Las resinas de intercambio iónico se utilizan ampliamente para eliminar los iones nocivos del agua en una variedad de procesos industriales, como la generación de energía, la industria farmacéutica, la producción de vapor y los sistemas de enfriamiento en plantas industriales. Su uso es muy común en fábricas como las de azúcar y las cervecerías.
El proceso de intercambio iónico se conoce desde hace más de un siglo. En 1936 aparecieron las primeras resinas de intercambio preparadas industrialmente y durante los últimos 60 años se han utilizado de forma extendida en la industria y también en otros sectores (comercial, residencial, etc). Un avance decisivo fue la producción de resinas sintéticas con propiedades de intercambio iónico.
Regeneración
Este es el paso más importante y necesita atención. Se trata de la etapa de operación en la que el agente regenerador entra en contacto con la resina usada para restaurar su capacidad de intercambio de iones.
Una de las limitaciones a considerar durante la regeneración es el hecho de que los iones retenidos se intercambian dentro de la resina con una de las selectividades más bajas. Por tanto, existen variables clave a observar como la concentración de regeneración, la calidad o pureza del agente regenerador y la velocidad.
La eficiencia del sistema se ve afectada por el caudal durante la operación, el tiempo de operación, el grado de regeneración utilizado, entre otros. Este tiempo de regeneración figura en la ficha técnica del fabricante de resinas de intercambio iónico y la mayoría acepta recomendar un tiempo de 30 a 60 minutos.
Representación esquemática de la estructura de una resina catiónica fuerte
Para lograr una óptima regeneración es importante conocer el volumen de la resina, diámetro, altura y área de las botellas, siendo importante las condiciones de operación establecidas por el Fabricante de la resina.
A manera de ejemplo se presentan los datos para un ablandador con 0.113 m3 de resina C – 100 ciclo (Na) Purolite, catiónica fuerte:
Las variables clave a considerar en esta actividad son:
a) Nivel de regeneración.
b) Carga Específica.
c) Concentración de la solución regenerante.
d) Flujo de regenerante.
e) Tiempo.
El regenerante que se utiliza es una solución de NaCl al 20% a un flujo de 391 L/h en un tiempo de 45 minutos realizándose la operación en flujo en paralelo.
El NaCl se comercializa a una concentración que oscila entre 99 y 100 %. La masa de NaCl que se añade para preparar la solución es de 20.3 kg y ésta se disuelve en un volumen de 105 L.
Nivel de regeneración.
El nivel de regeneración es la relación entre la masa del regenerante a utilizar y el volumen de resina.
Este nivel de regeneración se considera adecuado para la operación, garantizando una aceptable capacidad de intercambio total de acuerdo a (figura del catálogo del fabricante), que representa la influencia del nivel de regeneración en la capacidad de intercambio efectiva.
Carga especifica de la regeneración.
La carga específica de regeneración es la relación entre el flujo del regenerante y el volumen de resina en el equipo. Se expresa en m³/m³h.
El flujo de la operación de regeneración es de 391 L/h (0.391 m³/h) como se planteó anteriormente.
El valor recomendado por el fabricante es de 2 a 7 h ¹ (ver valores de condiciones de trabajo)
Este valor de carga específica de regeneración se encuentra aceptable de acuerdo con lo recomendado por el fabricante.
De operar con cargas específicas muy bajas se viola la cinética de intercambio del proceso, lo que puede traer consigo que la resina no quede bien regenerada y el intercambio de los iones con la resina no sea el más eficiente agotándose ésta más rápidamente (ya que los iones calcio y magnesio que se incorporan a la disolución retornan a la matriz de la resina dada su selectividad y el aumento de su concentración en la disolución) y por ende menos volumen de agua a tratar. Una de las formas de eliminar este inconveniente, en caso de presentarse, es disminuyendo la concentración de la solución regenerante a un 15% (el fabricante recomienda una concentración de regenerante de un 8 – 20%), así se aumentaría el flujo de regeneración y la carga específica, contribuyendo a una disminución de la cantidad de regenerante a utilizar.
Enjuague (lento)
Este paso se hace al mismo caudal de regeneración; su objetivo fundamental es que todo el regenerante continúe pasando a través del lecho con igual velocidad.
Carga específica del enjuague lento (Slavl).
Este resultado coincide con lo estipulado por el Fabricante.
Enjuague (rápido)
Esta operación tiene como objetivo eliminar el excedente de la solución regenerante. Por lo general, se realiza al mismo flujo de servicio o agotamiento. Se establece como ejemplo que se efectúa el enjuague rápido a un flujo de 2.15 m³/h por un tiempo de 30 minutos.
Fuentes:
T.C. Winter, J.W. Harvey, O.L. Franke, W.M. Alley. (1998). Ground Water and Surface Water – a Single Resource. U.S. Geological Survey Circular (1998), p. 1139
Zagorodni A.A., Kotova L.D. y Selemnev F.V. (2002). Infrared spectroscopy of ion Exchange resins: chemical deterioration of the resins. React. Funct. Pol. 53, 157–171.
Yinghan Deng, Michel-Alexandre Cardin. (2013). Valuing flexibilities in the design of urban water management systems. Water Research. Volume 47, Issue 20, Pages 7149-7336.