Intercambio iónico
El intercambio iónico es un proceso de tratamiento de aguas que se usa para eliminar iones indeseables del agua y reemplazarlos con iones deseables.
Las aplicaciones del intercambio iónico en el tratamiento de aguas y aguas residuales incluyen:
- Eliminación de la dureza del calcio y magnesio.
- Eliminación de hierro (Fe) y manganeso (Mn) aguas subterráneas.
- Remoción de metales pesados y contaminantes orgánicos.
- Desmineralización: remoción de todos los sólidos disueltos.
- Remoción de nutrientes: NO3–, NH4+, PO43-
La aplicación más común del intercambio iónico es el ablandamiento de agua o la eliminación de la dureza. En este proceso de tratamiento, el calcio y el magnesio que están presentes en el agua son reemplazados por sodio.
¿Cómo funciona el intercambio iónico?
En el proceso de intercambio iónico, el agua fluye a través de una resina insoluble que puede intercambiar iones con el agua.
La resina es generalmente un polímero sintético. Está compuesta de una matriz polimérica reticulada que contiene grupos funcionales cargados, enlazados a las cadenas poliméricas. La resina está saturada con contraiones que llevan una carga opuesta a la carga de los grupos funcionales. Estos iones son móviles e intercambiables.
Los iones en el agua son intercambiados por los contraiones adsorbidos a la resina, que tienen una carga similar y, por lo tanto, se eliminan.
Tipos de resinas de intercambio iónico
Existen dos tipos de materiales de intercambio iónico:
- Materiales de intercambio de cationes (+): reemplazan los iones cargados positivamente en el agua con otros iones cargados positivamente retenidos por la resina.
- Materiales de intercambio aniónico (-): reemplazan los iones cargados negativamente en el agua con otros iones cargados positivamente retenidos por la resina.
Los tipos de resina se pueden dividir en cuatro grupos:
- Resina de intercambio catiónico de ácido fuerte: puede eliminar cualquier catión del agua, si el ion móvil es H+, e iones divalentes si el ion móvil es sodio (Na +).
- Resina de intercambio catiónico de ácido débil: el grupo funcional que crea el sitio de intercambio es un grupo carboxílico. Se utilizan principalmente para eliminar la alcalinidad y para algunas aplicaciones únicas.
- Resina de intercambio aniónico de base fuerte: cuando el ion móvil es OH–, pueden eliminar cualquier anión.
- Resina de intercambio aniónico de base débil – el grupo funcional es poliamina. Eliminan los aniones de ácidos fuertes, tales como cloruros, sulfatos y nitratos.
La vida útil de las resinas es entre los 5 y 10 años.
La selectividad de la resina
Cada resina tiene una afinidad diferente («preferencia») a ciertos iones.
La selectividad depende de:
- Las propiedades de la resina: distribución del tamaño de poros, tipo de grupos funcional etc.
- Las propiedades del ion de intercambio: valencia, radio hidratado. Radio hidratado más pequeño – mayor afinidad.
- El porcentaje de enlaces cruzados.
La selectividad de las resinas comunes sigue las siguientes series.
Intercambio catiónico:
H + <Li + <Na + <NH4+ <K+ <Cs + <Ag+ <Mg2+ <Zn2+ <Cu2+ <Cd + <Ni + <Ca + <Sr + <Pb2 + <Ba2 + <Y3+ <La3+
Por ejemplo, el H+ adsorbido a la resina se intercambiará por cualquier otro catión, el potasio (como el ion presaturante) se intercambiará por el calcio, es decir, eliminará el calcio. Sin embargo, una resina saturada por potasio no podrá eliminar el sodio del agua. .
Intercambio aniónico:
OH- ≈F- <Cl- <Br- <MoO42- <PO42– <AsO43– <NO3- <CrO4 <SO42-
Por ejemplo, el OH adsorbido a la resina será intercambiado por cualquier otro anión.
La regeneración de la resina
Una de las ventajas de las resinas del intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio.
La capacidad de intercambio es la cantidad máxima de iones que la resina puede intercambiar antes que la regeneración será necesaria. Se expresa como miliequivalentes por mililitro de resina.
El intercambio iónico debe regenerarse una vez que la resina se haya agotado y ya no elimina los iones indeseados eficientemente.
La regeneración se realiza con salmuera, generalmente a concentración del 10%.
Durante la regeneración, el contraión móvil se adsorbe a la resina, reemplazando el ion que se ha eliminado del agua
El tiempo requerido para la regeneración suele ser de 20 a 40 minutos.
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