J Conceptos Básicos Intercambio Iónico

Transcripción

1 Conceptos Básicos Intercambio Iónico

2 INDICE Introducción Impurezas del Agua Intercambio Iónico Tipos de Resinas Propiedades de Resinas de IEX

3 PROGRAMA DE SOPORTE TÉCNICO Charlas Técnicas Análisis de Resinas Solución de Problemas de Operación Simulaciones de Operación de Plantas (Diseño/Optimización) Apoyo en diseño de Nuevas Plantas o Expansiones

4 Acerca de Dow Ventas de $58 billones en 2008 y 46,000 empleados en todo el mundo, Dow es una empresa química diversificada, que combina el poder de la ciencia y la tecnología con el poder del Elemento Humano para mejorar constantemente lo que es escencial para el progreso de la humanidad. Dow proveé productos y servicios a los clientes en 160 países, conectando la química y la inovación con los principios de sustentabilidad para dar soluciones de todo tipo, desde agua limpia, alimentos, la induastria farmacéutica, pinturas, empaques y productos de cuidado personal. En Abril 1 del 2009, Dow adquiere a Rohm and Haas, una empresa global de especialidades, con ventas de $10 billones en 2008 y 15,000 empleados a nivel mundial. Mayor información puede ser encontrada en

5 Sirviéndole a usted en todo el mundo Midland, Michigan, USA Edina, Minnesota, USA Spring House, Pennsylvania, USA Rheinmuenster, Germany Stade, Germany Fombio, Italy Tarragona, Spain Chauny, France Shanghai, China Huzhou, China Soma, Japan

6 Productos con verdadero rendimiento para el usuario final Medios ADSORBSIA Módulo de ultrafiltración de DOW Módulos de OI FILMTEC Resinas de IX DOWEX AMBERLITE AMBERJET AMBERPACK AMBERSEP AMBERLYST Módulo de EDI DOW

7 IMPUREZAS DEL AGUA Sólidos suspendidos (Turbidez) Arcillas, algas, plancton y microorganismos. Materia orgánica disuelta (DQO) Ácidos orgánicos (húmico, gálvico) taninos y ligninos Gases disueltos O 2, CO 2 Sólidos disueltos (TDS) Dureza, Alcalinidad, Compuestos de Sodio y Potasio, Dióxido de silicio SiO 2 Compuestos de Fe y Mn

8 IMPUREZAS DEL AGUA Métodos de Remoción Evaporación / Destilación Membranas (UF/RO) Precipitación Química (Cal en frío/caliente) Intercambio Iónico

9 IMPUREZAS DEL AGUA Métodos de Remoción (Reseña Histórica) 1818 Intercambio Iónico en Silicatos de Aluminio presentes en el suelo Primeros intentos de suavización con Silicatos de Aluminio. (Zeolitas) 1935 se observa fenómeno en resinas sintéticas se fabrica la primera resina sintética (Catiónica con matriz estirénica) aparecen las primeras resinas acrílicas resinas macroreticulares.

10 IMPUREZAS DEL AGUA Sales Minerales Disueltas CATIONES Dureza (Ca +2, Mg +2 ) Incrustaciones Metales (Fe +2, Mn +2, Cu +2 ) Depósitos, corrosión Sodio y Potasio Sales muy solubles ANIONES Alcalinidad (HCO 3-, CO 3-2 ) Se degradan en calderas como NaOH Afectan propiedades de productos alimenticios, bebidas, licores etc. Sulfatos, Cloruros, Nitratos Solubilidad depende del catión Sílice Incrustaciones vítreas Depósitos en álabes de turbinas

11 IMPUREZAS DEL AGUA Sales Minerales Disueltas Bicarbonato de Calcio Sulfato de Magnesio Cloruro de Sodio Nitrato de Potasio Silicato de Sodio Totales en agua potable entre 20 to 500 mg/l Ca 2+ Mg 2+ HCO 3 Na + Cl K + Na + HSiO 3 SO 2 4 NO 3

12 IMPUREZAS DEL AGUA Elementos Traza Aluminio Hierro Cobre Plomo Fluor Cu 2+ Fe 3+ Al 3+ Fe 2+ Presentes en concentraciones < 5mg/l F Pb 2+

13 IONES CATIONES (Carga positiva) ANIONES (Carga negativa) H + Hidronio OH - Hidroxilo Na + Sodio Cl - Cloruro Mg+2 Magnesio K + Potasio HCO 3 - Bicarbonato Ca +2 Calcio SO 4-2 Sulfato

14 INTERCAMBIO IÓNICO Definición Es el intercambio reversible de iones de la misma carga y en cantidades equivalentes que ocurre entre un sólido (resina) y un líquido basado en una escala de selectividad. 2R (Na + ) + Ca ++ R 2 (Ca +2 ) + 2Na + R + (OH ) + Cl R + (Cl ) + OH

15 INTERCAMBIO IÓNICO Selectividad de las Resinas Catiónicas Ca +2 Mg +2 Na + H + + Aniónicas SO 4-2 Cl - HCO 3 - SiO 2 OH - La Selectividad incrementa con la Carga Al +3 > Ca +2 > Na + SO4-2 > Cl - La Selectividad Incrementa con el Número Atómico Ba +2 > Sr +2 > Ca +2 > Mg +2 Br - > Cl - > F -

16 TIPOS DE RESINAS Forma Física AMORFAS: Matriz fenólicas GEL: Esferas 0.5 mm diámetro promedio estructura continua. Retículo polimérico MACRORETICULARES: Esferas 0.5 mm diámetro promedio, Estructura discontinua

17 TIPOS DE RESINAS Estructura G G G G G G G G G G G G G G Matriz polimérica Agente de entrecruzamiento (Divinil Benceno) Grupo funcional (intercambiador de iones)

18 GEL TIPOS DE RESINAS Estructura Física MACRORETICULAR Fase continua, sin poros Alta capacidad intercambio Estructura rígida Uso en condiciones normales Menos costosas Fase discontinua, porosa Más Divinilbenceno Mayor resistencia mecánica y química Menor capacidad de intercambio Pulimento condensados, aguas agresivas Más costosas

19 TIPOS DE RESINAS Catiónica Fuerte (SAC) -[SO 3 ] - Na + -[SO H + 3 ] - Grupo funcional aniónico: Sulfónico Intercambian cationes Remueven todo catión disociado en solución Transforma toda sal en cantidad equivalente del ácido correspondiente. NaCl HCl CaSO 4 H 2 SO 4 MgHCO 3 H 2 CO 3 Baja eficiencia de regeneración: consumen de 2 a 3 veces la cantidad estequiométrica

20 TIPOS DE RESINAS Catiónica Fuerte (SAC) [SO 3 ] - Na + SUAVIZACIÓN (Regenerada con NaCl) [SO 3 ] - H + LECHO PRIMARIO PARA DESMINERALIZACIÓN (Regenerada con Ácido)

21 TIPOS DE RESINAS Catiónica Débil (WAC) Grupo funcional: ácido débil Carboxílico [COO - ] H + Solo remueven cationes asociados a la alcalinidad Usadas en desalcalinización Más capacidad y eficiencia en regeneración que las catiónicas fuertes (una vez la cantidad estequiométrica) Usadas precediendo a las catiónicas fuertes para disminuir carga iónica a éstas y ahorrar regenerantes CaHCO 3 H 2 CO 3 MgHCO 3 H 2 CO 3 NaOH H 2 O [COO - ]H + SUAVIZACIÓN (Regenerada con Ácido)

22 TIPOS DE RESINAS Aniónica Fuerte (SBA) Grupos funcionales: Aminas cuaternarias (muy alcalinas) Remueven todos los aniones disociados en solución incluyendo Bicarbonatos y Sílice Baja eficiencia de regeneración: de 2 a 3 veces la cantidad estequiométrica Se subdividen en dos categorías: Tipo I: más alcalina, mejor remoción de Sílice. Tipo II: menos alcalina, más capacidad, menor estabilidad química y térmica. Menor remoción

23 TIPOS DE RESINAS Aniónicas CH 3 + [NR 3 ] + OH - CH 3 + -N-CH 3 OH - CH 3 -N-CH 2 -CH 2 -OH CH 3 OH- Tipo I Mejor Estabilidad Química Excelente Remoción de Sílice Tipo II Capacidad de Operación Alta Sensible a la temperatura Pobre Remoción de Sílice

24 TIPOS DE RESINAS Aniónica Débil (WBA) Grupos funcionales: Aminas terciarias Solo remueven ácidos fuertes como HCl y H 2 SO 4 No remueven H 2 CO 3 ni H 2 SiO 4 (Sílice) Usadas en desionización precediendo a las fuertes para ahorrar regenerantes Más resistentes al envenenamiento orgánico. Protegen a las fuertes CH 2 N(CH 3 ) 2 CH 2 NH 2

25 TIPOS DE RESINAS Matriz Estirénica Fabricadas a partir de polimerización de Estireno con Divinilbenceno. H H H HC=CH CH 2 C CH 2 C CH 2 C HC=CH Poliestireno Divinilbenceno

26 TIPOS DE RESINAS Matriz Estirénica CH CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH CH [SO [SO 3 ] - H + 3 ] - H + CH 2 CH CH 2 CH 2 CH CH [SO 3 ] - H + [SO 3 ] - H + [SO 3 ] - H + [SO 3 ] - H + CATIONICA FUERTE (Amberlite IR-120)

27 TIPOS DE RESINAS Matriz Acrílica OH - [N(CH 3 ) 3 ] + [N(CH 3 ) 3 ] + OH - C 2 H 6 NH C=O CH C 2 H 6 NH C=O CH CH 2 CH CH 2 CH 2 CH 2 CH CH CH 2 2 ANIONICA FUERTE (Amberlite IRA-458)

28 TIPOS DE RESINAS Grupo Funcional CATIÓNICAS FUERTES Grupo funcional: Sulfónico DEBILES Grupo funcional: Carboxílico FUERTES TIPO I Grupo funcional: Aminas cuaternarias ANIÓNICAS FUERTES TIPO II Grupo funcional: Aminas 2º y 3º DEBILES Grupo funcional: Aminas 3º

29 PROPIEDADES DE RESINAS IEX CAPACIDAD DE INTERCAMBIO TOTAL: Número total de grupos funcionales activos por unidad de peso (Capacidad en base seca) o por unidad de volumen (Capacidad en base húmeda). CAPACIDAD OPERATIVA: Capacidad obtenida en la práctica en las plantas industriales. Diferencia entre la capacidad al inicio del ciclo y remanente al final del ciclo de producción. Siempre menor que la Capacidad Total UNIDADES: Equivalentes/litro Miliequivalentes/litro Gramos CaCO 3 /litro Granos/p 3 Kgrano/p 3

30 PROPIEDADES DE RESINAS IEX Factores que afectan la capacidad de intercambio Tipo, concentración y cantidad de regenerante Tipo de regeneración (Co o contra-corriente) Naturaleza y contenido mineral del agua a tratar Velocidad de flujo a través de la resina. Temperatura del regenerante. Profundidad de lecho de resina.

31 PROPIEDADES DE RESINAS IEX Afectación de las Resinas TÉRMICA Hidrólisis y pérdida de los grupos funcionales por altas temperaturas MECÁNICA Rompimiento físico de la perla OSMÓTICA Diferencia de concentraciones de iones interna y externa causa presión interna. Rompimiento de la perla. QUÍMICA Agentes oxidantes atacan Divinilbenceno produciendo hinchamiento y deformación

32 PROPIEDADES DE RESINAS IEX Nivel de Entrecruzamiento Porcentaje de Divinilbenceno respecto a la cantidad total de monómero presente en la polimerización A mayor porcentaje (%) de Divinilbenceno: Mayor rigidez Mayor resistencia a agentes oxidantes Mayor resistencia mecánica. Golpes de ariete Menor resistencia al choque osmótico

33 PROPIEDADES DE RESINAS IEX Tamaño de las Partículas Compromiso entre la velocidad de la reacción de intercambio iónico y los flujos de operación. Partícula pequeña Partícula grande Capacidad Alta Baja Enjuague Corto Extenso Caída presión Alta Baja Flujo Bajo Alto