Aplicación de resinas de intercambio iónico en sistemas de tratamiento de agua

1. Definición de ion Resina de intercambio

Las resinas de intercambio iónico son compuestos poliméricos insolubles que presentan grupos funcionales y una estructura reticular, generalmente con forma de perlas esféricas. El nombre completo de una resina de intercambio iónico se compone de su nombre de clasificación, nombre de la matriz (esqueleto) y nombre básico. Actualmente, las resinas de intercambio iónico se utilizan ampliamente en numerosos campos, como el tratamiento de aguas, la industria química, la metalurgia, la alimentación, la fabricación de cuero y la producción farmacéutica ultrapura.

2. Clasificación de las resinas de intercambio iónico según la calidad del agua

Las resinas de intercambio iónico se pueden clasificar, según su tipo de matriz, en resinas de estireno y resinas acrílicas. El tipo de grupos funcionales químicamente activos en la resina determina sus propiedades principales y su categoría. Se dividen principalmente en dos grupos principales: resinas de intercambio catiónico y resinas de intercambio aniónico, que pueden intercambiar cationes y aniones en solución, respectivamente. Las resinas catiónicas se subdividen en resinas de catión ácido fuerte (SAC) y resinas de catión ácido débil (WAC). De igual manera, las resinas aniónicas se subdividen en resinas de anión básico fuerte (SBA) y resinas de anión básico débil (WBA).

3. Aplicación de resinas de intercambio iónico en la industria del tratamiento de agua.

La industria del tratamiento de aguas es uno de los primeros campos de aplicación de las resinas de intercambio iónico y representa una demanda significativa, representando aproximadamente el 90% de la producción total de resinas de intercambio iónico. En la purificación de agua, estas resinas se utilizan para el ablandamiento, la desalinización y la producción de agua ablandada, agua pura y agua ultrapura. En el tratamiento de aguas residuales, se utilizan principalmente para reducir la concentración de iones de metales pesados ​​mediante una reacción de intercambio entre los iones intercambiables de la resina y los iones de metales pesados ​​presentes en las aguas residuales, logrando así una purificación avanzada.

3.1 Aplicación de resinas de intercambio iónico en el ablandamiento del agua

a. Composición y función de los filtros suavizantes:

Los descalcificadores de agua totalmente automáticos constan principalmente de tres componentes clave: el tanque de resina, la válvula de control multipuerto automática y el tanque de salmuera. El tanque de resina contiene resina de intercambio iónico, responsable de adsorber los iones de calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺) del agua. La válvula de control multipuerto actúa como controlador del equipo de descalcificación, gestionando los ciclos automáticos de funcionamiento, regeneración, enjuague, retrolavado y llenado del tanque de salmuera. El tanque de salmuera almacena la sal (NaCl) utilizada durante el proceso de regeneración de la resina.

b. Principio de funcionamiento de las resinas suavizantes:

Las resinas suavizantes eliminan principalmente los iones de dureza del agua mediante intercambio iónico. Estos iones, principalmente calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺), son los principales responsables de la dureza del agua. La resina suavizante contiene abundantes iones de sodio (Na⁺). A medida que el agua pasa por el lecho de resina, los iones de sodio de la resina se intercambian con los iones de calcio y magnesio del agua, eliminando así los iones de dureza.

c. Aplicaciones de los filtros suavizantes:

Las aplicaciones incluyen agua de alimentación de calderas, agua de reposición para sistemas de aire acondicionado, intercambiadores de calor, fabricación de papel, impresión y teñido, textiles, agua para procesos petroquímicos, productos biofarmacéuticos, electrónica, pretratamiento para sistemas de agua pura y sistemas industriales de descarga cero de líquidos (ZLD).

3.2 Aplicación de resinas de intercambio iónico en la producción de agua pura y ultrapura

a. Definición de vasos de intercambio catiónico/aniónico (CAB):​​

Los recipientes de intercambio catiónico/aniónico, también conocidos como intercambiadores de iones o desmineralizadores, son equipos de tratamiento de agua que aprovechan la capacidad de intercambio iónico de las resinas para eliminar iones del agua. Su funcionamiento se basa en la característica de intercambio iónico de las resinas, donde los iones presentes en la resina se intercambian con los iones correspondientes presentes en el agua, logrando así la eliminación de iones.

b. Principio de funcionamiento de los recipientes de intercambio catiónico/aniónico:​​

Un sistema típico de desmineralización de dos lechos consta de un recipiente de intercambio catiónico (intercambiador catiónico ácido) y un recipiente de intercambio aniónico (intercambiador aniónico básico) conectados en serie. El agua cruda pasa primero por la unidad de cationes. Aquí, la resina de intercambio catiónico adsorbe las impurezas catiónicas del agua, liberando simultáneamente iones de hidrógeno (H⁺) en el agua, acidificándola. Posteriormente, el agua pasa por un descarbonizador (o desgasificador) para eliminar el dióxido de carbono (CO₂) liberado en forma de gas, asegurando un intercambio eficiente en la unidad de aniones en condiciones ácidas. Finalmente, el agua pasa por la unidad de aniones, donde la resina de intercambio aniónico elimina las impurezas aniónicas.

c. Áreas de aplicación de los recipientes de intercambio catiónico/aniónico:​​

En industrias como la química, la energética y la metalúrgica, se utilizan comúnmente para ablandar el agua de alimentación de calderas y prevenir la formación de incrustaciones y problemas de corrosión. En el riego agrícola, el uso de agua tratada mediante estos sistemas puede ayudar a reducir la salinización del suelo. También desempeñan un papel importante en las etapas de pretratamiento para la desalinización de agua de mar, proporcionando condiciones favorables para los procesos de tratamiento avanzado posteriores.

3.3 Aplicación de lechos mixtos pulidos en la producción de agua pura y ultrapura

a. Definición de lechos mixtos pulidos:​​

La resina de pulido se utiliza generalmente en la etapa final (etapa de pulido) de los sistemas de tratamiento de agua ultrapura para garantizar que la calidad del efluente cumpla con los estándares requeridos, alcanzando a menudo una resistividad de 18 MΩ·cm o superior. Se trata de una resina de intercambio iónico, específicamente una mezcla de resina de intercambio catiónico fuertemente ácida en forma de hidrógeno (H⁺) y resina de intercambio aniónico fuertemente básica en forma de hidróxido (OH⁻).

b. Principio de funcionamiento de las resinas de pulido:

Un lecho mixto pulido contiene resinas de intercambio catiónico y aniónico completamente mezcladas en el mismo recipiente. En este lecho mixto, las resinas catiónicas y aniónicas se mezclan estrechamente, lo que permite que las reacciones de intercambio catiónico y aniónico se desarrollen casi simultáneamente. Los iones de hidrógeno (H⁺) producidos por el intercambio catiónico de tipo H y los iones de hidróxido (OH⁻) producidos por el intercambio aniónico de tipo OH no pueden acumularse y se combinan inmediatamente para formar moléculas de agua débilmente disociadas. Esto elimina esencialmente el efecto de los contraiones, permitiendo que la reacción de intercambio iónico se desarrolle de forma muy completa, resultando en un efluente de alta pureza. Cuando se agotan los iones de la resina de pulido, esta se regenera utilizando soluciones ácidas y alcalinas para restaurar eficazmente los iones de hidrógeno e hidróxido, renovando así su capacidad de trabajo.

c. Áreas de aplicación:

Industria electrónica: Producción de agua de alta pureza necesaria para semiconductores y otros componentes electrónicos.

Centrales Eléctricas: Uso extensivo en sistemas de tratamiento de agua pura para centrales térmicas.

Industria química sintética y petroquímica: Las resinas de intercambio iónico pueden actuar como catalizadores, reemplazando ácidos y bases inorgánicos en reacciones como esterificación, hidrólisis e hidratación.

Industria farmacéutica: Las resinas de intercambio iónico juegan un papel importante en el desarrollo de antibióticos de nueva generación y en la mejora de la calidad de los antibióticos existentes.