Intercambio iónico

Los términos intercambio iónico, desionización y desmineralización a menudo se usan como sinónimos para referirse al mismo proceso. Sin embargo, la desionización y la desmineralización pueden lograrse mediante tecnologías distintas al intercambio iónico (ver ósmosis inversa ). El intercambio iónico es un proceso que se usa ampliamente en instalaciones nucleares, procesos industriales y operaciones médicas y farmacéuticas para controlar la pureza y el pH del agua mediante la eliminación de iones indeseables y su reemplazo por otros aceptables.

Específicamente, es el intercambio de iones entre una sustancia sólida (llamada resina) y una solución acuosa, típicamente agua potable municipal, pero con frecuencia involucra procesos o incluso aguas residuales (p. Ej., La industria de las placas). Dependiendo de la identidad de los iones que una resina libera al agua, el proceso puede resultar en la purificación del agua o en el control de la concentración de un ion particular en una solución. Un intercambio iónico es el intercambio reversible de iones entre un líquido y un sólido.

Este proceso se usa generalmente para eliminar iones indeseables de un líquido y sustituir iones aceptables del sólido (resina). Los dispositivos en los que se produce el intercambio iónico se denominan comúnmente desmineralizadores. Este nombre se deriva del término desmineralizar, que significa el proceso por el cual las impurezas presentes en el fluido entrante (agua) se eliminan mediante el intercambio de iones impuros con iones H y OH, en la formación de agua pura. H + y OH – están presentes en los sitios de perlas de resina contenidas en los tanques o columnas desmineralizadoras.

EQUIPO

La resina de intercambio iónico está contenida en un recipiente con un volumen de varios pies cúbicos. Los elementos de retención en la parte superior e inferior consisten en pantallas, cilindros ranurados u otros dispositivos adecuados con aberturas más pequeñas que las perlas de resina para evitar que la resina se escape del recipiente. Cuando el lecho de resina es una mezcla uniforme de resinas catiónicas y aniónicas en un volumen (típicamente en una proporción de 2 partes de resina catiónica por 3 partes de resina aniónica). Esta disposición se denomina resina de lecho mixto, en oposición a una disposición de resinas catiónicas y aniónicas en capas discretas o recipientes separados.

El uso de diferentes volúmenes de los dos tipos de resinas se debe a la diferencia en la capacidad de intercambio entre las resinas catiónicas y aniónicas. La capacidad de intercambio es la cantidad de impureza que una cantidad dada de resina puede eliminar, y tiene unidades de moles / ml, equivalentes / ml o moles / gm. La resina aniónica es menos densa que la resina catiónica; por lo tanto, tiene una capacidad de intercambio menor y se necesita un volumen mayor para las resinas aniónicas que para las resinas catiónicas para obtener capacidades de intercambio total iguales.

Sitema de intercambio iónico

Los sistemas de intercambio iónico se utilizan en una variedad de industrias para fines de ablandamiento, purificación y separación de agua. Si bien la química de las reacciones individuales de intercambio iónico varía de una aplicación a la siguiente, es un proceso de tratamiento en el que los iones disueltos se reemplazan por otros iones más deseables de una carga eléctrica similar.

Separan los contaminantes iónicos de la solución a través de un proceso físico-químico donde los iones indeseables son reemplazados por otros iones de la misma carga eléctrica. Esta reacción ocurre en una columna IX o recipiente donde se pasa un proceso o flujo de desechos a través de una resina especializada que facilita el intercambio de iones. Un ejemplo común es un sistema IX de ablandamiento de agua , donde el objetivo es eliminar los iones de calcio o magnesio formadores de escamas de la solución. Cuando la solución se pasa a través de una resina compuesta de iones de sodio concentrados, los iones de calcio y magnesio son efectivamente capturados de la solución y retenidos por la resina, mientras que los iones de sodio se liberan de la resina a la corriente de efluente.

¿Qué se incluye en un sistema básico de intercambio iónico?

Un sistema de intercambio iónico bien diseñado se ajusta a las condiciones de una aplicación específica tanto en las especificaciones de diseño físico como en el material de resina elegido. Los componentes comunes incluyen:

  • Resina
  • Sistema de distribución de entrada
  • Sistema de distribución regenerativa
  • Elementos de retención
  • PLC, válvulas de control y tuberías

Las resinas son el factor más crítico en el diseño del sistema. Las sustancias presentes en la corriente de alimentación, así como otras condiciones del proceso, determinarán la forma geométrica, el tamaño y el material utilizado en la resina.

¿Cómo funciona el intercambio iónico?

Por definición, los iones son átomos o moléculas cargadas. Cuando una sustancia iónica se disuelve en agua, sus moléculas se disocian en cationes (partículas cargadas positivamente) y aniones (partículas cargadas negativamente). Aprovechando esta característica, reemplaza selectivamente las sustancias iónicas en función de sus cargas eléctricas . Esto se logra haciendo pasar una solución iónica a través de una resina IX que sirve como matriz donde se permite que tenga lugar la reacción de intercambio iónico.

Con mayor frecuencia, las resinas toman la forma de pequeñas microesferas porosas, aunque a veces están disponibles como una membrana en forma de lámina. Las resinas se forman a partir de polímeros orgánicos, como el poliestireno, que forman una red de hidrocarburos que se unen electrostáticamente a una gran cantidad de grupos ionizables. A medida que el proceso o la corriente de desechos fluye a través de la resina , los iones sueltos en la superficie de la resina son reemplazados por iones con una mayor afinidad por el material de resina.  

Con el tiempo, la resina se satura con los iones contaminantes y debe regenerarse o recargarse. Esto se logra enjuagando la resina con una solución regenerante. Típicamente consistente en una solución concentrada de sal, ácido o cáustico, el regenerante revierte la reacción al reponer los cationes o aniones en la superficie de la resina y liberar los iones contaminantes en las aguas residuales.

¿Qué contaminantes eliminan los sistemas de intercambio iónico?

La aplicación más común es el ablandamiento de zeolita de sodio, aunque otras aplicaciones populares incluyen la producción de agua de alta pureza, la desalcalización y la eliminación de metales. Puede ser una estrategia extremadamente efectiva para la eliminación de contaminantes disueltos, aunque las resinas deben elegirse cuidadosamente en función de las sustancias presentes en la corriente de alimentación , como se detalla a continuación.

Resinas catiónicas

Los intercambiadores de cationes pueden clasificarse como resinas de catión ácido fuerte (SAC) o resinas de catión ácido débil (WAC), las cuales se usan ampliamente para la desmineralización. Las resinas SAC también se usan comúnmente para ablandar, mientras que las resinas WAC se usan para aplicaciones de descalcificación. Los contaminantes eliminados por las resinas catiónicas generalmente incluyen:

  • Calcio (Ca 2+ )
  • Cromo (Cr 3+ y Cr 6+ )
  • Hierro (Fe 3+ )
  • Magnesio (Mg 2+ )
  • Manganeso (Mn 2+ )
  • Radio (Ra 2+ )
  • Sodio (Na + )
  • Estroncio (Sr 2+ )

Resinas aniónicas

Los intercambiadores de aniones se pueden clasificar como resinas de anión base fuerte (SBA) o resinas de anión base débil (WBA). Las resinas SBA se usan con frecuencia para la desmineralización, mientras que las resinas WBA a menudo se usan para la absorción de ácido. Los contaminantes eliminados por las resinas aniónicas generalmente incluyen:

  • Arsénico
  • Carbonatos (CO 3 )
  • Cloruros (Cl – )
  • Cianuro (CN – )
  • Fluoruro
  • Nitratos (NO 3 )
  • Perclorato (ClO 4- )
  • Anión sulfonato de perfluorooctano (PFOS)
  • Ácido perfluorooctanoico (PFOA)
  • Sílice (SiO 2 )
  • Sulfatos (SO 4 )
  • Uranio

Los tipos de resina suelen abreviarse como:

  • SAC: resina de intercambio catiónico de ácido fuerte
  • WAC: resina de intercambio catiónico de ácido débil
  • SBA: resina de intercambio aniónico base fuerte
  • AMB: resina de intercambio de aniones base débil

Resinas de intercambio Catatónico frente a resinas de intercambio Aniónico

Hay dos tipos generales de resinas de intercambio iónico: las que intercambian iones positivos, llamadas resinas de intercambio catiónico , y las que intercambian iones negativos, llamadas resinas de intercambio aniónico . Un catión es un ion con una carga positiva. Los cationes comunes incluyen Ca +2 , Mg +2 , Fe +2 y H +1 . Una resina catiónica es aquella que intercambia iones positivos. Un anión es un ion con una carga negativa. Los aniones comunes incluyen Cl -1 , SO4 -2 y OH -1 . Un aniónLa resina es aquella que intercambia iones negativos. Químicamente, ambos tipos son similares y pertenecen a un grupo de compuestos llamados polímeros, que son moléculas extremadamente grandes que se forman por la combinación de muchas moléculas de uno o dos compuestos en una estructura repetitiva que produce cadenas largas. Un desmineralizador es un recipiente, generalmente con un volumen de varios pies cúbicos, que contiene la resina.

Un desmineralizador puede contener una mezcla íntima de resinas de intercambio catiónico y resinas de intercambio aniónico y se denomina lecho mixto. Los desmineralizadores de dos lechos tienen dos recipientes, el primero que contiene resina catiónica seguido de un recipiente separado que contiene resina aniónica. Físicamente, las resinas de intercambio iónico se forman en forma de cuentas muy pequeñas, llamadas cuentas de resina, con un diámetro promedio de aproximadamente 0,5 milímetros. La resina húmeda tiene la apariencia de arena húmeda, transparente y ámbar y es insoluble en agua, ácidos y bases. La relación es normalmente de 2 partes de resina catiónica a 3 partes de resina aniónica.

Regeneración

El proceso de «reactivación» se llama regeneración y se lleva a cabo utilizando un ácido fuerte para el catión (como fuente de iones hidronio) y un cáustico líquido (hidróxido de sodio) como fuente de iones hidroxilo para el anión. La resina se regenera en el sitio usando ácido clorhídrico o sulfúrico e hidróxido de sodio (cáustico) para regenerar el catión y el anión, respectivamente. Los controles hacen que la resina retrolave ​​y luego extraiga una cantidad establecida de producto químico regenerante durante un período de tiempo específico y con un caudal específico, seguido de un enjuague lento y rápido. En el caso de la resina de lecho mixto, un retrolavado controlado hace que la resina se separe y dos funciones múltiples dirijan el ácido al catión y el cáustico al anión. Alternativamente, la resina puede ser suministrada en recipientes por WaterProfessionals® y regenerada fuera del sitio,desionización .

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