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BWT97/12-007-E E-1
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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BWT97/12-007-E E-4
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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BWT97/12-007-E E-5
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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BWT97/12-007-E E-9
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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BWT97/12-007-E E-10
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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BWT97/12-007-E E-11
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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BWT97/12-007-E E-12
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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BWT97/12-007-E E-13
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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BWT97/12-007-E E-14
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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BWT97/12-007-E E-15
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?
_____________.