GENERALIDADES SOBRE EL INTERCAMBIO IÓNICO CONCEPTOS INTRODUCTORIOS IDRECO SUDAMERICANA SA Seminario de Agua y Energía, Rosario 25 y 26 de Septiembre de 1990
GENERALIDADES SOBRE EL INTERCAMBIO IÓNICO CONCEPTOS INTRODUCTORIOS IDRECO SUDAMERICANA SA Seminario de Agua y Energía, Rosario 25 y 26 de Septiembre de 1990 Ing. Ricardo E. Pauer Gerente de Proyecto El porqué del intercambio iónico El agua, tal como se nos presenta en la naturaleza posee características que por razones económicas, operacionales, técnicas o psicológicas no puede ser empleada directamente. La existencia de turbiedad, olores, colores, sales, gases en solución, sólidos disueltos o dispersos, materia orgánica, etc., obliga al acondicionamiento de la misma previa a su utilización. Son bien conocidos los efectos producidos por las incrustaciones debidas a dureza permanente o temporaria, por la precipitación de sales de calcio y magnesio que impiden la transferencia de calor y el paso de fluidos aumentando asimismo el costo de la energía necesaria en la conducción de los mismos. Altos niveles de dureza crean problemas en el lavado de la ropa y para el aseo personal, lo que se traduce en un cierto grado de incomodidad. La presencia de alcalinidad en las aguas de alimentación a caldera produce la aparición de los fenómenos de fragilidad cáustica, y por la disociación de los bicarbonatos a altas temperaturas el arrastre en el vapor de anhídrido carbónico con los consiguientes problemas de acidificación del condensado y corrosión en los circuitos. La presencia de sílice en aguas utilizadas en centrales energéticas produce depósitos y desequilibrios peligrosos en las turbinas. El hierro y el manganeso son sustancias indeseables en las industrias textiles, papelera, etc. El oxígeno es una fuente de corrosión importante en todas aquellas líneas especialmente a elevadas temperaturas. La presencia de azufre combinado en sus distintas formas trae también problemas de toxicidad y olores. El amoníaco produce corrosión en las aleaciones de cobre o zinc. Los nitratos en algunos casos son lo suficientemente altos para implicar posibles riesgos en la salud, especialmente en los lactantes. [01]
Todos estos elementos son solamente algunos de los muchos que se encuentran presentes en el agua y que es necesario eliminar en mayor o menor grado para evitar las consecuencias antedichas. Existen muchos métodos simples o complejos, antiguos o modernos para evitar estos inconvenientes. Afortunadamente todos o casi todos ellos son resumibles a un tipo de tratamiento después de la aparición de los intercambiadores de iones. Orígenes del intercambiador iónico El tratamiento de agua por absorbentes sólidos tales como la arena es tan viejo como la civilización misma. Que materias filtrantes eran usadas para purificación de mar o de aguas contaminadas, es mencionado en el Antiguo Testamento y conocido desde tiempos de Aristóteles. El estudio de los problemas inherentes a la agricultura, especialmente al considerar la fijación de los elementos nutrientes por el suelo condujo a investigaciones importantes y con ellas al descubrimiento de las propiedades de estas tierras en la absorción e intercambio de sustancias por la misma. Del estudio de las arenas y suelos responsables de la absorción nacieron las primeras zeolitas utilizadas en ablandamiento y reactivadas con soluciones de salmuera. Usando la fusión de caolín y la arena en un horno o mas tarde por la utilización de métodos de precipitación, se desarrollaron materiales sintéticos de intercambio del tipo silícico. Este tipo de intercambiador tuvo la desventaja de ser atacado por soluciones de ph agresivo o que contuvieran poca sílice, por lo que su uso fue limitado al ablandamiento. Mas tarde fueron descubiertos depósitos de gluconita o arenas verdes, que fueron usados en intercambio catiónico gracias a sus características particulares. La aparición de cambiadores orgánicos marca una nueva etapa de rápida avanzada en la producción de intercambiadores. El ataque con ácido sulfúrico a carbones o lignitos elegidos por su resistencia mecánica o alto contenido de materias volátiles condujo a la aparición de compuestos polifuncionales con radicales carboxílicos y sulfónicos. Posteriormente a estos aparecen las resinas de fenol-formaldeído, casi completamente abandonadas y solo usadas esporádicamente en la actualidad. [02]
Finalmente los mas modernos métodos de fabricación han producido las resinas poliestirénicas obtenidas gracias a una copolimerización del estireno y del divinilbenceno efectuada en emulsión con formación de las clásicas esferas y sulfonación posterior. Asimismo la fabricación de resinas con grupos carboxílicos lleva a la aparición de los intercambiadores catiónicos débiles, de uso limitado pero de gran capacidad de intercambio y bajos consumos de regenerante. Con las resinas aniónicas débiles, y medianamente fuertes, se logra la absorción de los ácidos fuertes libres provenientes de una decationización previa, obteniéndose gracias a esta resina la resolución de un número considerable de los problemas de desmineralización parcial. La incorporación de calderas de alta presión y de vaporización instantánea y el uso de turbogeneradores de energía condujo a la necesidad imperiosa de fabricación de resinas del tipo aniónico fuerte capaces de retener los ácidos más débiles como el silícico y carbónico. Definidos en una forma general, estos intercambiadores de iones son sólidos insolubles o líquidos inmiscibles, que poseen cationes o aniones móviles susceptibles de ser cambiados reversible y estequiométricamente con los iones del mismo signo presentes en soluciones de electrolitos, con los cuales son puestos en contacto. Los intercambiadores iónicos se clasifican según el tipo de iones a retener. Los iones presentes en el agua están divididos en aniones y cationes. Los aniones principales son: Carbonatos CO = 3 (*) Bicarbonatos CO 3 H - (*) Sulfatos SO = 4 Cloruros Cl - Nitratos NO - 3 SiO 3 H - Sílice Los cationes principales son: Sodio Na + Potasio K + Calcio Ca ++ (#) Magnesio Mg ++ (#) Hierro Fe ++ (#) Manganeso Mn ++ (#) (*) Estos elementos a veces se denominan como alcalinidad. [03]
(#) Estos elementos constituyen la dureza. Existen por lo tanto intercambiadores catiónicos (destinados a retener o intercambiar cationes) y aniónicos (destinados a los aniones). Los distintos tipos de intercambiadores que es posible encontrar son: Zeolitas Carbones sulfonados Catiónicos fuertes Catiónicos débiles Aniónicos débiles Aniónicos medianamente básicos Aniónicos fuertes tipo I Aniónicos fuertes tipo II Se ha mencionado hasta el momento lo que es posible hacer con estos intercambiadores. Mencionaremos ahora los medios que se deben disponer y la forma con la que es posible materializar este intercambio. Sistemas clásicos de intercambio iónico Las dos principales técnicas de contacto de soluciones con intercambiadores iónicos son los métodos batch y en columna. Este último a su vez puede ser dividido según se trate de lechos fijos o móviles en los que se lleva a cabo el proceso. En el primer caso, lechos fijos, también pueden clasificarse según la regeneración se efectúe en cocorriente o en contracorriente. La utilización de los lechos móviles fue una tecnología que apareció como muy promisoria a comienzos de los años sesenta, pero que no prosperó y puede decirse que desapareció del mercado en la década del setenta. La operación batch consiste en colocar la resina y el líquido a tratar en un tanque, mezclar y permitir llegar al equilibrio. Luego la solución es filtrada y la resina separada para ser usada en un nuevo ciclo. De esta forma, a menos que la selectividad sea altamente favorable, solo una parte relativamente pequeña de la capacidad total de la resina puede ser utilizada. Este tipo de proceso solo es empleado en pequeña escala para desalado de agua de mar, para ablandamiento de jugos azucarados, recuperación de oro de soluciones cianuradas, etc. La operación en columna puede ser considerada como un gran número de operaciones batch realizadas en serie. Dado que la extensión del intercambio iónico en la operación [04]
batch está gobernada por el coeficiente de selectividad, puede lograrse un efecto total mas favorable con el uso de la operación en columna. Intercambiadores industriales: su uso y operación Los intercambiadores clásicos (regenerados cocorriente) para fines industriales están constituidos por un recipiente cilíndrico vertical cerrado provisto en su parte superior de una entrada para el líquido a tratar, con algún sistema de distribución que permita asegurar un caudal uniforme (Es importante destacar que la mayoría de las plantas existentes responden a este tipo de proceso, pero a partir de la década del 90 las plantas nuevas utilizan el proceso de regeneración en contracorriente que se explica mas adelante). El líquido percola a través del lecho de resina. El nivel de la misma puede observarse gracias a visores de vidrio o acrílico colocados a la altura del manto de resina. La resina es mantenida en su sitio por medio de un manto soporte de arena y grava (resina catiónica) o de antracita (resina aniónica), o en los sistemas mas modernos mediante un falso fondo provisto de strainers o toberas que retienen la resina. El agua tratada es evacuada por un colector en la parte inferior del recipiente. La operación de los intercambiadores iónicos del tipo clásico tiene una secuencia que comprende las siguientes etapas: 1. Producción 2. Regeneración 2.1. Contralavado 2.2. Regeneración 2.3. Desplazamiento 2.4. Enjuague final 1. Producción: En esta etapa se produce la utilización real del intercambiador iónico lográndose la obtención del agua tratada en la cantidad y calidad establecida por la capacidad instalada. 2. Regeneración: 2.1. Contralavado: Una vez terminado el ciclo productivo se procede a la regeneración de la resina. Para ello es necesario descompactar primero el lecho y eliminar al mismo tiempo las impurezas físicamente retenidas a lo largo del ciclo utilizándose para tal fin una corriente de agua [05]
ascendente para lograr la expansión de la resina en valores comprendidos entre el 50% y el 75%. Para el control de esta operación, que demanda un tiempo de aprox. 10 a 15 minutos, es conveniente disponer de un visor ubicado a la altura del manto expandido, un limitador o indicador del caudal de lavado, y eventualmente una trampa de resina con el objeto de evitar pérdidas por errores de operación. 2.2. Regeneración: Durante esta operación se logra por utilización de una solución reactiva (sal, ácido, álcali) la reversibilidad del fenómeno de intercambio en un todo de acuerdo con la ley de acción de masas, logrando compensar la mayor selectividad iónica de los iones fijados por un aumento considerable de la concentración de la solución regenerante. Esta operación, según el tipo de resina a regenerar puede demandar un tiempo variable entre un mínimo de 20 minutos y una hora. 2.3. Desplazamiento: Dado que finalizada la etapa de regeneración todo el intercambiador está lleno de solución regenerante, y que existe para cada clase de intercambio una velocidad óptima de regeneración, regida por la cantidad, concentración, tiempo de contacto, tipo de reactivo y resina usada, y que esta velocidad es generalmente mucho menor que las velocidades comunes de tratamiento, se debe efectuar el desplazamiento de ese volumen de regenerante presente en la columna a la misma velocidad de regeneración, considerándose el tiempo involucrado en esta operación como tiempo de contacto real de la regeneración misma. Esta operación se conoce como enjuague lento o desplazamiento. El uso de distribuidores intermedios, ubicados en el nivel de la resina, facilita y disminuye el tiempo de esta operación. 2.4. Enjuague final: La resina en presencia de fuertes concentraciones de regenerantes absorbe físicamente los reactivos, por lo que es necesario llevar a cabo un enjuague final de la misma a un caudal mayor que el de la regeneración y que comunmente se toma como igual al de operación. Al finalizar este período se debe obtener prácticamente la calidad del agua deseada antes de afectar el equipo al ciclo productivo. En los intercambiadores regenerados en contracorriente el agua a tratar y la solución regenerante circulan en sentidos inversos. Esto permite que la solución regenerante [06]
fresca actúe sobre la zona menos saturada de la resina, y a medida que la solución avanza hacia las zonas mas saturadas su concentración disminuye. Este efecto se traduce en un ahorro sustancial de regenerante y en una calidad muy superior del agua tratada. Es fundamental que el manto de resina esté compactado, tanto cuando opera como cuando es regenerado. Si el manto está expandido, parte del regenerante pasa entre las partículas de la resina sin contactarlas. En la operación en co-corriente el manto de resina se compacta por acción de la gravedad y porque ambos flujos, el de operación y el de regeneración, corren desde arriba hacia abajo. En el caso de la regeneración en contracorriente lo importante es que los flujos son inversos, no importando cual de ellos va hacia arriba y cual hacia abajo. Sin embargo, el flujo hacia arriba tiende a expandir el manto, razón por la cual es necesario sostener de alguna manera la parte superior de la resina para que esto no ocurra. Al comienzo se utilizaron sistemas de bloqueo por agua y por aire, ambos hoy superados y en desuso. El sistema que se utiliza en la actualidad es el bloqueo mecánico de las resinas. El manto se encuentra bloqueado tanto en la parte inferior como en la superior, por una placa con toberas que mantiene el manto compactado. En este caso es imposible el lavado de las resinas dentro de la cámara, ya que esta la llena totalmente. Esto no constituye un problema pues la experiencia indica que hoy, con la calidad normal con la que se fabrican las resinas (que implica una menor producción de finos) y con la calidad del agua cruda con que se trabaja normalmente (en lo que respecta a sólidos en suspensión), las resinas requieren lavados con frecuencias trimestrales o semestrales. Para estos casos se suele disponer de una tolva de lavado externa o de una cámara auxiliar que permite esta operación. Las etapas de regeneración son las siguientes: Regeneración Desplazamiento o enjuague lento Enjuague final (generalmente por recirculación) El significado de cada etapa es similar al caso anterior. Campos de utilización del intercambio iónico Resumiremos ahora los tratamientos de decationización, desalcalinización, desmineralización parcial y total, y ablandamiento. La operación por la cual los distintos cationes presentes en el agua a tratar son permutados por los iones hidrógeno de la resina, se conoce con el nombre de decationización. [07]
Es importante considerar que los distintos cationes se fijan a la resina de acuerdo con las selectividades de reemplazo, las que se dan en el orden siguiente: Ba ++ > Sr ++ > Ca ++ > Mg ++ > Be ++ > Ag + > Tl + > Cs + > Rb + > NH 4 + >K + > Na + > H + > Li + Observando los pesos atómicos y las cargas eléctricas de estos elementos ionizados, se aprecia que, salvo algunas raras excepciones, estas selectividades están clasificadas de acuerdo con la valencia y el peso de los mismos. Otras variables que influyen sobre la fijación de los cationes sobre la resina son: Concentración total de iones influentes. Composición iónica del influente. Nivel de regeneración (gramos de ácido por litro de resina). Velocidad de flujo. Temperatura. Tamaño y forma de las partículas del intercambiador. Concentración del regenerante. Tipo de regenerante usado. La explicación al porqué de cada una de estas variables respecto a la posibilidad y grado de absorción de un intercambiador, es posible de obtener partiendo de los conceptos mencionados anteriormente sobre coeficientes de selectividad, reacciones reversibles, desplazamientos de equilibrio, mecanismo y ecuaciones de transferencia, velocidad de reacción química, etc. Estas variables determinan la eficiencia con la cual se llevan a cabo las reacciones químicas que se detallan: Ca ++ + 2 RH R 2 Ca + 2 H + Na + + RH RNa + H + R simboliza la resina (Se indica solo para el calcio y el sodio. Para los demás cationes las reacciones son similares) Una vez que las resinas pasan a la forma saturada se las debe regenerar con una solución de ácido clorhídrico, sulfúrico o nítrico. La elevadísima concentración de iones hidrógeno de la solución ácido produce el desplazamiento inverso del equilibrio. El sulfúrico y el clorhídrico son los ácidos mas utilizados en la Argentina. De acuerdo con la relación costo por equivalente, resulta preferible el sulfúrico. Las concentraciones de las soluciones de estos ácidos usados para la regeneración varían entre un 2% y un 10%, dependiendo del tipo de regeneración. [08]
En el caso del ácido sulfúrico es necesario considerar la cantidad de calcio presente en el agua a tratar. Si esta es importante es posible que se produzcan precipitaciones de sulfato de calcio al regenerarse la resina. Esta sal precipitada retenida en la resina es redisuelta durante la siguiente fase de producción con la consiguiente reducción en la calidad del agua tratada. Por otra parte, la calidad de la regeneración es influenciada positivamente con una mayor concentración del ácido. Para resolver este problema se recurre a la regeneración progresiva, con concentraciones bajas al inicio de la regeneración mientras se produce la eliminación del calcio retenido. Finalmente se sube la concentración para obtener el grado de regeneración requerido. La eficiencia de la regeneración con sulfúrico está gobernada principalmente por la migración de las moléculas de SO 4 Ca _ H 2 O dentro de los poros de la resina hacia la interfase sólido-líquido. La solubilidad de este semihidrato de sulfato de calcio es de 6 veces la del dehidrato, por lo que gracias a la formación intermedia de este compuesto es posible la eliminación lenta del calcio retenido en la resina. La regeneración es efectuada con una solución regenerante que posea un contenido de ácido sulfúrico pequeño para prevenir el intercambio total del calcio en la primera fase de la regeneración (aumento excesivo de la concentración de sulfato de calcio). Dado que la reacción reversible está gobernada por la ley de acción de masas, solo será posible desplazar el equilibrio hacia la resina regenerada poniéndola en contacto con una solución de mayor concentración en la última fase de regeneración. Se llega así a la regeneración progresiva que logra, en la primera parte, eliminar el calcio lentamente y con una eficiencia cercana al 100% debido a las características de saturación de la resina y la baja concentración de regenerante. Luego esta concentración se va aumentando ya sea en forma continua o por saltos hasta llegar a un porcentaje elevado de sulfúrico, con el cual se elimina la salinidad con eficiencias decrecientes, pero con el objeto de gobernar la fuga mas tarde en el proceso de producción. La forma adoptada para efectuar esta regeneración depende de los tipos de agua a tratar, del volumen de la instalación, las condiciones locales, regenerante usado, etc. La inyección del regenerante es efectuada por gravedad, mediante un eductor, o por bombas dosificadoras, al caudal y concentración indicado para cada caso particular. Cuando se utilizan resinas catiónicas fuertes, estas permutan todos los cationes por iones hidrógeno. Las resinas catiónicas débiles, por el contrario, solo son capaces de retener los cationes, especialmente los divalentes, asociables a ácidos débiles (alcalinidad o bicarbonatos). En estos casos su capacidad puede ser muy elevada (el doble de la correspondiente a una resina fuerte) y la cantidad de ácido necesaria para la regeneración [09]
es apenas un 5 a un 10% por sobre el valor estequiométrico (para las resinas fuertes este valor puede estar entre un 100 y un 200% por encima). Una de las aplicaciones prácticas de las resinas catiónicas débiles es la desalcalinización, especialmente cuando la dureza (cationes divalentes) es del mismo orden o superior a la alcalinidad. En estos casos, con un muy bajo consumo de ácido para regeneración, se elimina la dureza y se transforma la alcalinidad en CO 2, el que se puede eliminar fácilmente mediante una torre descarbonatadora. En la torre descarbonatadora el agua decationizada, parcial o totalmente, cae a través de un relleno de anillos (raschig, pall, etc.). En contracorriente se sopla aire mediante ventiladores. El aire soplado arrastra el CO 2 formado a expensas de la alcalinidad. La eliminación de la alcalinidad se produce en la torre sin consumo de productos químicos, solamente con el muy bajo consumo eléctrico de un ventilador. Se conoce con el nombre de desmineralización parcial a todo aquél proceso que lleva a obtener una reducción de la salinidad del agua a tratar. Dentro de esta definición esta incluida la desalcalinización que hemos visto anteriormente. Sin embargo, este término es más aplicado a la eliminación de la salinidad de ácidos fuertes. Esta se logra por intercambio con una resina aniónica débil, lo cual produce agua sin alcalinidad, sin sales de ácidos fuertes, pero todavía con CO 2 y SiO 2. Para realizar esta operación se debe disponer de una decationización anterior que elimine los cationes y lleve los aniones a eliminar a una forma iónica mas libre que permita así su intercambio con los iones OH - de la resina. Las reacciones que ocurren en esta operación se esquematizan de la forma siguiente: Cl - + ROH RCl + OH - SO 4 = + 2 ROH R 2 SO 4 + 2 OH - En este caso, los iones hidrógeno que salen de la unidad catiónica se neutralizan con los oxhidrilos que libera la unidad aniónica según la reacción: H + + OH - H 2 O La selectividad con son fijados los aniones por estas resinas es la siguiente: SO 4 = > SO 3 H - > NO 3 - > NO 2 - > Cl - > CO 3 H - > F - Estas resinas aniónicas de tipo débil o medianamente básicas, poseen capacidades de intercambio elevadas, son regeneradas con niveles casi estequiométricos (10 a 15 % sobre los valores teóricos), pueden regenerarse con reactivos usados, se regeneran prácticamente igual, ya sea con NaOH, NH 4 OH, o CO 3 Na 2, son afectadas por el total de sales a eliminar, por la presencia o no de CO 2 en el agua, por la velocidad de pasaje, por la [010]
relación de SO 4 = a sales totales, por la temperatura del regenerante, por la velocidad y tiempo de contacto en la regeneración, etc. La regeneración de estas resinas se hace a una concentración del 2 al 3 % para la soda cáustica, y entre el 1 y el 1,5 % para el amoníaco. La duración de la regeneración mas desplazamiento debe ser por lo menos de 45 minutos, a una velocidad de pasaje de 5 volúmenes de regenerante por hora por volumen de resina para lograr así la máxima eficiencia normal de regeneración. Para muchos fines prácticos y especialmente para agua con bajo contenido de SiO 2 (ya que el CO 2 puede ser eliminado por medio de una torre descarbonatadora o en el desaireador térmico de la caldera) es suficiente una desmineralización parcial. Este esquema permite obtener conductividades entre 3 y 10 S/cm. La necesidad de eliminar también a la Sílice y la alcalinidad (CO 2 ) ha llevado a los procesos conocidos como de desmineralización total, en los cuales las impurezas solubles del agua son eliminadas de una manera completa. Para tal fin se dispone de resinas aniónicas fuertes, del tipo I o II. Estas resinas son capaces de eliminar los aniones débiles presentes en el agua. Las reacciones son las mismas, solo que ahora también intercambian los bicarbonatos y el ácido silícico. La eliminación de la sílice está ligada a la fuga sódica del catión. Por ello a veces es necesario agregar una unidad catiónica de refinamiento antes de la columna aniónica. Con unidades catiónicas regeneradas en contracorriente esto no es necesario. Para la regeneración de las resinas aniónicas fuertes se utiliza NaOH al 4 % aproximadamente y a una temperatura que varía con las necesidades de eliminación de sílice. Finalmente podemos decir que se ha llegado a la obtención de agua químicamente pura a partir de un agua salina gracias al reemplazo inicial de los cationes por H + en la unidad catiónica, y luego al reemplazo de los aniones por OH - en la unidad aniónica. Estos iones resultantes, H + y OH - terminan neutralizándose y formando agua. Otro proceso muy utilizado es el ablandamiento. En este caso se utiliza solamente una resina catiónica fuerte en ciclo sódico, es decir regenerada con una solución de ClNa (salmuera). De esta manera, aprovechando la mayor selectividad de los cationes divalentes (dureza), esta es reemplazada por los iones sodio de la resina. La salinidad del agua no se modifica, solo se reemplaza el calcio y el magnesio (dureza) por sodio. Para la regeneración de la resina se utiliza una solución de ClNa al 10 %. [011]
En muchos casos solo se requiere eliminar la dureza del agua, no siendo necesaria la reducción de la salinidad total. Es en estos casos donde el ablandamiento constituye un proceso simple, eficiente y barato. Otro proceso que también resulta posible con las resinas de intercambio iónico es el de denitración. En estos casos, mediante la utilización de una resina aniónica fuerte en ciclo sódico, se logra reemplazar los nitratos por cloruros. El proceso es similar a un ablandamiento en el sentido de utilizar una solo resina, usar salmuera como regenerante, y resultar simple, eficiente y barato. El fundamento de este proceso está en que la selectividad del NO 3 es superior a la del Cl -. Sin embargo, la selectividad de los sulfatos es todavía mayor que la de los nitratos, por lo que el proceso comienza a tener problemas si la concentración de sulfatos es alta. El nitrato a veces es alto en las aguas de pozo, y existen concentraciones límites para el agua de bebida ya que pueden provocar problemas en los lactantes. Esto hace que en algunas zonas alimentadas con agua de pozo sea necesario bajar el tenor de nitratos. Una solución interesante es bajar simultáneamente la dureza y los nitratos mediante dos unidades en serie, una catiónica y otra aniónica. Ambas con resinas fuertes se pueden regenerar con salmuera ya que de la sal una resina utiliza el sodio y la otra el cloruro. Lechos Mixtos Con los sistemas convencionales de desmineralización total es posible reducir la conductividad del agua a valores comprendidos entre 5 y 10 ms/cm. Con equipos regenerados en contracorriente, con bloqueo mecánico de las resinas, puede obtenerse valores comprendidos entre 1 y 3 ms/cm. Sin embargo, calderas de alta presión y algunos procesos químicos requieren agua con una salinidad menor que la correspondiente a estos valores. Para ello se desarrolló el sistema de lechos mixtos. El sistema de lechos mixtos consiste en mezclar las resinas catiónica y aniónica fuertes, de modo de obtener un lecho único de resinas. Al pasar el agua, el efecto es similar al de tener un gran número de unidades catión-anión en serie. Con los lechos mixtos puede obtenerse agua con conductividades menores a 0,1 mscm. En forma similar, los lechos mixtos permiten obtener concentraciones de sílice mucho menores que los sistemas catión-anión. El problema del lecho mixto es su complejidad y costo operativo. En efecto, para poder regenerarlo hay que separar las resinas catiónica y aniónica, y disponer de los elementos necesarios para regenerar cada resina con su correspondiente reactivo. El proceso de regeneración se desarrolla a veces en forma simultánea para ambas resinas. Luego de las etapas de regeneración y desplazamiento, es necesario volver a mezclar las resinas para finalmente producir el enjuague final para llegar a obtener la calidad de agua deseada. La [012]
separación de las resinas se produce por contralavado. Como la resina aniónica es mas liviana queda en la parte superior. El mezclado posterior se realiza mediante la inyección de aire por la parte inferior, habiendo bajado el nivel del líquido dentro del tanque. Todo esto hace que el equipo sea más complejo, con varios distribuidores y colectores internos, con mayor número de válvulas, etc. Por otra parte, la eficiencia de la regeneración es pobre en comparación con la obtenida en un sistema catión-anión convencional. Esto, sin embargo, no es un problema pues hay que considerar que se utilizan fundamentalmente como pulidores, desmineralizando un agua que ya ha sido tratada previamente con otras unidades. Hablando en términos de conductividad, un equipo catión-anión que trata un agua de 1500 ms/cm, obteniendo una salida de 10 m/cm, ha producido una disminución de 1500-10 = 1490 ms/cm. El lecho mixto que luego baja esta salinidad a 0,1 ms/cm, ha producido una disminución de 10-0,1 = 9,9 ms/cm. El trabajo del lecho mixto, en términos de salinidad, es menor al 1 % del realizado por el tren catión-anión. Por lo tanto la baja eficiencia de un lecho mixto (consumos de reactivos alrededor de 2 a 5 veces superiores para el mismo trabajo) solo afecta a ese 1 %, lo que en el conjunto lo hace despreciable. Distinta sería la situación si se utiliza el lecho mixto como equipo único (cosa que a veces se hace). La utilización de lechos mixtos como equipo único solo se justifica en unidades pequeñas, o a veces en sitios donde la salinidad del agua a tratar es extremadamente baja. En estos casos pueden evitarse los trenes catión-anión a costa de un mayor consumo de reactivos. En estos casos resulta necesario efectuar un balance económico para determinar la conveniencia de ello. En la práctica, los lechos mixtos se utilizan cuando se requieren calidades de agua que implican muy bajas conductividades. Hasta la década del 80, para conductividades menores a 5 ms/cm ya era mandatorio contar con lechos mixtos. Luego, con la llegada de los sistemas de regeneración en contracorriente y lechos compactos, esta necesidad quedó limitada a conductividades menores a 1 ms/cm. Hoy, con el crecimiento de la utilización del sistema de desmineralización por ósmosis inversa, aparece otro campo de aplicación para los lechos mixtos. Estos se colocan aguas debajo de las unidades de ósmosis inversa para lograr las calidades requeridas. En todos los casos, los lechos mixtos se utilizan como pulidores, es decir para completar en forma fina el trabajo grueso efectuado por otros sistemas. Las etapas típicas de regeneración de un lecho mixto son las siguientes: Contralavado: al igual que en los equipos convencionales, el agua entra por la parte inferior del equipo, asciende a través del manto de resinas y sale por la parte superior. En este proceso, que dura 10 a 15 minutos, se produce el lavado del manto de resinas y la clasificación (separación) de ambas resinas. La resina catiónica queda en el fondo y la aniónica en la parte superior. Regeneración: El ácido entra por la parte inferior del recipiente y atraviesa el manto de resina catiónica en sentido ascendente. La soda entra por la parte superior, mediante [013]
un distribuidor ubicado sobre el nivel de la resina, y atraviesa el manto en forma descendente. Ambos regenerantes salen a través de un colector interfacial ubicado en el nivel de separación de ambas resinas. De este modo la soda no toca la resina catiónica, ni el ácido la resina aniónica (ver comentarios a posteriori sobre esto). Desplazamiento: De la misma forma que la regeneración, solo que con agua sola. Se calculan las concentraciones, caudales, etc. de modo que el tiempo total (regeneración + desplazamiento) sea el mismo para ambas resinas. Esto debido a que el proceso es simultáneo. Vaciado parcial: Finalizada la regeneración y desplazamiento, se baja el nivel de agua dentro del tanque de modo que quede a aprox. 15 cm sobre el nivel del manto de resinas. Existen varias formas de hacer este vaciado (A través del colector interfacial controlando el nivel por tiempo, o por un sensor de nivel; a través de una conexión adhoc, etc.). Una vez logrado el vaciado parcial, se procede a la inyección de aire por la parte inferior del recipiente (5 a 10 minutos). Esta inyección produce un batido intenso de las resinas, provocando su mezclado. A veces, al final se permite que drenen los 15 cm de agua que quedaban sobre el manto de resinas a través del colector interfacial. De esta manera se asegura que no haya algún grado de reclasificación de las resinas al interrumpir el aire. Llenado: Una vez finalizada la mezcla, es necesario llenar con agua la parte superior del tanque. Es importante que este llenado no disturbe el manto de resinas, por lo que habitualmente se realiza a través del distribuidor de soda, que está ubicado sobre el nivel de la resina (Si se agregara el agua a través de la entrada superior, parte del manto se revolvería, lo que no es conveniente). Enjuague final: Como en los equipos catiónicos o aniónicos, se efectúa para estabilizar el manto y arrastrar trazas de regenerante que pudieran haber quedado. Habitualmente se hace al caudal de operación, durante unos 15 minutos, o hasta llegar a la calidad requerida. Es importante destacar que el colector interfacial debe quedar en la zona de separación de ambas resinas. Obviamente, es imposible asegurar una ubicación perfecta del mismo. Siempre existirá alguna contaminación cruzada (ácido a la resina aniónica o soda a la catiónica). Habitualmente esto no trae inconvenientes serios. Cuando se requiere garantizar conductividades muy bajas (en la zona de 0,1 ms/cm) es conveniente colocar una capa de resina inerte. Esta resina, como su nombre lo indica es químicamente inerte, pero con una granulometría y densidad muy bien lograda, de modo que hidráulicamente queda entre la resina catiónica y la aniónica al efectuarse la separación. Colocando una capa de aprox. 20 a 30 cm de esta resina (según el tamaño del tanque) es posible garantizar que el colector interfacial quede dentro de esta capa, garantizando así la imposibilidad de que el ácido pueda llegar a la resina aniónica o la soda a la catiónica. En algunos casos extremos, la única solución es lo que se denomina "regeneración externa de las resinas". Esto se da cuando se trata condensado con ph alcalino por tratamiento con amoníaco, y se requieren fugas de sodio del orden de algunas ppb. En estos casos, la eficiencia requerida en la regeneración de la resina catiónica es tan alta, [014]
que algunos granitos que pudieran quedar entrampados en la resina aniónica, y por lo tanto resultar en forma sódica en la regeneración, resultan intolerables. En estos casos la resina se extrae hidráulicamente de los equipos y se transfiere a tanques de regeneración. En estos tanques se desarrollan varios procesos, además del contralavado, para lograr la separación total de las resinas. Existen varios procedimientos y patentes para lograr esto. Lo que se busca es que en las resinas regeneradas no quede nada de resina catiónica en forma sódica. El sistema permite también que los recipientes de los intercambiadores sean mucho más simples y pequeños. Estos recipientes están normalmente instalados en líneas presurizadas, por lo que los espesores de los mismos resultan importantes. Esto abarata mucho estos equipos. En cambio, la regeneración se efectúa a presión atmosférica, en recipientes separados que pueden ser de PRFV o de chapa de poco espesor. Se mantiene una carga adicional de resinas regeneradas. Cuando resulta necesario efectuar la regeneración, la carga de resinas agotadas se transfiere hidráulicamente a los tanques de regeneración, y la carga de resinas regeneradas es transferida al equipo de intercambio. Toda esta operación de transferencia dura algunos minutos, por lo el equipo de intercambio solo sale de servicio algunos minutos. Esto evita disponer de equipos de reserva. [015]