteniéndose 0. (En la tabla 4 se detalla los costos estimados para el diseño de un intercambiador iónico) Los factores que influyen en la consumos de sal durante la regeneración dependen de: 1. Para la reducción de los sólidos disueltos totales. los sólidos en suspensión se sustituyen por iones hidrogeno e hidróxilo que reaccionan para formar moléculas de agua. excede gradualmente al requisito teórico de 75. calculada como carbonato de calcio.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA potasio. varían considerablemente de las zeolitas arenosas verdes a las resinas de alta capacidad que se usan en ciclo de sodio. es comúnmente usado porque es bajo en costos y obtenible en forma comercial y rápida en la mayor parte de las áreas. En el uso de arena verde natural y zeolitas sintéticas para suavizar agua. Procedimiento para economizar sal. sistemas conocido como “restriccion de sal”. Es un proceso unitario en el que los iones de los diferentes especies en disolución desplazan a los iones insolubles de un determinado material de intercambio. cuando se agota la capacidad de la resina. esto es. el agua residual se hace circular a través de un intercambiador de catiónies. circula en sentido descendente a través del lecho de resina.227 Kg de sal por Kg de dureza removido. Primeramente. La cantidad de sal para regenerar el material cambiador de iones. 2. los Kg de regeneración por metro cubico de zeolita.82 gramos por 1 Kg de dureza removida. lo que al regenerar la zeolita requiere “acción de masa” para sobreponer este factor. 3. o perlas. con un contenido aproximado de 50% de agua. cuyo peso molecular es 180 y de formula CH4 = CH–C6H4 -SO3 H. 4. o las aplicaciones practicas o comerciales de ellas. 2. El descubrimiento de los iones calcio y magnesio pueden ser removidos al pasar a través de algunas clases de suelos. La desmineralización por intercambio iónico puede tener lugar en diferentes columnas de intercambio dispuestas en serie. ha sido confirmado. La obturación de las resinas puede venir producida por la presencia de materia orgánica residual en los efluentes de tratamiento biológicos.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido fuerte. Antes de la desmineralización por intercambio iónico. que 12 . La velocidad del intercambio es menor. como el sulfuro o el clorhídrico. 1984). Los intercambiadores iónicos mas usado son las resinas procedentes del ácido estire sulfonico. 5. (Vergara Yayon. es necesario llevar a cabo alguna forma de tratamiento químico y de decantación. y los iones se intercambian en iones equivalentes. 3. seguida de la mezcla con agua no intercambió iónico alguno. usualmente empleado en combinación con ablandamiento con zeolitas de sodio e intercambiador aniónico. generalmente descritos por ablandamiento de zeolitas de sodio. En las aplicaciones de reutilizacion. como los requeridos por la reacción química verdadera. si bien resinas se pueden mezclar en un único reactor. 7. provocando grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces. Durante los comienzos del intercambio iónico el proceso fue utilizado únicamente para suavizar por remoción de calcio y magnesio y en menor grado. El nombre aceptado para el tratamiento fue “suavización por zeolitas”. Investigaciones y desarrollos subsecuentes han confirmado la exactitud de algunas observaciones y conclusiones siguientes: 1. tanto por la influencia del coeficiente de temperatura. o de ablandamiento por zeolitas de hidrogeno. intercambiador de ion hidrogeno. No todos los iones disueltos se eliminan por igual: cada resina de intercambio iónico se caracteriza por una serie selectiva. la reducción de los sólidos suspendidos hasta un nivel aceptable se podría conseguir con el tratamiento de parte del agua por intercambio iónico. y algunos de los iones del final de la serie tan solo se eliminan parcialmente. Aun cuando el fenómeno de intercambio iónico fue notado y reportado vagamente a principios de la historia del hombre. se registraron las observaciones sin tenerse un conocimiento de las leyes químicas que gobiernan estos fenómenos. El regenerador de resinas aniónicas mas comúnmente empleados es el hidróxido de sodio. del hierro y manganeso. El termino zeolitas (zein y lithos) significan “piedra que hierve”. El material cambiador de iones puede ser producido sintéticamente mediante la combinación de silicatos solubles y compuestos de aluminio. El intercambio de iones no es debido a la absorción física. Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en las unidades de proceso pueden taponar los lechos del intercambio iónico. Los silicatos de aluminio son los materiales activos responsables del intercambio de iones. 6. que viene en la practica en forma de esferas. Los proceso de intercambio iónico usados en la purificación de aguas incluyen en intercambiador de ion sodio. Las propiedades del intercambio iónico se destruyen al calentar el material. Ciertos iones son mas fáciles de ser removidos que otros. México. Soc. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. Aden. AIChE Symp. New York. independientemente de las variaciones en dureza. es la forma en que el intercambiador iónico ha sido mas ampliamente familiar. 7. p. El calcio y magnesio serán removidos de cualquiera de sus sales en solución. OMAR ARCE GARCÍA (2003) “ Texto proporcionado en la materia de Química del agua” 13 .A. 54 1-6T. Present.A. Plenum. 415. como bicarbonatos. a review with 106 references. Kavin Editores S. 60. 6. METCALF Y EDDY (1995) “Ingeniería de Aguas Residuales”. NcGraw-Hill Encycloedia of Science and Technology. de tal manera que el agua cruda.. POWELL (1987) “Manual de Aguas para Usos Industriales”. La suavización con zeolitas de sodio. 4. NcGraw-Hill. ion Exchange. 3.Americana. cloruros. Lima Perú. Water Purification by Ion Exchange. New Yor. 192. 1997. SHEPPARD T. Powell) 4. el proceso básico. M. vol. USO DE INTERNE 9. para el agua de proceso. pueda ser ablandada casi completamente. Mexico. 8. Eng. Ing. alimentación de calderas y uso domestico. PERRY (1980) “Manual del Ingeniero Químico”. VOL 14.. 1968. El ablandamiento con zeolitas de sodio. Group Proc. London Chem. VERGARA YAYON FRANCISCO (1984) “Tratamiento de Aguas Industriales”. El intercambio tiene lugar rápidamente. a su paso por el lecho de zeolita. Editorial Limusa S. (Sheppard T. Unión Tipográfica Editorial Hispano.PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA generalmente sigue al intercambio de iones hidrogeno para efectuar desmineralización o desionización. MacGraw. 76 no. etc.Sc. Este tratamiento sirve bien para presentar los conceptos y fenómenos fundamentales del intercambio iónico. sulfuros. Ind. p. Needs and Trends. Ser. Gol and Calmon. España. pero también aplicado a la remoción de iones específicos como en la desalcalinización. 5. 1980. consiste en pasar el agua a través de un lecho de material que posee la propiedad de remover el calcio y magnesio del agua y de remplazar estos iones con sodio o potasio. Chem. 2. JOHN H.