DUREZA DEL AGUA

Se define la dureza total del agua, como la cantidad de sales de elementos alcalinotérreos (berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio) presentes en el agua y que normalmente se asocian a la formación de incrustaciones calcáreas y se expresa en equivalentes de carbonato de calcio. Algunos otros cationes divalentes también contribuyen a la dureza como son, estroncio, hierro y manganeso, pero en menor grado ya que generalmente están contenidos en pequeñas cantidades. Si bien el concepto de dureza incluye todos estos elementos mencionados anteriormente, en la práctica, la dureza de un agua corresponde únicamente con la cantidad de calcio y magnesio existente, ya que conjuntamente constituyen el 95% de lo que es conocido como dureza del agua.

La dureza la adquiere el agua a su paso a través de las formaciones de roca que contienen los elementos ya mencionados; cuando el agua hace contacto con el suelo, adquiere un pH bajo y esto facilita que el agua ataque a las rocas, particularmente a la calcita (CaCO3), entrando los compuestos en solución al cuerpo de agua. Además, la dureza también es causada si se ajusta cualquier agua a un pH a más de 8.5, ya que provoca una importante precipitación de las sales provocando su dureza.

El agua dura es conocida por taponar las tuberías y complicar la disolución de jabones en agua. El límite de dureza que se establece en la normatividad actual es de 150 mg/lt de CaCO3.

EL ABLANDAMIENTO DEL AGUA

El ablandamiento de un agua, consiste en la eliminación del Ca como CaCO3 y Mg como Mg (OH)2, debido a la baja solubilidad de estos últimos, es decir, que sirve para eliminar los iones que hacen a un agua dura. La mejor solución para ablandar un agua es usar una unidad de ablandamiento de aguas. Un ablandador de agua colecta los minerales que causan la dureza y los contiene en un tanque colector y este es de vez en cuando limpiado. Con el uso de intercambiadores iónicos, en los ablandadores, se reemplazan los iones de calcio y magnesio por otros iones, por ejemplo sodio y potasio.

Es importante ablandar el agua, ya que el agua dura produce incrustaciones en tuberías y calderas domésticas e industriales. Puede crear turbidez en la cerveza o bebidas gaseosas. Ejemplos de uso de ablandadores:

Tratamiento de agua para calderas de baja presión. En Europa, muchos lavaplatos tienen un cartucho de resina ablandadora en

el fondo de la máquina.

Cervecerías y productores de refrescos tratan el agua de producción con resinas de calidad alimentaria.

Es importante tener claro que, ablandar el agua no reduce su salinidad: solo elimina los cationes de dureza y los reemplaza por sodio. Las sales de sodio son mucho más solubles, de manera que no producen incrustaciones.

PROCESOS DE ABLANDAMIENTO DEL AGUA

Para tratar la dureza del agua, se tienen dos procesos de ablandamiento principalmente, que son: Ablandamiento químico (cal, cal-soda) y ablandamiento por intercambio iónico, para fines de este trabajo, se profundizará únicamente en el intercambio iónico.

ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IÓNICO

Es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. El método más utilizado para el ablandamiento por intercambio iónico es el ciclo del sodio, que consiste en el intercambio iónico por Zeolita o por Resina, seguido por el ciclo del hidrógeno y la desmineralización. (IMAGEN)

CICLO DEL SODIO

En el proceso de ablandamiento por intercambio iónico el del ciclo del sodio es el más utilizado. Este se puede dar por Zeolita que utiliza un tipo de zeolita artificial, creada por la fusión de arcillas y su soda o por resinas orgánicas sintéticas con una capacidad de intercambio varias veces mayor que la Zeolita.

ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IÓNICO CON ZEOLITA: El ablandamiento con zeolita, es el prceso de intercambio iónico más antiguo y más simple. Elimina la Dureza del agua, incluyendo Hierro y Manganeso, si estos constituyentes pueden mantenerse en forma iónica reducida. El lecho del intercambiador puede regenerarde con una salmuera de cloruro de sodio. Durante el proceso, la dureza del agua puede variar, asi como la velocidad del flujo del sistema. El diseño del equipo consta de un armazón de acero que soporta al lecho intercambiador de iones. (GRÁFICA)

ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IÓNICO CON RESINAS: Un proceso para la eliminación de la dureza del agua, es la descalcificación de ésta mediante resinas de intercambio iónico. Lo más habitual es utilizar resinas de intercambio catiónico que intercambian iones sodio por los iones calcio y magnesio presentes en el agua.

El intercambio iónico remueve de un agua cruda los iones indeseables transfiriendolos a un material sólido, llamado intercambiador iónico (Resina). Estos intercambiadores son matrices sólidas que contienen sitios activos con carga electrostática, positiva o negstiva, neutralizada por un ion de carga opuesta, se emplean, entre otras aplicaciones, para el tratamiento de agua insolubles y su vida útil esperada es de 5 a 10 años. (IMAGEN)

A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha disolución desplazan a los que estaban originalmente en los sitios activos. La eficiencia del proceso depende de factores como la afinidad de la resina por un ion en particular, el pH de la disolución, la concentración de iones y la temperatura.

El proceso de ablandar el agua por el procedimiento de intercambio iónico con resina requiere el uso de sal y, más concretamente, de sal regeneradora para ablandadores. En un ablandador, el agua dura atraviesa un lecho de resina sobre el que se intercambian los iones de calcio y magnesio (la cal del agua) con los de sodio.

Los parámetros característicos de los intercambios iónicos son los siguientes:

Capacidad de intercambio: Se define como la cantidad de iones que una resina puede intercambiar en determinadas condiciones experimentales. Depende del tipo de grupo activo y del grado de entrecruzamiento de la matriz y se expresa en equivalentes por litro de resina o por gramo.

Capacidad especifica teórica: Es el numero máximo de sitios activos del intercambiador por gramo. Este valor suele ser mayor que la capacidad de intercambio, ya que no todos los sitios activos son accesibles a los iones en disolución.

Selectividad: Propiedad de los intercambiadores iónicos por la que un intercambiador muestra mayor afinidad por un ion que po otro. La selectividad depende de las interacciones electrostáticas que se establezcan entre la preferencia por el ion escogido, que va a ser con el que forme enlaces más fuertes.

(IMAGEN)Las reacciones que ocurren en el proceso ablandamiento se pueden representar de la siguiente manera.

Donde R representa al componente aniónico de la resina.

En la siguiente ecuación química se resume el proceso de intercambio iónico:

Notar que los iones calcio y magnesio pasan del agua al solido (resina), mientras que los iones sodio pasan de la resina al agua.

CICLO HIDROGENO

El intercambio iónico se realiza mediante el uso de resinas (copolímeros, diestirenos, dimetilbenceno,…). Estas moléculas poseen varios grupos funcionales ácidos o básicos. Las resinas catiónicas intercambian H+ por cationes y las resinas aniónicas intercambian OH- por aniones.

Existen resinas catiónicas y anionicas fuertes y débiles. Las resinas catiónicas se regeneran con HCI ( 1M) mientras que las resinas aniónicas se regeneran con NaOH (1M).

Se utiliza un lecho mixto donde se ubican una resina aniónica y otra resina catiónica mezcladas en una columna. Las resinas catiónicas fuertes eliminan los iones calcio, magnesio y sodio. Las resinas aniónicas débiles eliminan los aniones Cr- y SO2

4 que provienen de ácidos fuertes mientras que las fuertes eliminan los aniones que provienen de ácidos débiles. (IMAGEN)

DESMINERALIZACIÓN.

El agua precipitada por la lluvia durante su ciclo natural absorbe del aire Co2 y O2, y también disuelve una serie de compuestos minerales formados en su mayoría por Si, Ca y Mg. Estas sustancias minerales que se disuelven en el agua se traducen en inconvenientes para su aplicación directa en procesos productivos, ya que son sensibles a incrustarse. Por lo tanto, es necesario desmineralizar el agua, removiendo todos estos iones.

Para eliminar todos los iones, el agua pasa primero a través de una columna intercambiadora de cationes en forma hidrógeno, después a través de una

columna intercambiadora de aniones en forma base libre o hidroxilo. Todos los cationes se cambian por iones H+ de las resinas catiónica, y los aniones por iones OH— de las resinas aniónicas. Estos iones se recombinan formando nuevas moléculas de agua (H2O). El agua tratada no contiene sino trazas de sodio y de sílice. Con la desmineralización en el lecho mixto se obtiene agua de gran pureza y calidad constante siendo el pH neutro.

Para la regeneración en los distintos intercambiadores de iones se necesita:

Intercambiadores de cationes: un ácido fuerte (HCl o H2SO4) y para intercambiadores de aniones: sosa cáustica (NaOH).

TIPOS DE INTERCAMBAIDORES IÓNICOS:

Existen diferentes tipos de materiales que presentan propiedades de intercambio iónico como:

intercambiadores iónicos sintéticos. intercambiadores iónicos inorgánicos naturales (zeolitas, arcillas, etc.). intercambiadores iónicos inorgánicos sintéticos (sales ácidas, sales de

heteropoliácidos, etc.). intercambiadores iónicos basados en sustancias orgánicas naturales

(celulosa, dextrano, agarosa, carbón, etc.). intercambiadores iónicos líquidos. membranas de intercambio iónico, etc.

Los intercambiadores iónicos sintéticos son los más utilizados en la mayoría de los procesos debido a las múltiples ventajas que presentan, como su resistencia mecánica y química, elevada capacidad y velocidad de intercambio y posibilidad de adecuar sus características a las necesidades de cada caso.

Los intercambiadores iónicos sintéticos se pueden clasificar atendiendo a dos criterios diferentes: estructura de la red polimérica y funcionalización de la matriz polimérica.

Considerando el tipo de grupo funcional unido a la matriz, las resinas se clasifican en:

Intercambiadores catiónicos: contienen grupos fijos aniónicos unidos por fuerzas electrostáticas con cationes, estos pueden ser intercambiados con los cationes en disolución. La ecuación siguiente muestra el intercambio de los cationes en disolución y los cationes unidos a la resina.

Los intercambiadores catiónicos se clasifican en:

Intercambiadores catiónicos de ácido fuerte: o Intercambian iones positivos (cationes).

o Funcionan a cualquier pH.

o Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera

columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).

o En este grupo se encuentran las resinas sulfónicas.

Intercambiadores catiónicos de ácido débil: o El grupo funcional suele ser el grupo carboxílico, unido a una matriz

polimérica. o Son ácidos débiles, con constantes de disociación entre 10-5 y 10-7.

o Las más importantes son las resinas acrílicas y metacrílicas.

o se utilizan para reducir la dureza del agua, etc.

o Tienen menor capacidad de intercambio.

o No son funcionales a pH bajos.

o Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su

regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.

Intercambiadores catiónicos que contienen fósforo: Son ácidos de fuerza moderada. Contienen grupos de ácido fosfónico, fosfínico o fosfórico. Sus aplicaciones industriales son escasas debido al elevado coste que comporta su síntesis.

Intercambiadores aniónicos: Los intercambiadores aniónicos contienen grupos fijos catiónicos y aniones unidos por fuerza electrostática que pueden intercambiarse con los aniones de la disolución que les rodea. La ecuación siguiente muestra el intercambio de los aniones en disolución y los aniones unidos a la resina.

Los intercambiadores aniónicos se clasifican en:

Intercambiadores aniónicos de base fuerte: o El grupo funcional son las sales de amonio cuaternario.

o Este tipo de resinas son muy estables y poseen una elevada

capacidad de intercambio.o Intercambian iones negativos (aniones).

o Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de

regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).o Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda

columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos.

Intercambiadores aniónicos de base débil:o El grupo funcional son las aminas unidas a la red polimérica.

o Las aminas pueden ser primarias (R-NH2), secundarias (R2NH) o

terciarias (R3N). o Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su

regeneración.o No se puede utilizar a pH altos.

o pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.

o Puede ser resina monoesférica o Resina no monoesférica

Intercambiadores iónicos quelantes. Son polímeros con grupos funcionales que contienen átomos donadores, capaces de formar complejos quelatos con iones metálicos. Los átomos donadores más frecuentemente

utilizados son el nitrógeno, oxígeno, azufre y fósforo. La afinidad de la resina quelante por un determinado ión metálico depende principalmente de la naturaleza del átomo donador. Se caracteriza por su elevada selectividad y apreciable capacidad, lo que hace que sean muy interesantes.

Según la estructura de la red polimérica, los intercambiadores iónicos se dividen en:

Intercambiadores iónicos tipo gel: Consiste en una red macroscópicamente homogénea de naturaleza elástica, que contiene una cierta cantidad del disolvente empleado en su síntesis. Este tipo de resina se caracteriza porque la matriz polimérica no contiene poros.

Intercambiadores iónicos macroporosos: La polimerización se produce con un disolvente que se interpone entre las cadenas poliméricas y que se elimina una vez que se ha formado la estructura rígida del polímero. La matriz polimérica presenta una estructura porosa.

Intercambiadores iónicos isoporosos: La polimerización se produce de manera que el entrecruzamiento tiene lugar a velocidad lenta y uniforme. La matriz polimérica se caracteriza por tener un tamaño de poro uniforme. Este tipo de resinas presentan una mayor capacidad y efectividad en el proceso de regeneración.

REGENERACION DE LA RESINA:

La resina simplemente cambia un ion de sodio por uno de calcio o magnesio después de un tiempo hay que regenerar la resina porque casi todos los iones de sodio han sido reemplazados con calcio o magnesio.

La reacción puede ser representada de la siguiente manera.

En la siguiente ecuación química se resume el proceso de regeneración de la resina:

Una solución de 5% de NaCl Generalmente es utilizada como regeneradora.

Cuando la resina, comienaza a estar saturada con los iones de la disolución que sale de la columna, esta decarga se conoce como “punto de rompimiento” e indica que el tratamiento de la solución por la resina, ya no está siendo efectivo. En este caso es cuando decimos que la resina está saturada de calcio y magnesio, lo cual significa que todos los lugares anteriormente ocupados por el sodio ahora no están, ya que en su lugar están los iones de calcio y magnesio; en este estado ya no habrá nada más que el agua porque el intercambio se frena. Sin embargo, la resina puede regenerarse fácilmente. Lo que se hace para regenerar la resina es justamente la operación inversa: se hace pasar una solución concentrada de cloruro de sodio por la resina, de modo que todos los iones sodio que están en el líquido, ahora pasarán a tomar el agua de calcio y magnesio, llevando la resina a su forma original y activa lista para ser usada nuevamente. En el líquido quedarán los iones que provocan la dureza del agua y éste luego será descartado.

La regeneración de la resina puede ser realizada muchas veces antes de que sea necesario desecharla. Es importante tener en cuenta que la vida útil de la resina puede ser muy corta, si se hace pasar a través de ella, aguas con grandes cantidades de partículas en suspensión pueden tapar los orificios de la resina, lo cual se puede evitar haciendo pasar primero el agua por un filtro de sedimentos. La regeneración tienen dos inconvenientes muy importantes: el gasto económico del regenerante y la generación de residuos, ya que después de regenerar la resina se obtienen disoluciones muy concentradas en metales que deben ser tratas o eliminadas. -¿CÓMO FUNCIONA UN ABLANDADOR DE AGUA? (IMÁGENES)-

CONSLUSIÓN

Si bien es cierto que si agua muy blanda (agresiva) pasa por una tubería galvanizada, la capa protectora de zinc es lentamente removida, exponiendo el acero, y si no existen suficientes iones de calcio Ca2+ en el agua los componentes de calcio de concreto pueden lixiviarse y causar deterioro en la integridad de la estructura, un agua muy dura también genera complicaciones a nivel estructural y ocasiona problemas o incomodidades en el uso industrial o doméstico.

Normalmente, el interior de tuberías ferrosas son protegidas por una capa que se forma cuando el agua fluye dentro de ellas, esta capa contiene carbonato de calcio CaCO3 y fierro Fe, generando cierta dureza en el agua, por lo que ésta requiere de un tratamiento adecuado que permita su ablandamiento.

El agua se puede ablandar por diversos métodos, dentro de los cuales destacamos el de intercambio iónico, el cual es una tecnología muy útil a la hora de tratar el agua, puesto que aparte de ser muy eficiente es de operación simple, utiliza espacios pequeños, facilidad de renovación del intercambiador iónico aumentando la vida útil del ablandador ya que se emplean reactivos comunes para el funcionamiento del mismo, además tiene una gran adaptación a fluctuaciones de concentraciones de elementos contenidos en las aguas a tratar.

PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: Post-tratamiento de aguas residuales municipales para alimentación a calderas utilizando intercambio

iónico

Se estudió la factibilidad del proceso de intercambio iónico como sistema de tratamiento de aguas municipales, previamente tratadas en una planta de tratamiento de aguas servidas, provenientes de las regiones de Punta Cardón y Comunidad Cardón de la población de Punto Fijo, en el estado Falcón, Venezuela; con la finalidad de producir aguas que cumplieran con la calidad fisicoquímica para ser utilizadas en procesos de generación de vapor en una refinería. (IMAGEN)Se utilizó un sistema experimental compuesto por un intercambiador catiónico con resina fuertemente ácida (Amberlita IR-120) y un intercambiador aniónico con resina débilmente básica (Amberlita IRA-68). Durante el tratamiento se evaluaron los siguientes parámetros: conductividad, pH, alcalinidad, dureza total (DT), sólidos disueltos totales (SDT). También se determinaron las concentraciones de los iones: calcio, magnesio, sílice, cloruro, bicarbonato y carbonato.

Se utilizó una resina intercambiadora de cationes Amberlita IR-120, fuertemente ácida, tipo gel, de color amarillo claro, sintética, del tipo poliestireno conteniendo grupos funcionales sulfato, en la forma de hidrógeno y suministrada como partículas esféricas con capacidad de intercambio fue de 1,9 eq/L como CaCO3. La resina intercambiadora de aniones Amberlita IRA-68 fue débilmente básica, de color blanco, tipo gel, conteniendo grupos funcionales amino terciario dentro de la matriz acrílica, suministrada en forma de partículas esféricas, concapacidad de intercambio de 1,32 eq/L como CaCO3.

Regeneración y regenerante: Después del proceso de intercambio iónico se procedió al lavado de las resinas. El lavado se realizó en contracorriente, para regenerar la resina catiónica IR-120 se agregó una solución de ácido clorhídrico (HCl) al 10%, mientras que la resina aniónica IRA-68 fue regenerada con una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 4%.

Resultados y discusión: La Tabla 1 presenta las características del agua proveniente de la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS), se puede observar que los valores de concentración de los cationes Ca+2 y Mg+2, dureza total son superiores a los requeridos para aguas de alimentación a calderas.

Por esta razón, estas aguas pre-tratadas requieren un tratamiento adicional antes de utilizarlas como aguas de alimentación a calderas, ya que se han reportado problemas típicos asociados a estos parámetros en los equipos de los sistemas de generación de vapor cuando no se cumple con los requerimientos establecidos. Los cationes Ca+2 y Mg+2, son los principales causantes de las incrustaciones en los equipos.

TABLA 1. Características del agua residual municipal provenientes de la PTAS

Parámetro Entrada al proceso de intercambio iónico

(X ± S)

Agua para calderas(X ± S)

Dureza total (Mg CaCo3/L)

204+-20.4 1.00

Ca+2(ppm) 62+-4.0 0.0

Mg+2(ppm) 13+-3.8 0.0

X: Media aritmética. S: Desviación estándar.

En la Tabla 2 se muestran los resultados de los parámetros evaluados durante el tratamiento de las aguas residuales municipales provenientes de la PTAS. La resina catiónica Amberlita IR-20 mostró su carácter preferencial de intercambio por los iones Ca+2 y Mg+2, después de 4 horas de tratamiento. Los valores de las concentraciones de estos cationes disminuyeron desde 62 y 13 ppm, respectivamente, a valores inapreciables.

TABLA 2. Resultados de los parámetros evaluados en el sistema de intercambio iónico durante el tratamiento de las aguas residuales municipales previamente tratadas en la PTAS

Parámetro Salida del intercambiador catiónico(X ± S)

Salida del intercambiador anionico(X ± S)

Dureza total (Mg CaCo3/L)

0.0. 0.0

Ca+2(ppm) 0.0 0.0

Mg+2(ppm) 0.0 0.0

X: Media aritmética. S: Desviación estándar.