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Métodos de regeneración de una columna de intercambio iónico

Introducción

La mayoría de las resinas de intercambio iónico se usan en columnas. El proceso

de intercambio es una operación discontinua: una etapa de agotamiento, y una

etapa de regeneración de las resinas agotadas. Hay dos métodos principales de

regeneración:

En la regeneración dicha en co-corriente, los liquídos pasan de arriba

abajo durante la etapa de agotamiento y también durante la etapa de

regeneración.

En la regeneración de flujo inverso (dicha en contra-corriente), los fluidos

pasan alternativamente de arriba abajo y de abajo arriba en las fases de

agotamiento y de regeneración.

También se encuentran en esta página informaciones sobre la cantidad de

regenerantes (ratio de regeneración), sobre regeneración en série y sobre los tipos

y concentraciones de los regenerantes.

Véase también la página sobre capacidad.

Regeneración en co-corriente (CFR)

Esta técnica es la más antigua: la solución de tratar pasa de arriba abajo, y la

solución de regeneración pasa en la misma dirección.

La regeneración en co-corriente no es óptima, porque las resinas fuertemente

ácidas y fuertemente básicas no están convertidas totalmente en forma H+ o OH-

respectivamente al finalde la regeneración: una conversión completa necesitaría

cantidades excesivas de regenerantes. Resulta que las capas inferiores del lecho

de resina son mal regeneradas, mientras las capas superiores son muy bien

convertidas. Al principio de la fase siguiente de agotamiento, la fuga iónica es alta

porque los iones no eliminados en la parte baja de la columna son desplazados

por iones H+ (o OH—) producidos por el intercambio en la parte superior.

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La zona oscura en la imagen de arriba representa la proporción de resina

agotada y la zona amarilla clara la de resina regenerada. La imagen de la derecha

muestra lo que quiero decir: por ejemplo, al nivel A en la columna, la resina está

50% agotada y 50% regenerada. Por encima de la zona de intercambio, la resina

es totalmente agotada, y por debajo, totalmente regenerada (en esta imagen).

En una regeneraciíon en co-corriente, la única manera de reducir la fuga

permanente es aumentar la cantidad de regenerante para dejar una proporción

menor de resina agotada en la parte baja de la columna al final de la regeneración.

Regeneración en contra-corriente (RFR)

Un término más apropiado sería flujo inverso puesto que la resina no se mueve.

No obstante, la expresión común es contra-corriente. En este caso, la solución

regenerante pasa a través de la columna en la dirección opuesta del agua (o de la

solución) de tratar. Hay dos casos distintos de regeneración en contra-corriente:

1. Agotamiento de arriba abajo y regeneración de abajo arriba, como en los

sistemas de bloqueo del lecho por aire o por agua, o en los procesos de

lecho compacto UFDTM y UpcoreTM.

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2. Agotamiento de abajo arriba y regeneración de arriba abajo, como en los

sistemas de lechos flotantes o AmberpackTM.

En todos los casos de regeneración en contra-corriente, no es preciso que el

regenerante empuje los iones cargados en la resina a través de todo el lecho,

puesto que basta rechazarlos de donde vinieron. Las capas de resina menos

agotadas están regeneradas en primer lugar y tendrán el mejor grado de

conversión al principio de la fase de agotamiento siguiente:

Lo mismo en el caso de agotamiento de abajo arriba y regeneración de arriba

abajo (lechos flotantes):

La regeneración en contra-corriente proporciona dos ventajas decisivas:

1. El agua — o la solución — de tratar tiene una calidad mucho mejor que en

el caso de co-corriente, debida a una fuga iónica pequeña.

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2. La cantidad de regenerante necesaria es menor, porque los iones

contaminantes no tienen que ser "empujados" a través de todo el lecho de

resina, y la calidad del agua tratada es casi independente de la cantidad de

regenerante.

Calidad del agua tratada

Al final de una regeneración en co-corriente, la capa de resina menor regenerada

es la de donde sale el agua tratada, mientras que en contra-corriente la zona de

salida es la mejor regenerada. Resulta que en co-corriente los contaminantes de la

parte baja de la columna "huyen" en el agua tratada, especialmente al principio del

ciclo, debido a un efecto de auto-regeneración. En contra-corriente, todos los

iones se eliminan en la capa de resina inmediatamente inferior.

El gráfico siguiente muestra la fuga típica medida durante la fase de agotamiento.

Puede representar por ejemplo la conductividad en µS/cm pero también la fuga de

calcio en ablandamiento o de sílice en desmineralización. La fuga obtenida con

una regeneración en contra-corriente es en general muy baja e independiente de

la cantidad de regenerante utilizada. En co-corriente, fugas bajas necesitan un

consumo grande de regenerante.

¡No esponjamiento en contra-corriente!

Las ventajas de la regeneración en contra-corriente están basadas en el arreglo

de las capas de resina en la columna. Estas capas no deben ser perturbadas, y

la resina mejor regenerada se debe encontrar siempre al final de la columna de

donde sale el agua tratada. Por tanto, el lecho de resina no se contralava antes

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de la regeneración, y debe permanecer compactado, sin fluidificación. Por

consiguiente, o las columnas están totalmente llenas de resina sin espacio libre

(lechos compactos), o el lecho de resina se bloquea por encima con una presión

de aire o de agua durante la inyección del regenerante y el desplazamiento para

que no se fluidifique. Véase la página (en inglés) "ion exchange columns" con más

detalles.

Etapas de la regeneración

El procedimiento general de regeneración de una columna de resina es el

siguiente:

1. Contralavar el lecho de resina con un flujo ascendente de agua (¡solo co-

corriente!) para eliminar las materias en suspensión acumuladas en la

superficie del lecho.

2. Introducir el regenerante diluido en agua de calidad apropiada. El caudal de

regeneración es bajo, de manera que el tiempo de contacto sea de 20 a 40

minutos en general.

3. Desplazar el regenerante con agua de dilución al mismo caudal.

4. Lavar el lecho de resina con agua bruta hasta obtener la calidad esperada

de agua tratada.

Este procedimiento es válido para la mayoría de los sistemas de intercambio

iónico con una sola resina, tales como ablandamiento, descarbonatación o

eliminación de nitratos. Resinas quelatantes necesitan a veces dos regenerantes

succesivos.

En desmineralización, se regenera en primer lugar el intercambiador de cationes

con un ácido fuerte, luego el intercambiador de aniones con sosa cáustica. Se

pueden también regenerar ambos intercambiadores simultáneamente.

Lechos mezclados

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La regeneración de un lecho mezclado es más complicada, con las etapas

siguientes:

1. Contralavar el lecho de resinas para separar hidráulicamente la resina

intercambiadora de cationes y la resina intercambiadora de aniones (la cual

tiene una densidad menor).

2. Dejar el lecho asentarse.

3. Opcionalmente, bajar el nivel de agua hasta a superficie del lecho.

4. Introducir la sosa diluida en agua desmineralizada y extraerla por el colector

intermedio.

5. Desplazar la sosa con agua de dilución.

6. Introducir el ácido diluido en agua desmineralizada por el colector

intermedio y sacarlo por debajo.

7. Desplazar el ácido con agua de dilución.

8. Bajar el nivel de agua hasta la superficie del lecho de resinas.

9. Mezclar las resinas con aire comprimido limpio o con nitrógeno.

10. Llenar la columna lentamente con agua.

11. Hacer el lavado final con agua bruta al caudal de producción hasta obtener

la calidad deseada.

Nota 1: En el caso que no exista un distributor de sosa, esta "llueve" sobre la

superficie del agua. Eso puede crear una dilución adicional, y la distribución de la

sosa no es tan uniforme que con un distributor dedicado.

Nota 2: Ambas resinas se pueden regenerar simultáneamente para ganar tiempo.

De lo contrario, empezar siempre con la resina intercambiadora de aniones.

Nota 3: En tratamiento de condensados, los lechos mezclados se regeneran

generalmente en una instalación externa.

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Ratio de regeneración

Definición:

Introducción

El ratio — o cociente, o tasa — de regeneración se calcula dividiendo la

cantidad total de regenerante (expresada en equivalentes) por la carga

iónica total (también en equivalentes) fijada en la resina durante un ciclo.

Este valor es también igual al número de equivalentes de regenerante por

litro de resina dividido por la capacidad útil de la resina en eq/L.

Un ratio teórico de 1.00 (100 %) correspondría a la cantidad

estequiométrica.

Todas las resinas necesitan cierto exceso de regenerante encima de la

cantidad estequiométrica.

Ejemplo

Amberjet 1000

Regeneración con 55 g HCl por litro de resina

Capacidad útil: 1.20 eq/L (calculada con los folletos técnicos de la resina)

55 g/L HCl = 55/36.5 = 1.507 eq/L

Ratio de regeneración = 1.507/1.20 = 1.26 = 126 %

Exceso

Llamamos exceso de regenerante la diferencia entre la cantidad de regenerante

(en eq) y la carga iónica:

Exceso [en eq] = regenerante [eq] - carga iónica [eq]

Exceso [en %] = 100 x (ratio de regeneración – 1)

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Rendimiento de regeneración

Es el inverso del ratio de regeneración. Este número es siempre menor que 1,0 (<

100 %):

Rendimiento [en %] = 100 x (eq de carga iónicqa / eq de regenerante)

El ratio de regeneración de 126 % de nuestro ejemplo corresponde pues a un

rendimiento de 79,3 %.

Valores minimales (usamos aquí las abreviaturas en inglés)

Los intercambiadores de cationes débilmente ácidos (WAC) necesitan una

cantidad de ácido apenas mayor que el valor estequiométrico. Por

seguridad se toma un ratio de 105 a 110 %.

Los intercambiadores de aniones débilmente básicos (WBA) necesitan 115

a 140 %, porque la mayoría de estas resinas tienen una proporción de

grupos fuertemente básicos.

Regeneradas con amoníaco o con carbonato de sodio, las resinas WBA

necesitan un ratio de regeneración de 150 a 200 %. Estos regenerantes

solo se pueden emplear con resinas débiles, no con resinas fuertas.

Las resinas fuertemente ácidas (SAC) y fuertemente básicas (SBA)

precisan de un exceso más grande que las débilmente ácidas (WAC) y

básicas (WBA).

Las resinas SAC y SBA regeneradas en co-corriente necesitan más

regenerante que en contra-corriente.

Las resinas fuertemente ácidas (SAC) regeneradas con ácido clorhídrico

necesitan un ratio mínimo de 110 %, pero un valor de 120 % es

aconsejable. Cuando el agua bruta tiene valores altos de dureza o bajos de

alcalinidad, hay que aumentar el ratio.

Las resinas SAC regeneradas con ácido sulfúrico precisan de un exceso

más grande que las regeneradas con clorhídrico. La cantidad de H2SO4 (en

eq/L) tiene que ser por lo menos 40 % más alta que la de HCl (en eq/L).

Con resinas intercambiadoras de aniones fuertemente básicas no es fácil

estimar valores mínimos, puesto que dependen del tipo de la resina

empleada (estirénica de tipo 1 o de tipo 2, acrílica o bifuncional).

Nota importante: Cuando se calcula el ratio de regeneración de las resinas

fuertemente básicas, se debe averiguar que haya siempre 2 equvalentes de

sosa cáustica por equivalente de CO2 y de SiO2 cargados en la resina.

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Las parejas WAC/SAC se pueden regenerar con un ratio global de 105 %

aproximadamente.

Las parejas WBA/SBA se pueden regenerar con un ratio global de 110 a

120 %. No obstante, hay que aumentar la cantidad de sosa cuando la

concentración de sílice en el agua bruta es alta.

El ratio de regeneración para sílice (resinas SBA) tiene que ser por lo

menos 800 %, debido a la difícil elución de la sílice en concentración

elevada. Se calcula esta cantidad mínima de sosa dividiendo la cantidad de

NaOH (en eq) por la carga de sílice (en eq) fijada en a resina durante un

ciclo. Un equivalente de sílice corresponde a 60 g como SiO2.

Regeneración en serie

Con parejas de resinas (una débil, una fuerte) hay que aplicar las tres reglas

siguientes:

1. El agua de tratar debe pasar primero por la resina débil, luego por la resina

fuerte.

2. La solución de regeneración debe pasar primero por la resina fuerte, luego

por la resina débil.

3. Las resinas deben permanecer siempre separadas.

o En dos columnas distintas

o En lechos estratificados

o En columnas de dos compartimentos (AmberpackTM y similares)

Columnas separadas en producción

Columnas separadas en regeneración

¿Porqué es así?

1. La resina débil tiene una capacidad útil alta y se regenera fácilmente, pero

no elimina todos los iones del agua bruta. Por lo tanto, debe estar ubicada

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en primera posición, y la resina fuerte eliminará todos los iones no

eliminados en la resina débil.

2. La resina fuerte necesita un gran exceso de regenerante, mientras que la

resina débil casi no necesita exceso. El regenerante pasa pues por la resina

fuerte, y es el exceso de sosa (o de ácido con resinas intercambiadoras de

cationes) que regenera la resina débil.

3. Si se mezclan las resinas, ambos efectos 1 y 2 se pierden.

Las imágenes de arriba representan una regeneración en co-corriente ("modo

antiguo") de columnas separadas. Las imágenes que siguen muestran el caso de

una columna de tipo Amberpack de dos cámaras.

Amberpack en producción

Amberpack en regeneración

Los argumentos de arriba valen también para parejas de resinas de intercambio

de cationes.

Tipos y concentraciones de los regenerantes

Tipos de Regenerantes

El cloruro de sodio (NaCl) se emplea normalmente para regenerar las

resinas fuertemente ácidas usadas en ablandamiento, y las resinas

fuertemente básicas en la eliminación de nitratos.

En ablandamiento, el cloruro de potasio (KCl) puede también emplearse

cuando la presencia de sodio en la solución tratada es indeseable.

En ciertos procesos de tratamiento de condensados muy calientes, el

cloruro de amonio (NH4Cl) se puede utilizar también.

En la eliminación de nitratos, la resina fuertemente básica se puede

regenerar con otros compuestos que producen iones de cloruro, tales como

el ácido clorhídrico (HCl).

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En el proceso de descationización — la primera etapa de una

desmineralización — la resina fuertemente ácida (SAC) se debe regenerar

con un ácido fuerte. Los regenerantes más comunes son el ácido

clorhídrico y el ácido sulfúrico.

o El ácido clorhídrico (HCl) es muy eficaz y no produce precipitados

en el lecho de resina.

o El ácido sulfúrico (H2SO4) es más fácil de transportar y almacenar y

a veces más barato, pero es menos eficaz que el clorhídrico: la

capacidad útil de la resina SAC es menor. Además, su concentración

se debe ajustar precisamente para impedir la precipitación de sulfato

de calcio en la resina (detalles abajo). Una vez precipitado en la

columna, CaSO4 es muy difícil disolver de nuevo.

o El ácido nítrico (HNO3) se puede también emplear, por lo menos en

principio, pero no es recomendado, porque puede producir

reacciones muy exotérmicas, hasta explosiones. Por lo tanto, hay

que considerar el ácido nítrico como peligroso.

En descarbonatación, lo mejor es regenerar la resina débilmente ácida

(WAC) con ácido clorhídrico (HCl). El sulfúrico se debe aplicar a

concentraciones muy bajas (< 0,8%) para que no precipite sulfato de calcio.

La cantidad de agua de dilución es por lo tanto muy grande. Otros ácidos

más débiles pueden también regenerar resinas WAC, por ejemplo el ácido

acético (CH3COOH) o el ácido cítrico, una molécula con tres grupos —

COOH: (CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH = C6H8O7). ¿Quieren ver la

fórmula del ácido cítrico en 3 dimensiones?

En desmineralización, las resinas fuertemente básicas se regeneran

siempre con sosa cáustica (NaOH) aunque la potasa cáustica (hidróxido

de potasio KOH) es otra opción, pero en general más cara.

Las resinas débilmente básicas (WBA) se regeneran en general también

con sosa cáustica, pero otras bases más débiles se pueden emplear:

o El amoníaco (NH4OH)

o El carbonato de sodio (Na2CO3)

o Leche de cal (hidróxido de calcio, Ca(OH)2) en suspensión

En general, resinas WAC (débilmente ácidas) se pueden regenerar con un ácido

que tiene un pKa más bajo que él de la resina misma. El pKa de la mayoría de las

resinas WAC es de 4,4 hasta 4,8. El ácido acético (pK 4,8) puede justo regenerar

estas resinas, el ácido cítrico es eficiente, pero el ácido carbónico no vale. En la

mayoría de los casos, no obstante, se usan HCl o H2SO4 que son más baratos.

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En general, resinas WBA (débilmente básicas) se pueden regenerar con un alcalí

que tiene un pKa más alto que él de la resina misma. El pKa de las WBA

estirénicas vale aproximadamente 8,5 y el de las acrílicas 9,5. El amoníaco (pK

9,3) ppyede entonces regenerar las WBA estirénicas. En la mayoría de los casos,

no obstante, se emplea NaOH que es barata y de uso más cómodo.

Las resinas SAC (fuertemente ácidas) y SBA (fuertemente básicas) se pueden

regenerar solo con un ácido o una base fuerte respectivamente.

Concentraciones

Las concentraciones usuales son:

NaCl (ablandamiento y eliminación de nitratos): 10 %

HCl (descationización, descazrbonatación y desmineralización): 5 %

NaOH (desmineralización): 4 %

H2SO4: con resinas fuertemente ácidas, se debe ajustar la concentración

del ácido sulfúrico con mucho cuidado entre 0,7 y 6 % según la proporción

de calcio en el ague bruta (la cual es la misma en la resina). Con resinas

débilmente ácidas, la concentración es en general 0,7 %. Una

concentración demasiado alta puede resultar en precipitados de sulfato de

calcio.

Con resinas fuertemente ácidas (SAC) la regeneración se hace

generalmente en varias etapas, dichas concentraciones progresivas.

Empeza con una concentración baja de ácido sulfúrico, y luego se aplica

una concentración más alta una vez eluida la mayor parte de los iones de

calcio. Una tercera etapa se aplica a veces con una concentración aún más

alta. La primera concentración es en general entre 1 y 2 %, y la segunda

concentración es doble. De tal manera se puede reducir el volumen de

agua de dilución, la regeneración es más eficaz y la capacidad útil más alta.

En ciertos casos se emplean concentraciones diferentes de las de arriba, muchas

veces más bajas, raramente más altas.

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Calidad del agua para regenerar

La calidad de agua de utilizar en cada etapa de la regeneración se encuentra (en

inglés o francés) en una página separada.

Neutralización de los regenerantes

Véase otra página (en inglés) sobre el método de neutralización de los vertidos de

regeneración.

Guía para la regeneración de resinas de intercambio

La regeneración de las resinas de intercambio iónico es el proceso inverso del

proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad devolverle a la resina de

intercambio iónico su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza haciendo

pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la

resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento.

Para la regeneración de las resinas de intercambio iónico se usa:

Sal común (cloruro de sodio) para regenerar resinas catiónicas de ácidos

fuertes.

Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para

regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos

débiles.

Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de

bases fuertes y resinas aniónicas de bases débiles.

Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico.

Luego de tiempo de trabajo las resinas de intercambio iónico deben ser cargada

nuevamente por lo que es necesario tener presente lo siguiente:

Los retrolavados deben efectuarse por un tiempo mínimo de 15 minutos,

pudiendo prolongarse hasta 60 minutos en caso que se quiera eliminar

finos que estén ocasionando altas caídas de presión, durante la producción

de agua desmineralizada. Se debe tener cuidado de no tener velocidades

altas o retrolavados excesivos, que provocan altas pérdidas de resinas. De

suceder esto muestrear y determinar que porcentaje de los finos pasa malla

50 USA o 0.3 mm y la humedad de la resina.

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El regenerante de las resinas aniónicas fuertes debe ser pasado en un

tiempo no menor de 30 minutos y el 15 al 30 % regenerante se debe

descartar antes de su ingreso al intercambiador de resina aniónica débil,

para evitar que en ella se formen depósitos de sílice.

Los flujos de retrolavados deben ser de 25 m3/m2/hr (25 m/hr).

El enjuague lento o transferencia debe ser de 1 a 2 m3 de agua/ m3 de

resina/ hora (el gasto debe ser igual al pase de la solución regenerante).

El enjuague rápido debe hacerse entre 16 a 40 m3/m3 de resina/hora.

Para la dilución de las soluciones regenerantes debe usarse agua tratada.

Para el enjuague de las resinas aniónicas debe usarse agua tratada, en

cambio para las resinas catiónicas puede usarse agua sin tratar (agua

potable).

Los retrolavados se realizan generalmente con agua sin tratar (agua

potable).

Cuando los retrolavados terminan con conductividad mayor de 9 uS/cm, se

debe prolongar esta operación por 10 a 20 minutos.

El consumo de hidróxido de sodio (soda caústica) debe estar entre 50-60

Kg de NaOH al 100%, por cada m3 de resina aniónica fuerte.

Cuando el calcio es más del 50 % del total de cationes, y cuando se usa

ácido sulfúrico en la regeneración de las resinas catiónicas, se forma sulfato

de calcio que puede precipitar por estar en exceso al límite de solubilidad.

Se evita la precipitación usando una primera etapa más diluida de ácido

sulfúrico (menor de 15 gr/l: menor de 1.5 %) y/o una mayor velocidad de la

solución regenerante.

Durante la regeneración de resinas de intercambio iónico se deben realizar

los siguientes controles:

1. Concentración de la solución de soda caústica a dosificar a las resinas

aniónicas

2. Concentración de la solución de ácido, en cada paso de la dosificación a las

resinas catiónicas.

3. Gasto total de ácido

4. Gasto total de soda usada para la regeneración

5. Control del punto final en las resinas catiónicas y aniónicas.