R O D I
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El documento describe el proceso de desionización (DI) y su combinación con ósmosis inversa (RO) para obtener agua pura mediante el intercambio iónico, utilizando resinas catiónicas y aniónicas que eliminan iones del agua. Se detallan las características de las resinas, sus tipos, y los procesos de regeneración que devuelven a las resinas su capacidad de intercambio. Además, se menciona la desionización capacitiva y la electrodeionización como alternativas tecnológicas para mejorar la purificación del agua.
R O D I
- 1. RODI. (La ósmosis inversa (RO) y la desionización (DI)) Conceptos generales Comencemos por saber qué significa RODI: con el fin de obtener un agua de gran pureza se ha diseñado un método en el que se combinan dos elementos de depuración, la ósmosis inversa (RO) y la deionización (DI), de modo que a este proceso asociado se le denomina RODI. Ya conocemos por otro post que es la RO, por lo que en este tema se tratará de aclarar el funcionamiento de la deionización (DI), un sistema tan simple o complejo de describir como queramos. Intentaremos lo primero. Desionización (DI) es un proceso de filtración del agua mediante el cual se eliminan las sustancias disueltas cargadas eléctricamente (ionizadas) sujetándolas a lugares cargados positiva o negativamente en una resina al pasar el agua a través de una columna rellena con este material. El proceso se llama intercambio iónico y se puede usar de diferentes maneras para producir agua desionizada de diferentes calidades. En términos simples, al igual que un imán cargado positivamente atraerá un imán con carga negativa (y viceversa), las resinas DI atraen a los iones que no pertenecen al agua pura y los reemplaza por iones de agua, dejando de esta forma el agua libre de estos inoes. El proceso de desionización utiliza dos resinas que son opuestas en las cargas: - (negativo) la catiónica y + (positivo) la aniónica. La resina catiónica se pre-cargan con iones de hidrógeno. Esta resina atraerá a los iones con carga positiva en el agua (Ca + +, Mg + +, Na +, etc.) y libera una cantidad equivalente de iones hidrógeno (H +). A diferencia de la catiónica, la resina aniónica son pre-cargadas con iones de hidróxido (OH-). Esta resina atraerá a los iones con carga negativa (HCO3-, Cl-, SO4 -, etc) y libera una cantidad equivalente de hidróxido (OH-). El hidrógeno y los iones de hidróxido luego se combinaran para formar agua.
- 2. Las resinas son sustancias granuladas insolubles que pueden categorizarse en dos tipos: las resinas del tipo gel y las de macro poros. Sus estructuras básicas son prácticamente la misma: la estructura de macromolécula es obtenida en ambos casos por co-polimerización. La diferencia entre ellas reposa en sus porosidades. Resinas tipo Gel tienen una porosidad natural limitada entre las distancias intermoleculares. Esta es una estructura tipo micro poro. Resinas tipo Macro poros tienen una porosidad artificial adicional la cual es obtenida por la adición de sustancias diseñadas para este propósito. Las dos resinas (catiónicas y aniónicas) pueden ser ionizadas a un determinado nivel de intensidad, por lo general débil o fuerte. La catiónica puede ser a través de un ácido fuerte o débil. Asimismo, la resina aniónica puede ser una base fuerte o débil. La de mayor debilidad de ionización intercambiarán sólo los iones débiles, por lo que se prevé una mayor capacidad (es decir, mayor duración del cartucho de filtro), mientras que una fuerte ionización proporcionará un mayor grado de intercambio de iones, pero a costa de la reducción de la capacidad (de vida más corta del cartucho del filtro).
- 3. De este modo podemos clasificar las resinas del siguiente modo: Resinas catiónicas de ácidos débiles: eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos como Ca++, Mg++, K+, Na+, H+, Cu++. Resinas catiónicas de ácido fuerte: pueden eliminar los todos los cationes: Ag+, Pb++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, H+. Resinas aniónicas de base débil: eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como SO=4, CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F- Resinas aniónicas de bases fuertes: eliminan todos los aniones: CO=3, SIO=3, I-, HSO4-, NO-3, Br-, HSO-3,NO2- ,Cl-, HCO3-, F-. Según esto, se diseñan distintos dispositivos combinando estos niveles de intensidad, así por ejemplo existen: Sistemas de resina catiónica de ácido fuerte + resina aniónica de base fuerte, que es el método más simple, hasta las más complejas formadas porlas llamadas “Unidades de desmineralizado completa”, que es una unidad constituida de:filtro de carbón activado, resina catiónica de ácidos débiles, resina catiónica de ácidos fuertes, resina aniónica de bases fuertes, descarbonatador y resina aniónica de bases débiles. Por último existe la posibilidad de que las resinas de cambio catiónico y las de cambio aniónico están íntimamente mezcladas y contenidas en único recipiente es la llamadaDesionización de lecho mixto. Las ventajas es que el agua obtenida es de muy alta pureza y su calidad permanece constante a lo largo del ciclo, con un pH casi neutro, y mayor eliminación de sílice y CO2.
- 4. Comercialmente lo encontraremos de esta forma:
- 5. La regeneración de las resinas es el proceso inverso al de intercambio iónico y tiene por finalidad devolverle a la resina su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza haciendo pasar soluciones que contengan el ión móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento. Para la regeneración de las resinas de intercambio iónico se usa: Sal común (cloruro de sodio) para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes. Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos débiles. Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de bases fuertes y resinas aniónicas de bases débiles. Una vez regenerada la resina está lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico. En comparación con la filtración y otros métodos de purificación, DI tiene una relativamente corta vida útil del cartucho de filtro y una vez que empieza a fallar, el nivel de TDS del agua purificada asciende de forma exponencial. Expongo una tabla comparativa de la eficacia de cada uno de los dispositivos de tratamiento utilizados en la purificación del agua.
- 6. CDT (Tecnología de Desionización Capacitativa), La operatividad del proceso es sencilla de entender: el agua se hace pasar entre grandes superficies de dos electrodos de aerogel de carbono entre los que existe una diferencia de potencial de tan sólo 1,3 voltios. La principal característica de estos electrodos es su alta relación superficie/volumen (60.000/1, que equivalen a unos 500 metros cuadrados de superficie por gramo de electrodo), su elevada conductividad eléctrica y su alta permeabilidad iónica. El esquema básico de funcionamiento de este proceso se muestra en la siguiente figura. Durante la etapa de desionización, se aplica una carga eléctrica externa sobre el par de electrodos por los que pasa el agua a tratar, lo que hace que los iones disueltos en el agua se desplacen hacia el electrodo de signo contrario, donde quedan adsorbidos. En la etapa de regeneración, se corta la alimentación eléctrica a los electrodos con lo que los iones retenidos quedan liberados. La desionización capacitiva se presenta como una alternativa tecnológica a la ósmosis inversa por ser un procedimiento de baja presión y que no necesita utilizar membranas, que son probablemente las dos mayores limitaciones de la ósmosis inversa. Pero ¿qué pasaría si juntamos los dos sistemas hasta ahora conocidos?, es decir, resinas y electrodos, pues que tenemos que acuñar un nuevo término: la Electrodeionización (EDI)
- 7. Esta nueva tecnología es una combinación de electrodiálisis e intercambio iónico, resultando en un proceso que elimina de manera efectiva los iones del agua a la vez que las resinas de intercambio iónico son continuamente regeneradas por una corriente eléctrica. Esta regeneración electroquímica se sirve de un medio eléctricamente activo y de un potencial eléctrico para influenciar el transporte iónico y sustituye a la regeneración química de los sistemas convencionales de intercambio iónico. Su funcionamiento es el siguiente: El sistema contiene una resina de intercambio iónico, empaquetada en un espacio entre una membrana de intercambio catiónico y una membrana de intercambio aniónico. Solamente los iones pueden pasar a través de las membranas, no el agua. El agua de entrada pasa a través de la mezcla de resinas de intercambio iónico y, al mismo tiempo, una fuente externa de corriente suministra un campo transversal de corriente continua por medio de unos electrodos colocados en los extremos. El voltaje de corriente continua crea una corriente a través de la resina que arrastra a los cationes hacia el cátodo y a los aniones hacia el ánodo. En el camino de los iones hacia la membrana, estos pueden pasar dentro de las cámaras del concentrado (ver dibujo) pero no se pueden acercar más al electrodo. Están bloqueados por la membrana contigua, que contiene una resina con la misma carga fija. De esta forma las membranas de intercambio iónico eliminan eléctricamente los iones del agua de entrada y los pasan al agua concentrada que sale de ambas membranas de intercambio iónico, produciendo así agua ultra pura desionizada.