ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IONICO

ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IONICO

El intercambio iónico es un proceso químico que consiste en la remoción de los iones indeseables de una agua cruda transfiriéndolos a un material sólido llamado intercambiador iónico, que los acepta y cede un número equivalente de iones de una especie deseable, que se encuentran almacenados en el esqueleto del intercambiador de iones.

las aplicaciones en la potabilización del agua son:

• Ablandamiento - separación de iones de calcio (Ca) y magnesio (Mg) • Desmineralización - separación de parte de todos los iones del agua• Separación del catión amonio (NH4+) del agua • Cambiador de ion-catión para la separación de metales pesados

Todas las aguas naturales contienen sustancias extrañas en pequeñas cantidades. El agua del río, del pozo, del grifo en su casa, no es solo H2O, sino contiene:

Sustancias sólidas insolubles, como arena o fragmentos vegetales. En principio se pueden filtrar. Compuestos solubles, que generalmente no se ven y no se pueden filtrar. Estos compuestos tienen un origen mineral u orgánica, pueden ser ionizadas (cargadas eléctricamente) o no.

Los compuestos solubles no ionizados existen en el agua en la forma de moléculas de tamaño y de fórmula variables, por ejemplo:

El gas carbónico (las burbujas de su agua con gas) es una molécula pequeña con una fórmula sencilla: CO2.

El azúcar (sacarosa) es una molécula más grande con fórmula complicada abreviada C12H22O11. No obstante, los azúcares no se fijan en resinas intercambiadoras de iones.

Si desea eliminar del agua estas sustancias extrañas, lo puede hacer con intercambio iónico, siempre que sean ionizadas.

Las sustancias solubles ionizadas disueltas en agua están presente como iones, que son átomos o moléculas llevando cargas eléctricas. Los iones con carga positiva se llaman cationes, los con carga negativa aniones. Puesto que el agua es globalmente neutral eléctricamente — si no lo fuese, sufriríamos un choque eléctrico cuando sumergimos nuestra mano en el agua — el número de cargas positivas y negativas debe ser exactamente igual.

Los iones pueden llevar una carga o más, generalmente entre 1 y 3. Los iones pueden ser un átomo solo (iones monoatómicos) o una combinación de varios átomos juntos (poli atómicos), como moléculas.

Ejemplos:

Un catión monovalente monoatómico: el ion sodio Na+ Un catión divalente de un monoatómico: el ion calcio Ca++ Un catión monovalente poli atómico: el ion amonio NH4

+ Un anión monovalente monoatómico: el ion cloruro Cl– Un anión monovalente poli atómico: el ion nitrato NO3

– Un anión divalente poli atómico: el ion carbonato CO3

= Un anión divalente poli atómico complejo: el ion cromato CrO4

= El catión trivalente monoatómico aluminio Al+++ no existe sino en soluciones muy ácidas, no en agua "normal". No hay aniones di o trivalentes monoatómicos en agua normal.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES IÓNICOS

Los intercambiadores de iones pueden ser:

Intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes).(son generalmente metales )

Intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa (aniones). (son generalmente no metales )

Anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo.

SUSTANCIAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

Las sustancias de intercambio iónico presentan determinada selectividad o afinidad influenciada por las propiedades de las sustancia, los iones intercambiados, la solución en la cual están presentes los iones, la magnitud de la carga y el tamaño de los iones.

Las sustancias intercambiadores se clasifican en:

origen naturales arcillas zeolitas , resinas naturales y permutitas.

sintéticos resinas sintéticas, carbónsulfonado.

Los intercambiadores de iones suelen contener resinas de intercambio iónico porosas o en forma de gel, zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo.

Tipos de Resina

Resinas catiónicas

Resinas aniónicas

•Fuertes

•Débiles

•Fuertes

•Débiles

En la parte superior de la imagen se muestra resina catiónica, en la parte inferior aniónicas.

Resina mono esfera.Se aprecia como el tamaño de las esferas es similar.

Resina no mono esférica. El tamaño de las esferas es irregular.

Tipos de resinas de intercambio iónico

Las resinas de intercambio iónico pueden ser de los siguientes tipos:

a. Resinas catiónicas de ácido fuerte ( funcionan a cualquier PH )Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio.

Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio, etc.) por intercambio con hidrógeno.

b. Resinas catiónicas de ácidos débiles: (No son funcionales a pH bajos.) eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos

c. Resinas aniónicas de bases fuertes: eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos.

d. Resinas aniónicas de base débil: (No se puede utilizar a pH altos. ) eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros.

Representación esquemática de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones.

Los iones fijos de la resina intercambiadora de cationes son sulfonatos (SO3

–) atados al esqueleto. los iones móviles son cationes sodio (Na+).

Los grupos activos son aquí amonio cuaternario, es decir cationes, representados por la fórmula N+R3; una fórmula más precisa sería CH2-N+-(CH3)3. Los iones móviles de la resina intercambiadora de aniones son aquí iones cloruro (Cl—).

¿ Que son las sales ?

Las sales (también llamadas minerales) son sustancias formadas por cristales microscópicos, los cuales a su ves se componen de partículas aun mucho mas pequeñas llamadas iones. Las sales se forman por la unión de aniones y cationes, los cuales se atraen mutuamente debido a que sus cargas son opuestas. Consecuentemente la sal termina siendo eléctricamente neutra, es decir sin carga neta.

¿Qué tipos de sales se venden para ser usada en los procesos de ablandamiento?

Para ablandar el agua, tres tipos de sales se venden generalmente:- sal de roca- sal solar- sal evaporada

La sal de roca como mineral ocurre naturalmente en la tierra. Es obtenida de depósitos subterráneos por métodos tradiciones de minería. Contienen entre el noventa y ocho y noventa y nueve por ciento de cloruro de sodio. Tiene un nivel de insolubilidad en agua de cerca de 0,5-1,5% siendo principalmente sulfato cálcico. Su componente más importante es sulfato de calcio.

La sal solar como producto natural se obtiene principalmente con la evaporación del agua de mar. Contiene cloruro de sodio al 85%. Tiene un nivel de insolubilidad en agua de menos de 0,03%. Se vende generalmente en forma cristalina. También se vende a veces en pelotillas.

La sal evaporada se obtiene a través de procesos de minería de depósitos subterráneos que contienen la sal, esta sal se disuelve. La humedad se evapora, usando energía como es el gas natural o el carbón. La sal evaporada contiene cloruro de sodio entre un 99,6 y 99,99%.

¿Qué se denomina agua dura?

Cuando un agua es referida como agua “dura” esto simplemente significa, que contiene más minerales que un agua normal Esta es una expresión común que representa principalmente las sales de calcio y de magnesio. En ciertas condiciones, estas sales pueden precipitar y formar depósitos (sarro), que se ven en la hervidora de su cocina, y también pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en calderas. El ablandamiento de agua es la eliminación de esta dureza: los iones Ca++ y Mg++ que forman el sarro se intercambian por iones Na+ que son mucho más solubles y no precipitan.

EFECTOS DE LA ALTA DUREZA EN ACCESORIOS Y TUBERÍAS

EFECTOS Y CONSECUENCIAS DE LA ALTA DUREZA EN ACCESORIOS Y TUBERÍAS

CLASIFICACION DEL AGUA POR SU DUREZA

Agua Suave 0-150 ppmAgua Poco Dura 150-250 ppmAgua Dura 250-600 ppmAgua Excesivamente Dura Mas de 600 ppm

¿Qué es el ablandamiento del agua?

El ablandamiento del agua es una técnica que sirve para eliminar los iones que hacen a un agua ser dura, en la mayoría de los casos iones de calcio y magnesio. En algunos casos iones de hierro también causan dureza del agua. Iones de hierro pueden también ser eliminados durante el proceso de ablandamiento. El mejor camino para ablandar un agua es usar una unidad de ablandamiento de aguas y conectarla directamente con el suministro de agua.

El intercambiador iónico es una técnica que permite intercambiar iones entre un liquido y un solido (este solido es el “intercambiador”). Es solido es llamado resina ,y hay de dos tipos: las resinas catiónicas, que intercambian cationes, y las anionicas, que como su nombre lo indica, intercambia aniones. Para el ablandamiento de aguas, se utilizan resinas de intercambio catiónico, ya que se desean remover los cationes Ca++ y Mg++ quedaran retenidos en la resina. De allí el nombre de la técnica, los iones son ligeramente intercambiados.

Para ablandar agua se toma una resina intercambiadora de cationes en la cual los iones móviles dentro de la resina son sodio (Na+) y se pasa el agua a través de una columna llenada con esta resina en forma sodio. Los iones de dureza Ca++ et Mg++ entran en las perlas de resina, y cada uno de estos iones produce la salida de dos iones de sodio.

las perlas de resina son inicialmente cargadas con iones de sodio (Na+). Cada ion de calcio o de magnesio que penetra en la resina es reemplazado por dos iones que salen. Los aniones del agua — no representados en esta figura — no pueden entrar en la resina, porque serían rechazados por los aniones sulfonato fijos (SO3

—) que forman los grupos activos de la resina.

Ablandamiento (intercambio de sodio) en una resina

Desmineralización

Si cambiamos todos los cationes disueltos en el agua por iones H+ y todos los aniones por iones OH—, esos se van a recombinar para producir nuevas moléculas de agua. Para conseguir esto, necesitamos una resina intercambiadora de cationes en la forma H y una resina intercambiadora de aniones en la forma OH. Todos los cationes y aniones del agua se intercambian y el resultado neto es una desaparición completa de las impurezas ionizadas.

Se ve que un ion calcio Ca++ entrando en la resina causa la salida de dos iones H+, mientras un ion Na+ se intercambia por un ion H+.

Descationización (todos los cationes reemplazados por H+).

Estos iones H+ y OH– se recombinan instantáneamente y producen nuevas moléculas de agua:

Los contaminantes ionizados están ahora en las dos resinas (Na, Ca y Mg en el intercambiador de cationes, Cl, SO4 y HCO3 en el intercambiador de aniones), y el agua ha sido completamente desmineralizada. Su salinidad es ahora casi nada, solo unos iones escapados de las columnas de resina, que llamamos globalmente fuga iónica.

Al final del proceso de intercambio, las perlas de resina han eliminado todos los cationes y aniones presentes en el agua y liberado una cantidad equivalente de iones H+ y OH–. Las resinas son casi completamente agotadas .

Estos iones H+ y OH– se recombinan instantáneamente y producen nuevas moléculas de agua:

Na+: SodioCa++ : CalcioMg++ : Magnesio

Cl- : CloruroSO4 : SulfatoHCO3 : Bicarbonato

Las resinas son agotadas.Iones H+ y OH– fueron liberados en el agua.

REGENERACION

Una vez agotadas las resinas, se pueden regenerar a su forma inicial para reanudar la operación de intercambio. Así, el intercambio iónico es un proceso cíclico y no continuo.

CATIÓN ANIÓN=========================================Fierro Fe+3 Cromato CrO4

-2

Aluminio Al+3 Sulfato SO4-2

Plomo Pb+2 Sulfito SO3-2

Bario Ba+2 Fosfato PO4-2

Estroncio Sr+2 Tiocianato CNS-

Cadmio Cd+2 Cianato CNO-

Níquel Ni+2 Nitrato NO3-

Zinc Zn+2 Nitrito NO2-

Cobre Cu+2 Yoduro I-

Fierro Fe+2 Bromuro Br-

Manganeso Mn+2 Cloruro Cl-

Calcio Ca+2 Cianuro CN-

Magnesio Mg+2 Bicarbonato HCO3-Potasio K+ Silicato HSiO3

-

Amonio NH+ Hidróxido OH-

Sodio Na+ Fluoruro F-

Hidrógeno H+

Litio Li+

A B C

EQUIPOS PARA ABLANDAMIENTO DE AGUAA: EQUIPO COMERCIALB: EQUIPO INDUSTRIALC: EQUIPO DOMÉSTICO

EQUIPO INDUSTRIAL AUTOMATIZADO DE ALTA CAPACIDAD, PARA ABLANDAMIENTO DE AGUA

ETAPAS DE LOS ABLANDADORES DE AGUA