EQUIPOS UTILIZADOS EN EL INTERCAMBIO IONICO

1. DESMINERALIZADORES

La desmineralizador es un equipo utilizado para eliminar sólidos disueltos en el agua. El proceso mediante intercambio iónico emplea resinas catiónicas y aniónicas, que pueden ser base fuerte o base débil dependiendo la calidad del agua a obtener y los contaminantes que se requiera remover

Una vez que las resinas han agotado su capacidad de intercambio iónico, es necesario regenerarlas para que vuelvan a recuperar sus propiedades. Se tiende a alargar el máximo posible los ciclos para espaciar las regeneraciones, minimizando así los residuos generados.

También existen los desmineralizadores de lechos mixtos constituidos generalmente por una mezcla de resinas aniónicas y catiónicas fuertes, proporcionando una mayor eliminación de iones. Se utilizan cuando se precisa un agua de características especiales con una eliminación de iones superior a lo habitual.

La tendencia actual es emplear estas instalaciones de desmineralización como proceso de afine tras una ósmosis inversa, en función de la calidad del agua a tratar.

2. DESCALCIFICADORES

El descalcificador es un equipo utilizado para la eliminación de la dureza en el agua (calcio y magnesio) mediante el uso de resinas de intercambio iónico: al pasar los iones calcio y magnesio a través del descalcificador éstos quedan retenidos en la resina de intercambio iónico, siendo en su lugar liberados iones sodio.

El descalcificador consta de:

Una botella, generalmente de fibra de vidrio, parcialmente llena de resina. Una válvula (ó válvulas) para el correcto funcionamiento del equipo. Un depósito lleno de sal (cloruro sódico).

La dureza del agua producirá incrustaciones en la instalación a la que suministra el agua (caldera, circuito de refrigeración, …) lo que hace que disminuya su eficacia y su vida útil.

El funcionamiento consta de dos fases muy diferenciadas:

Servicio: el agua pasa a través del descalcificador quedando retenida la dureza en la resina. En su lugar la resina aporta sodio; es decir la resina cambia dureza por sodio provocando que el agua a la salida ya no sea dura. Al ir pasando el agua a través de la resina cada vez quedan más iones calcio y magnesio retenidos hasta que la resina está agotada.

Regeneración: para devolverla a su estado inicial pasamos una solución de sal a través de la resina. Esta sal proviene del depósito del que consta el equipo. Una vez terminada la regeneración el equipo está listo para entrar en servicio comenzando un nuevo ciclo.

Los descalcificadores pueden ser cronométricos o volumétricos. Los cronométricos regeneran por tiempo mientras que los volumétricos lo hacen por volumen de agua descalcificada.

Es importante saber que el agua descalcificada no es apta para regar, ya que es demasiado rica en sodio. Por el mismo motivo no es adecuada como agua de consumo.

3. DESNITRIFICADOR

El desnitrificador es un equipo automático utilizado para la eliminación de nitratos del agua.Los desnitrificadores trabajan mediante resinas de intercambio iónico, con regeneración volumétrica retardada o instantánea.

El desnitrificador reemplaza aniones disueltos con mayor afinidad por la resina que los cloruros por estos últimos. Esta alternativa es altamente recomendable en aguas de alto contenido de nitratos y baja salinidad, donde no es necesario desmineralizarCabe indicar que los nitratos son unos de los contaminantes más habituales presentes en aguas superficiales y especialmente en aguas subterráneas.

Un alto nivel de nitratos, ya sean disueltos en el agua o en los alimentos, puede tener efectos negativos y es un riesgo para la salud, especialmente para bebés y niños pequeños, que pueden sufrir peligro de metahemoglobinemia infantil.

4. DESCARBONATADOR

Es un equipo cilíndrico que cuenta con una zona central de mezcla y reacción, equipado co una hélice de diseño especial y un faldón de repartición para favorecer el cambio de velocidad del agua cruda y pasar por la zona clarificación.

En el descarbonatador se emplea una resina carboxílica previamente regenerada con ácido. Esta resina tiene la propiedad de fijar los cationes metálicos y liberar los aniones correspondientes en forma de ácido libre, hasta que el pH del agua tratada alcance un valor comprendido entre 4 y 5, lo que corresponde a la liberación total

del ácido carbónico de los bicarbonatos, no siendo fijados por la resina los cationes ligados a los aniones de ácido fuerte (Cloruros, nitratos, sulfatos). Una buena operación del descarbonatador dejará un máximo de 10 mg/l de CO2.

APLICACIONES INDUSTRIALES

1. TRATAMIENTO DE AGUA

1.1. Descalcificación o ablandamiento

Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina.

El calcio y el magnesio presentes en el agua determinan su dureza dando lugar a las aguas duras, las cuales obstruyen paulatinamente los circuitos por donde circula, provocando atascos en tuberías, intercambiadores de calor, calderas de vapor, torres de refrigeración, etc. El agua ablandada se usa en:

Lavanderías Calderas domésticas Calderas industriales de baja presión Industria textil

1.2. Descarbonatación

En muchas regiones del mundo — por ejemplo en Europa central y meridional — las aguas naturales contienen bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos se pueden eliminar con resinas débilmente ácidas en forma hidrógeno. Este proceso se llama también eliminación de la dureza temporal. El

agua tratada contiene gas carbónico que se puede eliminar con una torre de desgasificación. La salinidad del agua tratada es más baja que la del agua bruta.

El agua descarbonatada sirve:

Para tratar el agua de producción de cerveza y otras bebidas Para ablandar las aguas de abastecimiento en ciudades y pueblos En casa, para filtrar, ablandar y desmineralizar parcialmente el agua para

hacer café o té Como etapa inicial antes de una desmineralización completa

1.3. Desmineralización

El agua desmineralizada o el agua demi es el agua a la cual se le quitan los minerales y las sales. Se utiliza cuando se requiere agua con bajo contenido en sal o baja conductividad.

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 catiónicas, 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.

1.4. Pulido

Para obtener una calidad de agua desmineralizada aún mejor, parecida a la del agua totalmente pura, se puede instalar una columna de resinas mezcladas: una catiónica fuertemente ácida en forma H+ y una aniónica fuertemente básica en forma OH—. Estas resinas tienen que estar mezcladas en la fase de producción (agotamiento) pero hay que separarlas para regenerar. Esta separación se hace contralavando el lecho de resinas con una corriente ascendente y necesita resinas de granulometría y de densidad adecuadas.

2. INDUSTRIA AZUCARERA

2.1. Ablandamiento de agua para la extracción de azúcar

El proceso es idéntico al mencionado en el punto 1.1 (ablandamiento de agua).

2.2. Ablandamiento de jugos de remolacha antes de evaporar

La dureza de los jugos de remolacha produce incrustaciones en los intercambiadores de calor. Para evitar estas, aumentar el rendimiento térmico y ahorrar energía se pueden ablandar los jugos de azúcar. Con jugos ablandados, los intercambiadores se pueden utilizar en modo continuo sin las paradas necesarias para limpiarlos. Se emplean en este proceso resinas semejantes a las del ablandamiento de agua — intercambiadores de cationes fuertemente ácidos — pero tienen que ser de calidad autorizada para el tratamiento de alimentos y resistir las tensiones específicas de concentración y de temperatura de los jugos.

Los iones calcio y magnesio de los jugos que hay que evaporar se intercambian por los iones sodio de la resina. El ablandamiento de hace después de la carbonatación de los jugos. Se instalan generalmente dos columnas en paralelo para asegurar un funcionamiento continuo.

2.3. Desmineralización del jugo antes de evaporar

Se eliminan las sales y otras impurezas ionizadas del jugo de segunda carbonatación para aumentar el rendimiento de cristalización del azúcar. En general, cada kg de impureza eliminada produce 1.4 kg de azúcar adicional. El proceso es similar a la desmineralización de agua y emplea una resina fuertemente ácida y una resina débilmente básica, regeneradas con ácido y sosa respectivamente.

2.4. Decoloración de jarabes de caña después de evaporar

Los jarabes de caña contienen varios compuestos orgánicos que producen color y bajan el rendimiento de cristalización. La decoloración se hace con resinas fuertemente básicas macroporosas para eliminar moléculas de alta masa molecular. La regeneración utiliza salmuera. El proceso más efectivo emplea dos columnas en serie, la primera con una resina acrílica y la segunda con una estirénica como pulido.

2.5. Recuperación de azúcar en melazas

Este proceso está basado en el principio de exclusión iónica, un tipo de cromatografía con resinas de intercambio iónico que tienen una granulometría muy fina y muy uniforme. Así se pueden separar el azúcar y las impurezas, aumentando la cantidad de azúcar producido.

2.7. Inversión de sacarosa

La sacarosa (azúcar común) es un disacárido. En ambiente ácido, se separa en dos monosacáridos: la glucosa y la fructosa. Este proceso se llama inversión. El azúcar invertido tiene un sabor más dulce que la sacarosa y una tendencia menor de cristalizar, lo que es importante para ciertos productos alimenticios. La inversión se hace pasando un jarabe de azúcar por una resina catiónica fuerte de baja reticulación en forma H+.

2.8. Separación cromatográfica

Puesto que la fructosa tiene un poder edulcorante más alto que la glucosa (1,3 contra 0,7) se pueden enriquecer en fructosa los jarabes de azúcar invertido pasándolos por una columna de resina con granulometría fina y uniforme. En esta separación cromatográfica, la fructosa se retrasa con respecto a la glucosa, lo que produce fracciones que se puedan separar. La fracción rica de fructosa se recupera por su valor comercial, y la fracción de glucosa se puede vender como jarabe de glucosa o se puede isomerizar por proceso enzimático para producir más fructosa.

2.9. Desmineralización de glucosa

El principio es el mismo que la desmineralización de agua o de azúcar. Debido a la temperatura y a la concentración alta de los jarabes de glucosa se deben emplear resinas de buena resistencia física.

3. OTRAS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTICIA

3.1. Desmineralización de suero de leche

El suero de leche es un líquido obtenido en el proceso de fabricación del queso. Contiene proteínas y varios usos en la industria alimenticia. Se desmineraliza para aumentar su pureza. El principio es el mismo que la desmineralización de agua o de jugos de azúcar.

3.2. Industria de bebidas

Hay varias aplicaciones:

Tratamiento del agua para producir cerveza o refrescos. (Tratamiento de agua)

Eliminación de acidez (resina débilmente básica) Eliminación de metales Eliminación de olores o gustos indeseables Eliminación de color y de turbidez con resinas adsorbentes no iónicas

3.3. Recuperación de polifenoles

Los polifenoles son apreciados por sus propiedades antioxidantes. Se encuentran en muchas frutas, por ejemplo en uva negra. Los antocianinos — una variedad de polifenoles — se pueden recuperar en los mostos de uva.

Las principales fuentes de polifenoles son bayas, té, cerveza, uvas/vino, aceite de oliva, chocolate/cacao, nueces, maníes, granadas, yerba mate, y otras frutas y vegetales.

3.4. Ácido cítrico

Se emplea como conservante en muchos productos de la industria de alimentos. Se produce por fermentación, y necesita una purificación por desmineralización.

3.5. Aminoácidos

La L-lisina y otros aminoácidos esenciales (no sintetizados por el cuerpo humano) se producen por fermentación. Se extrae de los caldos de fermentación con una resina intercambiadora de cationes en forma amonio.

3.6. Desmineralización de sorbitol

El sorbitol es un edulcorante y emoliente usado en goma de mascar y otros productos. Se puede producir por hidrogenación de glucosa, o por procesos enzimáticos. Muchas veces necesita ser desmineralizado.

3.7. Desmineralización de gelatina

La gelatina se produce por transformación del colágeno contenido en la piel y los huesos de cerdos. Para obtener un producto de alta pureza una desmineralización es imprescindible.

4. OTRAS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA QUÍMICA

4.1. Recuperación y eliminación de metales

En talleres de galvanoplastia se pueden eliminar o recuperar metales en solución:

Recuperación de oro en talleres de electroplastia de oro para joyería en forma de complejos de cianuro.

Reciclado de las aguas de lavado en galvanoplastia. Eliminación de cobre y de hierro en los talleres de cromado. Recuperación de ácido crómico en talleres de cromado. Eliminación de hierro en baños de galvanizado. Purificación de baños de decapado de metales por eliminación de hierro y de

zinc en forma de complejos de cloruro.

Otros ejemplos:

Recuperación de plata en forma de complejos de tiosulfato en baños de tratamiento de fotografía.

Eliminación selectiva de mercurio en varias industrias. El cadmio se puede eliminar también con la misma resina Recuperación de catalizadores de vanadio o de cobre en la producción del

ácido adípico.

4.2. Producción de sosa y de cloro

Estos productos se obtienen por electrólisis de salmuera saturada. En este proceso, la presencia de metales divalentes no está permitida. Para eliminar esos (principalmente el calcio) se emplea una resina selectiva quelatante. Esta decalcificación baja la concentración inicial de calcio de 10 - 20 mg/L a valores de menos de 20 µg/L.

4.3. Fenol

Dos aplicaciones:

Eliminación de ácido sulfúrico y de ácidos orgánicos creados en el proceso de producción del fenol. La resina usada es una débilmente básica con esqueleto formo-fenólico.

Eliminación de fenol en aguas de rechazo industrial. Se hace con una resina adsorbente no iónica, que se regenera con acetona.

4.4. Purificación de peróxido de hidrógeno

Se emplean resinas en dos procesos distintos:

Eliminación de derivados de la antraquinona, moléculas orgánicas que se pueden fijar en resinas adsorbentes no iónicas, las cuales se regeneran con metanol.

Eliminación de trazas metálicas, principalmente hierro, con una resina catiónica fuertemente ácida. El tratamiento tiene lugar a cargas volúmicas elevadas.

En ambos casos se obtiene una calidad excelente. El peróxido de hidrógeno es un oxidante fuerte y requiere muchas precauciones en ambos procesos.

5. CATÁLISIS

Un catalizador es un compuesto que aumenta la velocidad de una reacción química hasta su equilibrio sin ser consumido durante la reacción. La mayoría de las reacciones químicas, especialmente en la industria petroquímica, donde se solía emplear un ácido inorgánico como catalizador, se catalizan hoy con resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas en forma H+. Estas resinas funcionan en

condiciones difíciles, especialmente a temperaturas altas (130 – 170 °C), y deben tener la acidez más elevada posible.

Mencionaremos unos ejemplos:

5.1. Alquilación

Producto OctilfenolReactantes Octano + fenolCatalizador Amberlyst

15DryTemperatura 100 – 120 °C

5.2. Condensación

Producto Bisfenol AReactantes Acetona +

fenolCatalizador Amberlyst

131Temperatura 60 – 80 °C

5.3. Esterificación

Producto DimetilmaleatoReactantes Anhídrido

maléicoCatalizador Amberlyst 46Temperatura 110 °C

5.4. Eterificación

Producto Metil-ter-butil éter (MTBE)

Reactantes Isobutileno + metanolCatalizador Amberlyst 35Temperatura 40 – 80 °C

5.5. Deshidratación

Producto IsobutilenoReactantes IsobutanolCatalizador Amberlyst

35Temperatura 70 – 80 °C

5.6. Hidrogenación

Producto Metil-isobutilcetona (MIBK)Reactantes AcetonaCatalizador Amberlyst CH28 (dopado con

paladio)Temperatura 130 – 140 °C

6. INDUSTRIA FARMACÉUTICA

Las aplicaciones son numerosas y complejas. La industria farmacéutica es bastante secreta, así que pocos detalles son conocidos. Mencionaremos no obstante unos ejemplos:

6.1. Extracción y purificación de antibióticos

Los procesos valen para varios antibióticos. Se trata de purificarlos después de su extracción de caldos de fermentación. Ejemplos: estreptomicina, gentamicina, cefalosporina, tetraciclina.

6.2. Medicamentos de liberación progresiva

Resinas intercambiadoras de iones en polvo de alta pureza se incorporan en formulaciones. Los principios activos del medicamento están inmovilizados en la resina y difunden más lentamente en el organismo humano que si fuesen en su estado bruto.

6.3. Resinas utilizadas directamente como medicamento

Los mismos tipos de resina del punto 6.2 pueden servir como principio activo del medicamento. Evidentemente tienen que cumplir con especificaciones muy estrictas y tener certificados de calidad de las autoridades de salud. Aquí dos ejemplos:

La coliestiramina, empleada para bajar el nivel de colesterol, es un polvo basado en resina fuertemente básica en forma cloruro.

La polacrilina potasio, un medicamento para regular el nivel de potasio en la sangre, es un polvo de resina débilmente ácida con esqueleto metacrílico.

6.4. Enmascarantes de gusto

Resinas semejantes sirven para enmascar el gusto desagradable de ciertos medicamentos.

6.5. Cromatografía de producción

Resinas con una granulometría muy fina sirven para la separación fina de moléculas en lugar de gel de sílice o de otros substratos.

7. APLICACIONES DIVERSAS

7.1. Industria minera

La aplicación más significativa, utilizando millares de metros cúbicos de resina, es la extracción de uranio. El mineral molido de uranio se trata con ácido sulfúrico que solubiliza el metal en forma de sulfato de uranilo. Esta solución pasa después en lechos de resina intercambiadora de aniones fuertemente básica que tienen una afinidad excelente para el complejo de uranio y de sulfato.

7.2. Inmovilización de enzimas

En reacciones enzimáticas es más cómodo inmovilizar la enzima en un substrato en lugar de añadirla al medio de reacción. Resinas de intercambio son ideales para esta aplicación.

7.3. Hidrocultura

Resinas intercambiadoras de cationes y aniones se pueden usar para fijar los componentes fertilizantes necesarios para el crecimiento de plantas en cultura hidropónica: amonio, potasio, hierro, zinc (cationes) y nitrato, fosfato (aniones). Las resinas contienen también oligoelementos. Esta tecnología permite una difusión progresiva de los elementos nutritivos sin riesgo de sobredosis.