Intercambio hico

Las operaciones de intercambio inico son bsicamente reacciones qumicas de sustitucin entre un electrolito en solucin y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solucin. El mecanismo de estas reacciones y las tcnicas utilizadas para lograrlas son tan parecidos a los de adsorcin que, para la mayora de los fines de Ingeniera, el intercambio inico puede considerarse simplemente como un caso especial de la adsorcin.

El intercambio inico es un proceso que se utiliza para la eliminacin de cationes y/o aniones dependiendo del uso que se le d al agua a tratar, en forma especfica puede ser:

Desmineralizado: Esta agua se le eliminan los minerales o sales para obtener agua con baja conductividad utilizando principalmente resinas de intercambio inico. Deionizado: Esta agua es aquella a la cual se le quitan los cationes como sodio, calcio, hierro, cobre y otros y aniones como el carbonato, fluoruro, cloruro etc.

Algo de historia guio

Orgenes del intercambiador inico El tratamiento de agua por absorbentes slidos tales como la arena es tan viejo como la civilizacin misma.

Que materias filtrantes eran usadas para purificacin de mar o de aguas contaminadas, es mencionado en el Antiguo Testamento y conocido desde tiempos de Aristteles.

El estudio de los problemas inherentes a la agricultura, especialmente al considerar la fijacin de los elementos nutrientes por el suelo condujo a investigaciones importantes y con ellas al descubrimiento de las propiedades de estas tierras en la absorcin e intercambio de sustancias por la misma.

Del estudio de las arenas y suelos responsables de la absorcin nacieron las primeras zeolitas utilizadas en ablandamiento y reactivadas con soluciones de salmuera.

Usando la fusin de caoln y la arena en un horno o ms tarde por la utilizacin de mtodos de precipitacin, se desarrollaron materiales sintticos de intercambio del tipo silcico.

Este tipo de intercambiador tuvo la desventaja de ser atacado por soluciones de pH agresivo o que contuvieran poca slice, por lo que su uso fue limitado al ablandamiento.

Ms tarde fueron descubiertos depsitos de gluconita o arenas verdes, que fueron usados en intercambio catinico gracias a sus caractersticas particulares. La aparicin de cambiadores orgnicos marca una nueva etapa de rpida avanzada en la produccin de intercambiadores.

El ataque con cido sulfrico a carbones o lignitos elegidos por su resistencia mecnica o alto contenido de materias voltiles condujo a la aparicin de compuestos polifuncionales con radicales carboxlicos y sulfnicos. Posteriormente a estos aparecen las resinas de fenol-formaldedo, casi completamente abandonadas y solo usadas espordicamente en la actualidad.

Finalmente los ms modernos mtodos de fabricacin han producido las resinas poliestirnicas obtenidas gracias a una copolimerizacin del estireno y del divinilbenceno efectuada en emulsin con formacin de las clsicas esferas y sulfonacin posterior.

Asimismo la fabricacin de resinas con grupos carboxlicos lleva a la aparicin de los intercambiadores catinicos dbiles, de uso limitado pero de gran capacidad de intercambio y bajos consumos de regenerante.

Con las resinas aninicas dbiles, y medianamente fuertes, se logra la absorcin de los cidos fuertes libres provenientes de una decationizacin previa, obtenindose gracias a esta resina la resolucin de un nmero considerable de los problemas de desmineralizacin parcial.

Fundamentos

Una reaccin de intercambio inico es aquella en la cual un tomo o una molcula que han ganado o perdido un electrn, y que por lo tanto adquiere una carga positiva o negativa, se intercambia por otra partcula de igual signo pero de naturaleza diferente. Esta ltima partcula inicialmente est ligada a la superficie de un cuerpo slido inerte y pasa a solucin y su lugar es ocupado por otra partcula que queda retenida (temporalmente) en la superficie del polmero o soporte. Este soporte slido puede ser una zeolita natural o un polmero sinttico, aunque en la actualidad por su mayor capacidad de intercambio y menor costo, casi siempre se emplea una resina sinttica. Una reaccin de intercambio en una resina puede ser representada de la siguiente manera:

R es la fase estacionaria o soporte (el copolmero de divinilbenceno) y Na+ y Ca+2 son las especies que reaccionan.

En esta reaccin qumica, el calcio Ca+2 se intercambia por su equivalente que son dos iones sodio Na+ Qumicamente esta reaccin es de intercambio o desplazamiento y el grado o extensin en que se lleva a efecto tal reaccin depende de factores tales como: temperatura, pH, concentracin de la especie en solucin y naturaleza del in.

Tipos de resinas de intercambio inico

Resinas catinicas de cido fuerte: Las resinas catinicas fuertemente acdicas derivan su funcionalidad de los grupos cidos sulfnicos. Estos intercambiadores catinicos de cido fuerte funcionan a cualquier nivel de pH, dividen todas las sales, y requieren una cantidad sustancial de regenerante. Esta es la resina que se escoge para casi todas las aplicaciones de suavizado y como primera unidad en un desmineralizador de dos lechos.

Resinas catinicas de cido dbil: Las resinas catinicas dbilmente acdas contienen grupos carboxlicos como sitios de intercambio. La resina es altamente eficiente, ya que es regenerada con casi 100% de la cantidad estequiomtrica de cido, comparado con el 200% a 300% requerido para los cationes de cido fuerte. Las resinas catinicas dbiles estn sujetas a una menor capacidad por un aumento en la velocidad de flujo, temperaturas bajas, y una proporcin entre la dureza y la alcalinidad menor de 1.0. Se utilizan muy efectivamente en combinacin con una resina catinica de cido fuerte que funciona en forma de hidrgeno, ya sea en configuracin de lecho separado o lecho estratificado. En ambos casos, el agua influyente se pone en contacto con la resina catinica de cido dbil donde se eliminan los cationes que estn asociados con la alcalinidad. Los cationes restantes son eliminados por la resina catinica de cido fuerte. La resina catinica de cido dbil es regenerada con el cido de desecho de la unidad de cido fuerte, proporcionando un arreglo muy econmico.

Resinas aninicas de base fuerte: Las resinas aninicas de basicidad fuerte derivan su funcionalidad de los sitios de intercambio de amonio cuaternario. Los dos grupos principales de resinas aninicas de base fuerte son las de Tipo 1 y Tipo 2, dependiendo del tipo de amina que se utiliza durante el proceso de activacin qumica. Qumicamente, los dos tipos difieren en el tipo de especie de sitios de intercambio de amonio cuaternario que exhiben: los sitios de Tipo 1 tienen tres grupos de metilo; en los de Tipo 2, un grupo de etanol reemplaza a uno de los grupos de metilo.

Las resinas de Tipo 1 son adecuadas para la eliminacin total de aniones en todas las aguas. Son ms difciles de regenerar y se hinchan ms al pasar de la forma de cloruro a la de hidrxido que las de Tipo 2. Son ms resistentes a altas temperaturas y deben ser usadas en aguas de alta alcalinidad y alto contenido de silicio. Las resinas de tipo 2 tambin presentan la eliminacin de todos los aniones, pero pueden ser menos efectivas en eliminar el silicio y dixido de carbono de las aguas donde estos cidos dbiles constituyen ms del 30% del total de aniones.

Los aniones de Tipo 2 brindan mejores resultados en aguas que contienen predominantemente cidos de minerales librescloruros y sulfatoscomo en el efluente de una unidad de catin seguida por un descarbonador. Las resinas de Tipo 2 que funcionan en forma de cloruro son tpicamente usadas en desalcalinizadores.

Resinas aninicas de base dbil: Las resinas aninicas de basicidad dbil contienen el grupo funcional de poliamina, que acta como adsorbedor de cido, eliminando los cidos fuertesacidez de mineral librede la corriente del efluente de cationes. Esta resina dbilmente ionizada es regenerada de manera eficiente por cantidades de base casi estequiomtricastales como el hidrxido de sodioque restauran los sitios de intercambio a la forma de base libre. El paso de regeneracin es esencialmente una neutralizacin de los cidos fuertes que son recolectados en la resina y puede usar desechos custicos de una unidad aninica de base slida para realzar la economa. Las resinas aninicas dbiles deben ser usadas en aguas con niveles elevados de sulfatos o cloruros, o donde no se requiera la eliminacin de la alcalinidad y del silicio.

Los intercambiadores inicos se clasifican segn el tipo de iones a retener.

Los iones presentes en el agua estn divididos en aniones y cationes.

Los aniones principales son: Carbonatos CO3= (*) Bicarbonatos CO3H- (*) Sulfatos SO4= Cloruros Cl- Nitratos NO3- SiO3H- Slice

Los cationes principales son: Sodio Na+ Potasio K+ Calcio Ca++ (#) Magnesio Mg++ (#) Hierro Fe++ (#) Manganeso Mn++ (#)

(*) Estos elementos a veces se denominan como alcalinidad.

(#) Estos elementos constituyen la dureza.

Existen por lo tanto intercambiadores catinicos (destinados a retener o intercambiar cationes) y aninicos (destinados a los aniones).

Los distintos tipos de intercambiadores que es posible encontrar son: Zeolitas Carbones sulfonados Catinicos fuertes Catinicos dbiles Aninicos dbiles Aninicos medianamente bsicos Aninicos fuertes tipo I Aninicos fuertes tipo II