Ingeniare. Revista chilena de ingeniería

ABLANDAMIENTO DE AGUA MEDIANTE INTERCAMBIO IÓNICO

WATER SOFTENING BY ION EXCHANGE

Marco Caquisane Belmar

1

Enviado 04 de noviembre del 2014

Sent: November 04, 2014

RESUMEN

El presente artículo muestra los resultados de la realización de un proceso de ablandamiento de agua

hecho por distintos grupos, todos utilizando el mismo equipo pero a distintos caudales. La idea

principal es cuantificar la “dureza” (cantidad de minerales en el agua, en este caso carbonatos de

calcio) que posee el agua potable de Arica, para esto se utilizó el método de intercambio iónico

tabulando todos los datos que se obtenían para luego graficar, dando como resultado varias curvas

tipo bañera. Como cada grupo utilizó un caudal distinto en el ablandamiento cada curva es distinta,

teniendo todo esto es posible saber que caudal es el más óptimo para obtener el mejor rendimiento en

el proceso de ablandamiento. Luego se realiza la cuantificación de la dureza del agua directamente de

la llave de paso sin tratar, y así obtener el valor principal con el cual poder comparar el agua tratada.

Palabras clave: Dureza, Intercambio iónico, Agua potable, Carbonato de calcio.

ABSTRACT

This paper show the results of the execution about water softening process made by different groups,

all using the same equipment but different flow, the principal idea is quantify the hardness (numbers of

minerals in the water, in this case only calcium carbonate) having the drinking water in Arica, for

this was used the ionic exchange tabulating all data and finally plot, obtaining various curves. Like all

groups used different flow, each curve was different. With all this, is possible know who flow is the

optimum for obtain a better efficiency in the process of softening. Is realized after the quantification of

water hardness directly from the stopcock without a treatment, and then obtain the principal value to

compare the treated water.

Keywords: Hardness, Ionic exchange, Drinking water, Calcium carbonate.

1 Universidad de Tarapacá/ Escuela universitaria de ingeniería mecánica (EUDIM). Arica, Chile.

E-mail:marco.caquisane.belmar@outlook.com

INTRODUCCIÓN

La dureza del agua potable es algo que se

encuentra en las aguas de todo Chile, aunque no

se encuentran consideradas dentro de la norma

chilena de agua potable (NCH409/2005) se

entra en un debate al momento de decidir si

deben ser agregadas o no, ya que no existen

estudios que demuestren su negatividad en la

salud humana, incluso se encuentran relaciones

inversas entre la dureza del agua y problemas

cardiacos (aunque con la información que existe

hasta el momento no es suficiente para tener

conclusiones), las principales razones por las que

se le baja la dureza al agua es por el sabor que

esta poseerá al final, ya que a mayor dureza esta

posee un sabor más desagradable al gusto de los

consumidores finales (también encontrándose un

sabor desagradable para un agua demasiado

blanda según los mismos consumidores), y que

bajo cierto límite (100mg de carbonatos de

calcio por litro) podría resultar corrosiva para las

tuberías de ciertos metales, como cobre, cromo,

zinc y cadmio [1]. Otro principal uso es para el

uso industrial, ya que los depósitos en las

tuberías dañan ciertas máquinas y bajan el

rendimiento de otras.

Caquisane Belmar: Ablandamiento de agua mediante intercambio iónico

Para bajar la dureza del agua existen varios

métodos, dos son los más utilizados; Osmosis

inversa e intercambio iónico, siendo este último

el importante para este artículo. El intercambio

iónico es un proceso en el cual se intercambian

iones entre un líquido y un intercambiador, en

este caso resina, bajando así el nivel de

carbonatos de calcio presente en el agua.

ANÁLISIS TEÓRICO

Antes de empezar la experiencia del intercambio

iónico se debe regenerar la resina en caso de no

ser completamente nueva, esto se realiza

haciendo circular agua con un porcentaje de sal

en dirección opuesta al flujo de ablandamiento

de agua (regeneración con flujo desde abajo

hacia arriba del tubo con resina, y ablandamiento

de arriba hacia abajo del mismo). Con esto listo

se hace pasar el agua de la llave (acumulada en

un pequeño estanque a un caudal definido para

cada grupo) por la resina y se van sacando

muestras de 50ml cada 200ml

Las respectivas velocidades por grupo son

Caudal

Grupo ml/s

G1 0,8

G2 0,9

G3 1,0

G4 1,1

G5 1,2

G6 1,3

G7 1,4

G8 1,5

G9 1,6 Tabla N°1 “Caudales por grupo”

El número de muestras a tomar será hasta que la

resina se sature completamente, algo fácil de

observar ya que una vez saturada la resina no

podrá seguir ablandando el agua y las muestras

irán aumentando la dureza. Cuando se observe

este cambio se termina la experiencia.

Los datos por grupo son los siguientes:

Q PPM

ml G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9

250 15 5 22 2 63 3 6 10 18

500 7 3 7 1 8 3 5 5 10

750 6 2 6 2 3 3 3 6 3

1000 5 1 3 3 4 2 3 5 4

1250 4 1 3 2 2 2 3 3 2

1500 3 0 3 2 2 3 2 3 3

1750 4 1 3 2 1 3 2 3 3

2000 3 1 2 2 2 3 2 4 3

2250 3 1 2 2 2 4 2 3 3

2500 4 2 2 2 3 5 2 4 4

2750 5 1 2 2 3 8 3 4 4

3000 6 1 2 3 3 12 33 4 6

3250 - 2 2 3 3 15 4 6 7

3300 7 - - - - - - - -

3500 - 2 2 4 8 23 6 8 12

3550 8 - - - - - - - -

3750 - 2 3 8 8 31 10 10 14

3800 21 - - - - - - - -

4000 - 3 4 9 13 55 12 12 18

4050 26 - - - - - - - -

4250 - 4 5 13 15 70 15 17 25

4500 - 6 5 17 23 - 26 24 -

4750 - 8 8 - 27 - 34 35 -

5000 - 11 10 - - - 41 - -

5250 - - 17 - - - - - -

5500 - - 17 - - - - - -

Tabla N°2 “Datos de cada grupo”

La unidad PPM o Partes Por Millón es

equivalente a mg/L que es la unidad utilizada en

todos los rangos encontrados.

Con los datos de los dos cuadros que se observan

se arman los gráficos de volumen de agua vs

dureza para cada velocidad utilizada, esto queda

como se ve a continuación:

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería

Grafico N°1 “Curvas de volumen vs dureza para cada caudal”

Grafico N°2 Acercamiento de la curva anterior a la zona mas homogenea

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería

Es posible saber con esto que la mejor velocidad

para el tratamiento del agua es de 0,9 ml/s ya

que alcanza los más bajos resultados y se

mantiene con volúmenes de agua mucho

mayores que las demás velocidades

Como dato principal se realiza la medición de la

dureza del agua sin tratar (sacada directamente

de la llave)

Dureza [ppm] 780

Capacidad de la resina

Volumen de resina:

L=30[cm]

D=22,5[mm]

e=5[mm]

El volumen de agua tratada es la que se

encuentra en la zona donde se mantienen los

niveles de dureza de forma casi constante, por

ejemplo:

Para un caudal de 0,9 ml/s

Los volúmenes son:

Inicial: 500ml

Final: 4000 ml

Este valor se refiere a la cantidad de agua que la

resina puede ablandar (en ml) por cada ml de

resina utilizada.

Aplicando el mismo concepto de capacidad de la

resina a cada caudal de cada grupo, se puede

hacer una nueva tabla

Caudal Rangos Vol. C resina

ml/s ml ml

0,8 2500-1250 1250 33,95

0,9 4000-500 3500 95,06

1,0 3750-1000 2750 74,69

1,1 3250-250 3000 81,48

1,2 3250-750 2500 67,90

1,3 2000-250 1750 47,53

1,4 2750-750 2000 54,32

1,5 3000-1250 1750 47,53

1,6 2750-750 2000 54,32 Tabla N°3 Capacidades de la resina según caudal

CONCLUSIONES

La dureza del agua, o mejor dicho la cantidad de

minerales que posee el agua potable en Chile,

debería encontrarse regulada bajo la norma

NCH409/2005 “Calidad del agua potable”

aunque esta detalla cantidades máximas que

puede poseer el agua de turbiedad, sustancias

químicas, elementos radioactivos, etc. no

especifica que tan “dura” puede ser, de hecho no

existe en Chile algo que especifique la dureza

permitida en el agua potable, solo existen como

referencia los rangos dados por la OMS[1] y el

límite máximo entregado es basado solamente en

el gusto del consumidor (500[mg/l] o 500[ppm]).

La OMS no da recomendaciones a los países ya

que no existe nada que pruebe su efecto en la

salud, esto fue aceptado por Ministerio de Salud

de Chile, y por esta misma razón es que no

existen tales regulaciones

Aunque se diga que la dureza no hace mal para

la salud humana, para uso industrial sus efectos

son muy dañinos, son muy pocos los casos

donde el agua no se deba tratar antes de ser

usada, por esto se busca el mejor método para el

ablandamiento donde se desea la menor dureza

posible, idealmente 0[ppm.]

Aquí se observa que por el método de intercambio

iónico se alcanza una gran reducción de la dureza,

partiendo de 780[ppm] de dureza en el agua, y se

reduce en el mejor caso a 1[ppm], no se toma en

cuenta el valor 0[ppm] por ser solo 1 valor y no

Caquisane Belmar: Ablandamiento de agua mediante intercambio iónico

mostrar tendencia. Este resultado ocurre a un

caudal de 0,9 [ml/s], algo que dista un poco del

resultado esperado, ya que según la teoría a menor

velocidad el intercambio debería ser más

eficiente, cosa que no ocurrió ya que con el menor

caudal de 0,8[ml/s] los resultados se encuentran

entre los mayores de todos los grupos, por lo que

se podría suponer que no realizaron bien la

limpieza del equipo al momento de cuantificar la

dureza. Lo mismo para el grupo 7 que de golpe la

dureza sube de 3 a 33[ppm] para en el siguiente

valor volver a la normalidad.

Con estos datos se observa que el intercambio

iónico es un gran método para el ablandamiento

del agua, aunque el mayor problema sea quizás

la velocidad de ablandamiento, ya que para tener

un mejor resultado se necesitan bajos caudales lo

que en una empresa puede no ser posible por la

velocidad de trabajo de las demás maquinas que

dependen de esto, para este problema es que

existe otro método que es también muy conocido

(que solo se nombró al inicio), el de osmosis

inversa donde el agua pasa por una membrana

que deja pasar a través de ella solo agua pura y

no los carbonatos, la gran diferencia entre uno y

otro que el proceso de osmosis inversa requiere

de un gran consumo energético para aumentar la

presión del agua, a diferencia del intercambio

iónico donde igualmente se utiliza una bomba

pero solo para que haya flujo y no gran aumento

de presión. Por esto al menos este método del

intercambio iónico es excelente cuando la

velocidad no es una variable importante en el

proceso total, ya que además los precios de la

resina no son muy altos.

REFERENCIAS

[1] Organización Mundial de la Salud. “Guías

para la calidad del agua potable”. Primer

apéndice de la tercera edición Vol. 1.

Recomendaciones. p. 305.

ISSN 92 4 154696 4

[2] Norma Chilena Oficial “NCH409/1.2005”.

Parte 1, Requisitos.