PROGRAMA DE POSGRADO INGENIERIA AMBIENTAL QUIMICA DEL AGUA TEMA DE

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 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA 2. FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. PRINCIPIOS DE LA ADSORCIÓN [6] La adsorción, es la transferencia selectiva de uno o más solutos (adsorbato) de una fase fluida a una de partículas sólidas (adsorbente). La selectividad común de un sorbente entre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separación de ciertos componentes presentes en el fluido. En forma similar, en la operación inversa, llámese Desorción, .se realiza a menudo la separación de las especies que se encontraban originalmente en el sólido. En general, la Adsorción incluye la acumulación de moléculas de soluto en una interfase. La acumulación por unidad de área es pequeña; por consiguiente se prefieren los sólidos altamente porosos con áreas internas muy grandes por unidad de volumen. 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. Los utilizados en gran escala incluyen el Carbón activo, la alúmina activa, el gel de sílice , la tierra de fuller , otras arcillas ,etc.. 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, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar ( sustancia que es soluble en agua) no puede ser adsorbida por el carbón activo, contrariamente, una sustancia no polar es posible ser adsorbida por el carbón activo. 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]. Ecuación de Freundlich: x/m = sustancia adsorbida por gramo Ce = diferencia de concentración (entre antes y después) Kf, n = constantes especificas Existen otras isotermas como las de Langmuir y otros, pero debido a la mayor aplicabilidad se da mayor relevancia a la función de Freundlich 3. MECANISMOS DE ADSORCIÓN Las moléculas a partir de la fase del gas o del líquido serán unidas de una manera física a una superficie, en este caso que la superficie es del carbón activo. 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 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. PROCESO DE ADSORCIÓN El proceso de Adsorción esta de acuerdo a la siguiente figura 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. cantidad necesaria de carbón Vrs concentración de equilibrio La descripción de la ocurrencia del proceso de adsorción es el siguiente: Figura 2. volumen tratado Vrs concentración 3 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA La figura 2 muestra, la variación de la concentración del adsorbato (agotamiento del filtro de carbón) en relación al volumen tratado de agua. 3.2. 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; más tarde en forma granular durante la 1ra Guerra Mundial en las máscaras antigases y más recientemente para la recuperación de solventes. El carbón activo se produce específicamente para alcanzar una superficie interna muy grande (entre 500 - 1500 m 2 /g). Esta superficie interna grande hace el carbón tenga una adsorción ideal. El carbón activo viene en dos variaciones: Carbón activado polvo (PAC) con un diámetro menor a la malla de tamiz # 200, y el carbón activo granular (CAG) con un diámetro de partícula de 0.1 mm. . La superficie del carbón es no polar por lo cual este resulta afín a los adsorbatos no polares como son las materias orgánicas. 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. La saturación está representada como su punto de equilibrio. Estas fuerzas son físicas, lo cual significa que el proceso es reversible (a partir del uso de calor, presión, etc.). El carbón también es capaz de absorción. En estos casos ocurre una reacción química en la superficie del carbón que cambia el estado del adsorbato. Esta es una reacción irreversible y está ejemplificada en el proceso de declorinación el cual se produce por una reducción catalítica. 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. Están descritos de acuerdo a la tabla 1. Tabla 1. Parámetros de diseño de un adsorbedor CAG. 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 ...m3 5-30 m2 1.8-4 ...m 5-15...m7h 5-30.... min 100-600 dias 5-10 g7m3 4 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA Tabla 3. 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 0,42 g/cc 1100 Carbón Mineral Alto Mediano Alta 10% Baja Mediano Buena 0,48 g/cc 1000 Lignito Mediano Alto Baja 20% Alta Alto Pobre 0,3 g/cc 600 Madera Bajo Alto Mediana 5% Mediana Mediano Regular 0,35 g/cc 100 Regeneración Densidad Aparente Indice de Yodo Fuente: Vergara Yayon Francisco 3.4. INTERCAMBIADOR IÓNICO Definición: Es una reacción química en la que los iones móviles hidratados de un sólido son intercambiado equivalentemente, por iones de igual carga en solución. El sólido tiene una estructura de red de pesca abierta y los iones móviles neutralizan eléctricamente a los grupos cargados, o potencialmente cargados, que están adheridos a ala matriz sólida, conocido como intercambiador iónico. El intercambio de cationes ocurre cuando el catión móvil, cargado positivamente y unido al grupo cargado negativamente, este a su vez fijo en el intercambiador iónico, se cambia por otro catión en solución. De modo semejante, el intercambio aniónico ocurre cuando el anion móvil, cargado negativamente y unido a un grupo unido positivamente y fijo sobre la resina intercambiara, se intercambia por otro anion en la solución[5]. 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 existía en los suelos. El verdadero estimulo para las resinas orgánicas intercambiadoras se presento cuando Adams y Holmes[4] 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 Los primeros productos empleados en la industria como intercambiadores iónicos fueron las zeolitas inorgánicas de origen natural, como los silicatos de aluminio, que tener muy baja capacidad de intercambio por meros cubico del material. La siguiente mejoría consistió en la introducción de intercambiadores iónicos orgánicos, hecho a partir de productos naturales sulfonados como el carbón, la lignita y la turba, sin embargo , la 5 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). Mas del 80% de las resinas intercambiadoras se emplean para tratamientos de agua. La literatura que se refiere a la múltiples aplicaciones de los intercambiadores iónicos, es muy extensa[6]. Pueden escogerse para eliminar y purificar, por ejemplo uranio, itrio, de soluciones acuosas diluidas; para retirar impurezas de soluciones acuosas, como en el jarabe del azúcar para mejorar la cristalización, en la tecnología de alimentos, para catalizadores, o simplemente para secar solventes no polares. En el intercambio iónico, la fase sólida contiene grupos enlazados o unidos que portan una carga ionica, ya sea positiva o negativa, en combinación con iones libres de carga opuesta que se pueden desplazar. Los primeros intercambiadores iónicos fueron polímeros de silicatos inorgánicos de tipo microcritalino; zeolitas o arenas verdes, que se relacionaban con los tamices moleculares. A estos siguiendonlos carbones oxidados (carboxilados) o sulfonados, la mayoría de los intercambiadores iónicos en uso hoy en día se basan en resinas sintéticas, casi siempre poliestireno copolimerizado con divinilbenceno (para conferir la cantidad necesaria de enlaces cruzados); son permeables solo a dimensiones moleculares, excepto cuando se superponen deliberadamente una red de poros mas bastos. En la siguiente figura 3 se ilustra de manera esquemática la estructura molecular de un intercambiador en forma de iones de hidrogeno. Figura 3. Distribución estructural de los iones intercambiables iónico orgánico, sintético Las resinas para intercambio catiónico contienen por lo general, grupos enlazados al ácido sulfonico; en un grado menor, estos grupos pueden ser del tipo carboxilo, fosofonico, dosfinico, etc. Las resinas aniónicas comprenden grupos de amonio cuaternario (fuertemente básicos) u otros grupos amino (débilmente básicos). El intercambio iónico se expresa como una reacción reversible que comprende cantidades químicamente equivalentes; como ejemplo del intercambiador catiónico, se citara la reacción ya conocida para suavizar el agua: Ca + + ( aq ) + 2 Na + ( resina ) ⇔ Ca + + ( resina ) 2 + 2 Na + ( aq ) 6 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA O bien, Ca + + + 2 NaR ⇔ CaR2 + 2 Na + 3.4.1. En el proceso de intercambio con catión sodio Es el que se emplea en forma mas amplia para el ablandamiento del agua[7]. Durante el proceso de ablandamiento, los iones de calcio y magnesio son eliminados del agua dura por intercambio catiónico con los iones de sodio. Cuando la resina intrercambiadora a quitado los iones de calcio y magnesio prácticamente al limite de su capacidad, se regenera a su forma de sodio con una solución de sal en el intervalo 6 a 8 de pH. 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. Los intercambiador cationicos del ciclo del sodio o del hidrogeno para el ablandamiento del agua son, por lo general del tipo de resina sintética de estireno – divilbenceno sulfonado. Este tipo es excepcionalmente estable a temperaturas elevadas (hasta de 150°C) y en todo el amplio intervalo de pH, desde 0 hasta 14. Además, es un tip muy resistente a las condiciones de oxidación. 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. La capacidad en la practica de operación común no son tan elevadas. 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, la unidad de ablandamiento se pone temporalmente fuera de servicio; se le hace un lavado inverso para limpiar y reclasificar hidraulicamente las partículas de resina en el lecho; se le regenera con una columna de sal comun (cloruro de sodio), la cual elimina el calcio y el magnesio en forma de cloruros solubles y simultáneamente vuelve al intercambiador catiónico a su forma de sodio; y se le regresa al servicio ya listo para ablandar otro volumen igual de agua dura. Las reacciones de regeneración pueden indicarse como mediante el empleo de la sal (o ácido sulfúrico en un ciclo de hidrogeno): 7 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. Como sucede en casi todas las operaciones de sorcion, 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. Un exceso perpetuo de este ion durante la etapa de regeneración hará que el equilibrio de la reacción se invierta por si solo, restaurando a la resina a su condición inicial. El intercambio iónico entre electrolitos fuertes se desarrolla usualmente hasta que se agota casi por completo, la capacidad estequiomentrica del intercambiador, en consecuencia la capacidad del sorbante es mas o menos constante, sea cual fuera la composición de la solución tratada, se presenta una excepción aparentemente cundo se trata un ácidos o una bases débiles, ya sea en la resina o en la solución (o en ambas), en que la capacidad aparente de la resina puede ser mucho menor que su valor estequiometrico; un ejemplo de esto se observa en la eliminación incompleta del ácido silisico (H2SiO4) durante la etapa anionica de la desmineralización del agua. Se han sintetizado resina quelatantes de intercambio iónico que manifiestan una selectividad desacostumbradamente marcada hacia ciertos cationes. Existe una presentación comercial (Dowx A-1) de una matriz de poliestireno que contiene grupos imino – diacetato particularmente selectivo por cobre, níquel, cobalto y hierro. El equipo de ablandador de zeolitas se diseña para operar ya sea a flujo por gravedad o por presión, los suavizadores por gravedad se construyen en tanques rectangulares de concreto o tanques cilíndricos de acero, se emplea este tipo donde se requiera amplia capacidad, y por lo tanto una extensa área de lecho; tales ablandadores tiene la ventaja de ser rápidamente accesibles para inspección y mantenimiento. 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. Se lograra remover la dureza temporal y permanente[2] . 3.4.2. Tipos de resinas También se han desarrollado resinas de transferencia e electrones o de oxidación reacción, para llevar a cabo reacciones de oxido reducción. Algunas de esa índole incorporan grupos de hidroquinona a la estructura del polímero que sufre la oxidación reversible a quinona. Del mismo modo se han empleado poli (mercaptoestirenos) para el mismo fin. 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. También parecen ser apropiados para eliminar oxigeno de agua. Infiltración de un “gel” proporciona una separación basada en el tamaño molecular desarrollada con un sustrato liquido. Implica el uso de gránulos de un material permeable y sumamente sovlatado, como el que se unas en el diálisis de membrana, por ejemplo la celulosa. El granulo admite solutos “cristaloides” ya sea iónicos o moleculares, hasta de 10 o 15 angstroms de diámetro; 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, dejando sólido listo para reutilizarse. 8 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA Tabla 3. Propiedades físicas de materiales para el intercambio iónico Contenido de humedad (escurrido) (% por peso) Esponjamiento debido al intercambio (%) Capacidad de intercambio húmeda de nombre 0,4 0,6 0,5 0,5 1,2 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 5-5,8 1,3-1,7 7-8 1,4 3,2 Diasion SKI Allasion C; Dusarit; Permutit H-62 Cochranex CG. CRH; Zeo-Dur Cochranex CSL, Decalso Diaon SA21A Fuente: Perry 3.4.3. Proceso de intercambio catiónico con hidrogeno Se parece mucho al procedimiento con cation sodio, excepto en que las resinas intercambiara contienen un ion hidrogeno intercambiable y que se puede emplear para eliminar todos los cationes. 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, cuando se emplean el símbolo R para representar el radical orgánico del intercambiador, 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 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA 3.4.4. Regeneración con ácido sulfúrico Es el método mas usado y mas económico entre todos los métodos de regeneración. Las reacciones, en forma condensada, 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, 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, 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. Si se requiere desmineralización, se hace pasar a través de un material intercambiador de aniones. 3.4.5. intercambiador aniónicos Son de dos tipos de resinas, las fuertemente básicas o débilmente básicas. Ambos tipos eliminan ácidos fuertemente ionizados, como sulfúrico, el clorhídrico o el nítrico, pero solo los intercambiadores aniónicos fuertemente básicos eliminan tanto los ácidos débilmente ionizados, como el silicato y el carbónico. Las reacciones que siguen el intercambio aniónico de un ácido fuertemente ionixado, 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, con carbonato de sodio y e ocasiones con hidróxido de amonio. Los sistemas de intercambio de iónicos escogidos varían de acuerdo con: • El volumen y composición de las aguas crudas. • Los requerimientos de la calidad del efluente para diferentes empleos. • Costos comparativos del capital y de operación Como el ablandamiento de zeolitas depende de reemplazar iones sodio y potasio por calcio y magnesio, la regeneración puede efectuarse por cualquiera de las sales de sodio o 10 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA potasio. El cloruro de sodio sin embargo, es comúnmente usado porque es bajo en costos y obtenible en forma comercial y rápida en la mayor parte de las áreas. 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. La cantidad de sal para regenerar el material cambiador de iones, excede gradualmente al requisito teórico de 75,82 gramos por 1 Kg de dureza removida, calculada como carbonato de calcio. Este proceso es necesario a causa de la mayor afinidad de la zeolita por el calcio y magnesio que por el sodio, lo que al regenerar la zeolita requiere “acción de masa” para sobreponer este factor. La eficacia de regeneración de la zeolita y otras resinas cambiadoras de iones, se define como los gramos de regenerante por Kg. De iones removidos. En el uso de arena verde natural y zeolitas sintéticas para suavizar agua, fue común durante muchos años emplear 0,227 Kg de sal por Kg de dureza removido. Mejores materiales y proceso condujeron a una mejoría en la eficiencia obteniéndose 0,136 Kg por Kg en algunos casos. El nivel de regeneración, esto es, los Kg de regeneración por metro cubico de zeolita, varían considerablemente de las zeolitas arenosas verdes a las resinas de alta capacidad que se usan en ciclo de sodio. (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. El tipo de material de intercambio. 2. El grado de dureza: las aguas mas duras requieren para su regeneración, un consumo mayor de sal de la necesidad de aguas de baja o dureza media. 3. La efectividad de la distribución de la sal en el lecho. 4. Procedimiento para economizar sal, aplicables a algunos tipos de materiales de zeolita. 5. Ablandamiento y regeneración incompletas, 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. El uso mas extenso de este proceso es el ablandamiento de aguas residuales domesticas, en los que los iones sodicos de la resina catiónica de intercambio sustituyen los iones de calcio y magnesio presentes en el agua, reduciendo por lo tanto su dureza. Para la reducción de los sólidos disueltos totales, es necesario utilizar tanto resinas de intercambio aniónico como resinas de intercambio catiónico. Primeramente, el agua residual se hace circular a través de un intercambiador de catiónies, en el que los iones positivos se sustituyen por los iones hidrogeno. El efluente del intercambio catiónico se hace pasar por una resina de intercambio iónico, proceso en que los iones aniónicos se sustituyen por iones hidróxilo. Por lo tanto, los sólidos en suspensión se sustituyen por iones hidrogeno e hidróxilo que reaccionan para formar moléculas de agua. Los intercambiadores iónicos suelen ser del tipo de columna con flujo descendente. El agua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presión, circula en sentido descendente a través del lecho de resina, y se extrae por la parte inferior, cuando se agota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo de lavado a contracorriente para eliminar los sólidos atrapados y proceder a la posterior regeneración. 11 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA La resina de intercambio catiónico se regenera con un ácido fuerte, como el sulfuro o el clorhídrico. El regenerador de resinas aniónicas mas comúnmente empleados es el hidróxido de sodio. La desmineralización por intercambio iónico puede tener lugar en diferentes columnas de intercambio dispuestas en serie, si bien resinas se pueden mezclar en un único reactor. Las elevadas concentraciones de sólidos en suspensión en el agua que entra en las unidades de proceso pueden taponar los lechos del intercambio iónico, provocando grandes pérdidas de carga y rendimientos ineficaces. La obturación de las resinas puede venir producida por la presencia de materia orgánica residual en los efluentes de tratamiento biológicos. Antes de la desmineralización por intercambio iónico, es necesario llevar a cabo alguna forma de tratamiento químico y de decantación. No todos los iones disueltos se eliminan por igual: cada resina de intercambio iónico se caracteriza por una serie selectiva, y algunos de los iones del final de la serie tan solo se eliminan parcialmente. En las aplicaciones de reutilizacion, la reducción de los sólidos suspendidos hasta un nivel aceptable se podría conseguir con el tratamiento de parte del agua por intercambio iónico, seguida de la mezcla con agua no intercambió iónico alguno. 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, o las aplicaciones practicas o comerciales de ellas. Investigaciones y desarrollos subsecuentes han confirmado la exactitud de algunas observaciones y conclusiones siguientes: 1. El descubrimiento de los iones calcio y magnesio pueden ser removidos al pasar a través de algunas clases de suelos, ha sido confirmado. 2. Ciertos iones son mas fáciles de ser removidos que otros, y los iones se intercambian en iones equivalentes. 3. Los silicatos de aluminio son los materiales activos responsables del intercambio de iones. 4. La velocidad del intercambio es menor, tanto por la influencia del coeficiente de temperatura, como los requeridos por la reacción química verdadera. 5. Las propiedades del intercambio iónico se destruyen al calentar el material. 6. El intercambio de iones no es debido a la absorción física. 7. El material cambiador de iones puede ser producido sintéticamente mediante la combinación de silicatos solubles y compuestos de aluminio. Los intercambiadores iónicos mas usado son las resinas procedentes del ácido estire sulfonico, cuyo peso molecular es 180 y de formula CH4 = CH–C6H4 -SO3 H, que viene en la practica en forma de esferas, o perlas, con un contenido aproximado de 50% de agua. (Vergara Yayon, 1984). Durante los comienzos del intercambio iónico el proceso fue utilizado únicamente para suavizar por remoción de calcio y magnesio y en menor grado, del hierro y manganeso. El nombre aceptado para el tratamiento fue “suavización por zeolitas”. El termino zeolitas (zein y lithos) significan “piedra que hierve”. Los proceso de intercambio iónico usados en la purificación de aguas incluyen en intercambiador de ion sodio, generalmente descritos por ablandamiento de zeolitas de sodio; intercambiador de ion hidrogeno, o de ablandamiento por zeolitas de hidrogeno, usualmente empleado en combinación con ablandamiento con zeolitas de sodio e intercambiador aniónico, que 12 PROGRAMA DE POSGRADO “INGENIERIA AMBIENTAL” QUIMICA DEL AGUA generalmente sigue al intercambio de iones hidrogeno para efectuar desmineralización o desionización, pero también aplicado a la remoción de iones específicos como en la desalcalinización. El ablandamiento con zeolitas de sodio, para el agua de proceso, alimentación de calderas y uso domestico, es la forma en que el intercambiador iónico ha sido mas ampliamente familiar. Este tratamiento sirve bien para presentar los conceptos y fenómenos fundamentales del intercambio iónico. La suavización con zeolitas de sodio, el proceso básico, 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. El intercambio tiene lugar rápidamente, de tal manera que el agua cruda, a su paso por el lecho de zeolita, pueda ser ablandada casi completamente, independientemente de las variaciones en dureza. El calcio y magnesio serán removidos de cualquiera de sus sales en solución, como bicarbonatos, sulfuros, cloruros, etc. (Sheppard T. Powell) 4. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. VERGARA YAYON FRANCISCO (1984) “Tratamiento de Aguas Industriales”, Kavin Editores S.A., Lima Perú. 2. SHEPPARD T. POWELL (1987) “Manual de Aguas para Usos Industriales”, Editorial Limusa S.A. Mexico. 3. JOHN H. PERRY (1980) “Manual del Ingeniero Químico”, Unión Tipográfica Editorial Hispano- Americana, México. 4. Soc. Chem. Ind. London Chem. Eng. Group Proc. 54 1-6T; Aden, Water Purification by Ion Exchange, Plenum. New Yor, 1968. 5. NcGraw-Hill Encycloedia of Science and Technology, VOL 14, NcGraw-Hill, New York, 1997, p. 415. 6. METCALF Y EDDY (1995) “Ingeniería de Aguas Residuales”, MacGraw, Ing, España. 7. Gol and Calmon, ion Exchange, Present, Needs and Trends, AIChE Symp. Ser., vol. 76 no. 192, p. 60, 1980, a review with 106 references. 8. USO DE INTERNE 9. M.Sc. OMAR ARCE GARCÍA (2003) “ Texto proporcionado en la materia de Química del agua” 13