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DESMINERALIZACION

Introduccin

Desmineralizacin es la eliminacin de todas lassales inorgnicas de la solucin a travs deintercambio inico. En ese proceso, el intercambiode cation convierte las sales disueltas en cidos,y el intercambio aninico elimina esos cidosdejando el agua pura (Figura 1). Hay solamenteotro proceso comercial que produce agua de unapureza comparable: la destilacin. Como ladesmineralizacin de la mayora de las aguas fres-cas es substancialmente ms barata que ladestilacin, y es ampliamente usada.

Figura 1 - La desmineralizacin suprime todas las salesdisueltas que salen del agua pura.

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DESMINERALIZACION

Los Principios de laDesmineralizacin

El sistema de desmineralizacin consiste de dos oms unidades de intercambio inico, incluyendo unaunidad de intercambio catinico y una unidadde intercambio aninico (Figura 2).

Figura 2 - Un desmineralizador consiste de dos o msunidades.

En la primera etapa es la resina catinica, queintercambia iones de hidrgeno (H+) por cationesindeseables como calcio, magnesio o sodio. En lasegunda etapa las resinas aninicas cambian ioneshidrxilo (OH+) por aniones no deseados comosulfato, cloruro, bicarbonato o nitrato (Figura 3).

Cation Anion

guapura

Figura 3 - Las dos etapas de desmineralizacin.

El intercambio de cation fuertemente cidoconvierte las sales a una cantidad equivalente delos cidos correspondientes. Bicarbonatos, sulfa-tos y cloruros cambian a cidos carbnico, sulfri-co y clorhdrico. Los dos ltimos son acidez mine-ral libre o FMA. El agua que sale de la unidadcatinica fuerte es una solucin dbil de esos ci-dos. El cido carbnico ms tarde se descomponey genera dixido de carbono, que puede ser remo-vido por aireacin.

Existen dos categoras generales de resinas deintercambio aninico - base dbil y base fuerte.Las resinas aninicas de base dbil remueven ionescloruro y sulfato como aniones fuertementeionizados, pero no remueven los cidos carbnicoy silcico dbilmente ionizados, provenientes dedixido de carbono y slice. Es necesaria una resi-na aninica fuertemente bsica para remover losiones dbilmente ionizados. La resina de base fuerteelimina tambin todos los cidos minerales fuertes.

El cido sulfrico es normalmente usado para re-generar la resina catinica pues tiene el costo msbajo de todos los cidos minerales (Figura 4).

Figura 4 - El cido regenera la resina catinica.

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DESMINERALIZACION

Los Principios de laDesmineralizacin

El hidrxido de sodio regenera la resina aninica(Figura 5).

Figura 5 - El custico regenera la resina aninica.

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DESMINERALIZACION

Operacin de Desmineralizacin

Los desmineralizadores tratan el agua durante elciclo de servicio. La resina catinica elimina loscationes no deseados y los remplaza por cidos.Cuando el cido acaba, la resina debe ser retiradade lnea y regenerada. El ciclo de regeneracinrepone la reserva de cido en las perlas deintercambio catinico. La resina de intercambioaninico sigue el mismo proceso bsico de servicioy regeneracin - la nica diferencia es el uso decustico para regenerar la resina. La operacin dedesmineralizacin se alterna entre los ciclos deservicio y de regeneracin.

Ambos ciclos de servicio y de regeneracin tienendirectrizes qumicas e hidrulicas especiales. Exa-minemos cada ciclo detalladamente.

La tasa de flujo de servicio debe ser restringida a5-10 gallones por minuto por pie cuadrado del reasuperficial de resina durante el servicio normal y lacalidad del efluente debe permanecerrazonablemente constante durante el ciclo deservicio (Figura 6).

Figura 6 - Se recomienda un flujo de servicio de 5-10 gpm/ft2

En el final de um perodo de servicio, la conductividaddel agua tratada o el aumento de silica muestra quelos iones indeseables estan pasando atravs de launidad... llamamos a esto breakthrough(Figura 7).

Figura 7 - Rompimiento es el surgimiento de ines nodeseados en el agua tratada e indica el trmino del servicio.

Eso ocurre porque la resina catinica ha agotadosu provisin de cido y la resina aninica suprovisin de custico. Cuando ocurre elrompimiento, la provisin de cido de la resinacatinica y la provisin de custico de la resinaaninica deben ser repuestas por el proceso quese llama regeneracin.

Al final de un ciclo de servicio de una unidad aninicode base fuerte, la slice aumenta, el pH disminuye,y la conductividad es temporalmente reducida ydespus aumenta (Figura 8).

Figura 8 - Tpico ciclo de servicio de un intercambiadoraninico. (Notar la cada de conductividad al final del ciclo deservicio).

Caida de laconductividad

Con

dutiv

idad

del

eflu

ente

Sili

ca e

n el

eflu

ente

Inic

io d

e la

act

ivid

ad

Fim

del

ser

vici

o

ConductividadSlica

Servicio

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DESMINERALIZACION

Operacin de Desmineralizacin

La cada temporal de la conductividad cuando lacapacidad de la resina es saturada se explica facil-mente. Durante el ciclo normal de servicio, unapequea cantidad de sodio escapa de la resinacatinica. Mientras la resina aninica convierte losaniones en iones de hidroxilo (OH), los iones desodio se combinan con el grupo hidroxilo y producenpequeas cantidades de hidrxido de sodio, NaOH,que tiene alta conductividad. Cuando la capacidadde la resina aninica se agota, la fuga de sliceconvierte la fuga de sodio en silicato desodio,material con menor conductividad que elhidrxido de sodio.

Cuando se detecta un aumento de slice, eldesmineralizador debe ser retirado rpidamente delservicio. Si el desmineralizador permaneciera enservicio hasta que la conductividad aumentara, elslice del agua no tratada escapa, y los iones desulfato y cloruro del agua bruta desplazan ms slicede la resina. En esas circunstancias, la slice delagua tratada puede exceder el nivel de slice delagua bruta. Se puede usar un medidor para medirla cantidad de agua tratada juntamente con unanalizador contnuo de slice y una sonda deconductividad ubicada un poco arriba del fondo dela capa de resina para sealar la necesidad deregeneracin.

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DESMINERALIZACION

Regeneracin

El retrolovado es la primera parte del proceso deregeneracin. El flujo de agua es invertido a travsdel a 5-10 gallones por minuto por pie cuadradodurante 10 minutos para eliminar suciedad o part-culas acumuladas, o resina fracturada (Figura 9).Es importante aflojar y tratar la resina para evitarempaquetamiento y posible formacin de canalesen los ciclos de servicio subsiguientes.

Despus que la resina fue totalmente retrolavada,una solucin de cido sulfrico diludo es inyectadaen la unidad catinica para retirar iones de sodio,calcio y magnesio de la perlas y reemplazarlos poriones hidrogeno (Figura 10). Figura 9 - El retrolavado suprime del lecho astillas y partculas

de resina acumuladas.

Figura 10 - Sistema tpico de regeneracin catinica.

BOMBAS

PARA UNIDADES

DE CATIONAGUA DEALIMENTACION

MUESTRA

DESECHOS

TANQUE DE DEPOSITODE ACIDO

TANQUE DEPREPARACION

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DESMINERALIZACION

Regeneracin

Figura 12 - Desplazamiento cido

Eso asegura un contacto completo del cido contodas las perlas de resina en la unidad. Despusde una limpieza lenta se hace una limpieza rpidapara eliminar todos los vestigios de cido del tan-que y preparar el lecho para retornar al servicio.

El cido es inyectado en forma de etapas del dos alseis por ciento para eliminar la posibilidad deformacin de sulfato de calcio en la resina, lo quepuede ocurrir si se usa inicialmente una solucinde cido fuerte (Figura 11).

Figura 11 - Introduccin por etapas de cido sulfrico.

Desplazamiento cido o lavado lento sigue laintroduccin de cido, con el mismo flujo(Figura 12)

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DESMINERALIZACION

Regeneracin

La regeneracin de una unidad aninica despusdel ciclo de servicio, ocurre de manera semejante,excepto que hay un renegerante diferente y una eta-pa adicional. Es usado hidrxido de sodio o custi-co para regenerar la resina aninica (Figura 13). Siquiere una eliminacion de slice ms completa,es necesario precalentar el lecho de resinaaninica hasta cerca de 120 C para ejecutar unaeliminacion de slice ms eficiente de las perlas deresina. La necesidad de agua para el retrolavadode resina aninica vara de uno a tres gal por minu-

to por pie cuadrado de superficie de resina, deacuerdo a la temperatura del agua. Se recomendahabitualmente tasas de flujo de regenerante yenjuague de 0,25 a 1,5 galln por minuto por piecbico de resina respectivamente. Debe ser usa-da agua desmineralizada para la regeneracin deresina aninica pues el agua no tratada causaprecipitacin de sales de calcio y de magnesio enel lecho de resina. El custico usado para regene-rar resinas aninicas de base fuerte debe ser adici-onado como solucin al cuatro por ciento.

Figura 13 - Sistema tpico de regeneracin aninica.

BOMBAS

PARA UNIDADES

ANIONICAS

MUESTRA

TANQUE DE DEPOSITO DE CAUSTICO

TANQUEDE

DEPOSITO

AGUA DE

ALIMENTACION

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DESMINERALIZACION

Equipo de Desmineralizacin

Las unidades de intercambio catinico y aninicopara la desmineralizacin son semejantes a losusados para la filtracin y ablandamiento por zelita.La nica diferencia es que el interior del tanque esrevestido con goma o plstico (Figura 14). Latubera, vlvulas y accesorios deben ser revestidosinternamente o hechos de materiales resistentesa cido. Vlvulas de bloqueo o vlvulas de desvioestn ubicadas en los dos unidades, para que cadaunidad es aislada y regenerada separadamente sinel riesgo de contaminar la otra unidad.

Carcaza deAcero alCarbono

soldada yforrada con

caucho

Baffle Primario

BaffleSecundario

Entrada de Agua no Tratada

Entrada deRegenerantee

Difusor deRegenerante

Resina deIntercambioinico

Salida deAguaTratada

Sistema dedrenajeinferior

Plataforma

Figura 14 - Unidad de desmineralizacin.

Entrada de Difusor de Alta Tasa y Colector de Retrolavado

Boca de Visita

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DESMINERALIZACION

Equipo de Desmineralizacin

El sistema de desmineralizacin vara de acuerdoa las exigencias de la aplicacin. La Figura 15muestra nueve sistemas bsicos de

desmineralizacin e indica reas de aplicacin,calidad de agua tratada tpica y las ventajas ydesventajas relativas a cada sistema.

Sistema Desmineralizacin Aplicacin Efluentes Tpico Ventajas y Desventajas

Slice y CO2 sonacceptables

Slice es acceptable pero esnecesario eliminar CO2.

Agua no tratada con bajaalcalinidad, necesariaeliminacin de slice.

Elevada alcalinidad, agua no tra-tada, eliminacin de slicenecesaria

Elevada alcalinidad, agua bru-ta: sulfato y cloruro. Necesario eli-minar slice.

Concentraciones elevadas dedureza, alcalinidad, sulfato ycloruro en el agua no tratada.Necesario suprimir slice.Elevada alcalinidad, alto nivel desodio en el agua bruta, necesariaagua tratada de alta pureza.

Baja concentracin de slidos,agua bruta, necesaria agua tra-tada de alta pureza.

Concentracin elevada dealcalinidad y slidos disueltos enel agua no tratada, necesariaagua tratada de alta pureza.

Conductividad especfica 10-30micromhos. Slice nointercambiada.Conductividad especfica de 10-20 micromhos.Slice no intercambiada

Conductividad especfica de 5-15 micromhos. Slice 0,02-0,10ppm.

Conductividad especfica de 5-15 micromhos.Slice 0,02-0,10ppm.

Conductividad especfica de 5-15 micromhos.Slice 0,02-0,10ppm.

Conductividad especfica de 5-15 micromhos.Slice 0,02-0,10 ppm.

Conductividad especfica de 1-5micromhos.Slice 0,01-0,05ppm.

Conductividad especfica inferi-or a 1 micromho.Slice 0,01-0,05 ppm.

Conductividad especfica inferi-or a 1 micromho. Slice 0,01-0,05 ppm.

Costos bajos de equipo yregenerantes.

Costos bajos de regenerante,pero es necesariorebombeamiento.Costos bajos de equipo,rebombeamiento no necesario,costos elevados de productosqumicos.

Costos bajos de productos qu-micos, rebombeamentonecesario.

Costos bajos de productos qu-micos, rebombeamentonecesario.

Costos ms bajos de productosqumicos, equipo de costoelevado, necesario rebombear.Bajo costo de productos qumi-cos, equipo de costo elevado,necesidad de rebombear.

Bajo costo de equipo, costoelevado de productos qumicos.

Costo ms bajo de productosqumicos, costo ms elevado deequipo, rebombeamentonecesario.

Cation dehidrogenofuertementecido

SA

Cation dehidrogenoddilmentecido

WABaseaninicaDbil

WBBaseaninicaFuerte

SBDescarbonatadoro Desaireadoral Vacio

DLechoMixtoMB

WBSA

WBSA D

SBSA

SA D SB

WBSA D SB

WA SA D WB SB

SA D SB SA SB

MB

SA D SB MB

Llave:

Figura 15 - Sistemas de Desmineralizacin.

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DESMINERALIZACION

Desmineralizadores de Lecho Mixto

Desmineralizadores de lecho mixto usan unanica unidad que contiene una mezcla de resinasde intercambio catinico y aninico (Figura 16).Efectivamente, un lecho mixto es casi como, unnmero infinito de desmineralizadores catinico /aninico de dos etapas y en serie. Cada perla deresina aninica agarra el cido producido por la perlacatinica vecina. Como el cido es removido amedida que es formado, posibilita que la reaccinde intercambio inico se complete.Por lo tanto, eltratamiento en un lecho mixto ofrece el mejor mto-do para obtenerse agua pura.

ENTRADA Y SALIDADE RETROLAVADO

ABERTURA DEVENTILACION

ENTRADA DELDISTRIBUIDOR DE AGUA

DISTRIBUIDORDE REGENERANTE

TOPE DELA RESINA

MATERIAL ANINICO

COLECTORDE INTERFACE

MATERIAL CATIONICO

DRENAJESINFERIORESLATERALES

SALIDASOPORTES DE CILINDRO

CONCENTRICO SIN REVESTIMIENTO

INTERNO

Figura 16 - Unidad de intercambio inico de lecho mixtoindicando la distribucin interna y visores.

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DESMINERALIZACION

Desmineralizadores de Lecho Mixto

Un desmineralizador de lecho mixto es regenera-do primeramente por el retrolavado para limpiar lasperlas de resina y para separarlas (Figura 17).

La resina aninica ms ligera sube para la superficiey la resina catinica ms pesada se decanta en elfondo. Debe ser visible a travs de un visor ubicadoal lado del tanque, una lnea definida entre las resi-nas separadas. La resina catinica es regeneradacon cido semejante a la resina de zelita dehidrgeno normal, mientras la resina aninica esregenerada con custico. Se usa aire para mezclarla resina siguiendo las etapas de regeneracin. Lacalidad del agua tratada y la capacidad de la unidadpueden ser afectadas si la resina no es completa yuniformemente mezclada.

SERVICIO

AGUABRUTA

RESINA MIXTA

TRATADA

SERVICIO

DRENOJE

ANION

Cation

AGUABRUTA

RETROLAVADO

ALCALIS

Anion

Cation DRENAJE

ACIDO

REGENERACIONSIMULTANEA

Resinamixta

AIRE

MEZCLA

AGUABRUTA

Resinamixta

TRATADA

Figura 17 - Etapas significativas de la regeneracin de un demineralizador de lecho mixto

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DESMINERALIZACION

Otros Procesos

Desarrollos recientes en el intercambio inico hanllevado al uso de nuevas tcnicas para solucionarproblemas y dirigidos a una desmineralizacin mseconmica. Una tcnica relativamente nueva es laaplicacin comercial de intercambio inico decontracorriente. En ese proceso el agua pasa atravs de la columna de resina para penetrarprimeramente en la resina casi agotada, alcanzandoprogresivamente la resina en fases ms avanzadasde regeneracin hasta que, un poco antes de salirde la columna, pasa a travs de la resina recinregenerada. Se logra reducir considerablemente lafuga mediante la operacin de contraflujo.

Otra tcnica importante es el uso de resina en ca-pas, habitualmente resinas dbilmente bsicas yfuertemente bsicas en una misma columna.Como la resina bsica dbil es menos densa quela resina bsica fuerte, el retrolavado despus de laregeneracin hace que la resina de base dbil for-me una capa sobre la resina de base fuerte. Si laresina de base dbil es seleccionadaapropiadamente, la capa por ella formada protege-r la resina de base fuerte contra contaminantesorgnicos y tambin eliminar la acidez mineral demodo econmico. Esto tambin puede ser aplica-do a unidades catinicas en donde la resina catinicadbilmente cida es usada en la mismo unidad /tanque que la resina catinica fuertemente cida.En ambos casos puede haber significativaeconoma de regenerantes.

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DESMINERALIZACION

amplamente usada como agua de alimentacin decaldera de alta presin, en el agua de proceso qu-mico, en la produccin de equipos electrnicos, enla fabricacin de productos farmacuticos y en lasinvestigaciones acadmicas.

Sistemas de desmineralizacin pueden produciragua de pureza comparable a aquella obtenida pordestilacin, y con agua de alimentacin muy fres-ca, por una fraccin del costo. Desmineralizadorescon lecho mixto producen agua con unaconductividad especfica de 0,055 micromhs a 77oF.Existen sistemas de desmineralizacin en un am-plio rango de tamaos, desde pequeas columnasde laboratorio, con pocos galones por hora, hastagrandes unidades con capacidad de producir milesde galones por minuto. Puede obtenerse unaoperacin eficiente en sistemas de casi todos lostamaos.

Igual que otros sistemas de intercambio inico, losdesmineralizadores actan eficientemente solo siel agua de alimentacin est libre de materia sus-pendida y materiales oxidantes , como porejemplo cloro. Resinas de intercambio inico sonms susceptibles a materiales orgnicos. Resi-nas de desmineralizacin estndar no pueden su-primir material coloidal o ciertos materialessecuestrados orgnicamente, y su presencia ines-perada causa contaminacin por slice o hierro enalgunas reservas de aguas de alimentacindesmineralizadas. Mientras algunos materialesorgnicos pasan a travs de las columnas dedesmineralizacion sin causar daos, otros puedenensuciar seriamente los lechos de resina aninica.

Ventajas y Limitaciones

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DESMINERALIZACION

Cuestionario

1. La desmineralizacin involucra dos etapas. La primera convierte las sales disueltas en sus _____________correspondientes.

2. Los cidos producidos en la unidad catinica son eliminados en la unidad de intercambio.

3. El nivel de slice, prcticamente constante durante el ciclo completo de servicio de un desmineralizador,____________ bruscamente al trmino de un ciclo.

4. La conductividad, tambin practicamente constante durante el ciclo de servicio,

____________ un poco, al final y despus _____________.

5. Un sistema de desmineralizacin que usa una mezcla de resinas catinica fuertemente cida y aninicafuertemente bsica en la misma columna es llamado desmineralizador de ___________________.

6. La resina de intercambio catinico es regenerada con ______________. La resina de intercambio aninicoes regenerada con ____________.

7. Cuando se debe eliminar slice aplicando regenerante a una temperatura alrededor de _________ seobtiene una mejor regeneracin.

8. Como otros sistemas de intercambio inico, los desmineralizadores actan eficientemente solo si elagua de alimentacin est libre de materia suspendida y de materiales oxidantes como _____________.

9. El fabricante del sistema de desmineralizacin en su planta es ________________________.

10. Cuntos galones de agua estn siendo desmineralizados por el sistema de su planta, antes que necesiteser regenerado? _____________.