Seccions
- Què és l’intercanvi iònic?
- L’intercanvi iònic aplicat en aigües residuals
- L’evaporació al buit i la concentració de residus procedents de l’intercanvi iònic
- Conclusions
Què és l’intercanvi iònic?
Hi ha vessaments que, a causa de la seva naturalesa i composició, resulten difícils de tractar i adaptar a la normativa vigent. Això passa quan ens trobem amb alguns cations o anions que són difícilment separables pels sistemes convencionals com són els tractaments fisicoquímics, els biològics, i fins i tot les membranes separadores de més alt rebuig de sals.
Això ocorre, per exemple, amb els nitrats, les sals de bor, fluor, arsènic i altres metalls pesants com el plom, cadmi o mercuri, que són especialment tòxics.
L’intercanvi iònic és un procés en què s’utilitza un material denominat resina canviadora, que és capaç de retenir selectivament sobre la seva superfície els ions dissolts a l’aigua, els manté temporalment units a la superfície, i es desprenen d’ella mitjançant la utilització de solucions regenerants.
La reacció d’intercanvi s’esquematitza:
(a) RNa+ + Ca++ ——> RCa++ + Na+
En aquest cas, la regeneració de la resina, es realitzaria afegint un excés de solució regenerant (NaCl)
(b) RCa++ + Na+ ——-> RNa+ + Ca++
Les resines d’intercanvi iònic es divideixen en dos tipus bàsics, d’acord amb la seva polaritat:
- Les que tenen càrrega negativa i, per tant, tenen aplicació d’intercanvi amb anions, són les denominades “anióniques”.
- Les que tenen càrrega positiva es diuen “catióniques”; es presenten com petites esferes de material plàstic (del tipus de les baquelites) de mida de l’ordre de 0,5 – 1 mm de diàmetre.
Una aplicació habitual de les resines d’intercanvi iònic és l’eliminació de sals quan aquestes es troben en baixes concentracions.
Això és molt habitual en els processos de desmineralització i estovament d’aigües o altres solucions.
L’intercanvi iònic també és eficient per a la retenció de certs productes químics.
Les característiques principals d’aquest procés són les següents:
- Les resines actuen selectivament, de manera que poden preferir un ió sobre un altre amb valors relatius d’afinitat de 15 o més.
- La reacció d’intercanvi iònic és reversible, és a dir, pot avançar en ambdós sentits. (Intercanvi / regeneració)
- En la reacció es manté l’electroneutralitat.
Hi ha substàncies naturals, com les zeolites, que tenen capacitat d’intercanvi, però en el tractament d’aigües s’utilitzen resines polimèriques de fabricació sintètica, ja que aquestes ofereixen avantatges significatius.
Entre els avantatges del procés iònic per al tractament d’aigües cal destacar:
- Són equips molt versàtils sempre que es treballi amb concentracions de sals relativament baixes.
- Les resines d’intercanvi iònic són un sistema compacte amb altes capacitats de tractament.
- Cost econòmic baix comparat amb altres tecnologies.
- Les resines són molt estables químicament, de llarga durada i fàcil regeneració.
- Hi ha certa facilitat d’automatització i adaptació a situacions específiques.
L’intercanvi iònic aplicat en aigües residuals
En el cas de les aigües residuals, caldrà tenir en compte la concentració de les sals a eliminar, ja que les resines no són rendibles per a aigües amb elevades salinitats, ja que la seva capacitat de retenció és limitada (aproximadament 50 g CaCO3/ l resina). Una alta concentració de sals implicaria l’ús d’una gran quantitat de resina a utilitzar, així com importants volums de reactiu regenerant.
També hem de tenir en compte que, malgrat la resistència elevada de les resines a medis àcids i bàsics, són fàcilment deteriorades per la presència d’oxidants com el Cl2 i per les temperatures elevades.
Les resines d’intercanvi iònic també són sensibles a l’embrutiment i a la presència de matèria orgànica, per la qual cosa un pretractament és imprescindible per a la seva correcta aplicació.
Resines selectives
Les resines d’intercanvi iònic han emergit com una solució eficaç per a l’eliminació selectiva d’ions i contaminants. Com hem esmentat, aquestes resines poden ser de dos tipus:
- Tipus catiónic quan la seva polaritat és positiva i són capaces de separar cations com plom, cadmi i mercuri.
- Tipus aniónic si tenen càrrega negativa i són capaces de separar anions com els nitrats, sulfats, arseniat, cromat, entre altres.
Algunes resines poden ser modificades per augmentar la seva afinitat per compostos específics, és a dir, millorar la seva eficàcia en la separació de determinats contaminants.
Avantatges de l’Ús de Resines Selectives
- Alta Eficiència: Les resines d’intercanvi iònic poden assolir alts nivells de purificació, eliminant fins al 99% dels contaminants.
- Selectivitat: Permeten la separació específica d’ions tòxics sense afectar altres elements beneficiosos a l’aigua.
- Reciclabilitat: Aquestes resines poden ser regenerades i reutilitzades, cosa que redueix costos i residus.
Aplicacions en el Tractament d’Aigües Residuals
Les resines d’intercanvi iònic s’utilitzen en diverses aplicacions:
- Tractament d’efluents industrials: Especialment en indústries com la mineria i la fabricació de metalls, on els efluents contenen metalls pesants i altres compostos tòxics.
- Desalinització: En processos de tractament d’aigua salina, on és crucial eliminar ions de sodi i clorur.
- Separació de nutrients: En sistemes de tractament d’aigües residuals urbanes, per reduir els nivells de nitrogen i fòsfor.
Malgrat els seus avantatges, l’ús de resines d’intercanvi iònic afronta certs inconvenients:
- Cost: La inversió inicial en resines d’alta qualitat pot ser elevada.
- Regeneració: El procés de regeneració genera efluents que requereixen tractament addicional. El nou efluente conté els contaminants separats per les resines, juntament amb l’excés de regenerants.
- Vida útil: La durada de les resines pot veure’s afectada per condicions extremes o contaminants a l’aigua.
Resines quelants
Aquest tipus de resines conté grups funcionals específics, que li atorguen una superioritat selectiva cap a determinats metalls especials. Aquestes resines tenen una àmplia gamma d’aplicacions, entre les quals cal destacar:
- Descalcificació de Salmorra a la indústria Clor-Alcali
- Resina en polpa per a metalls, coure, níquel, zinc i cobalt.
- Separació de Bor en aigües potables.
- Recuperació de metalls preciosos.
- Eliminació de Mercuri.
L’evaporació al buit i la concentració de residus procedents de l’intercanvi iònic
Un evaporador al buit és un equip que permet la concentració de residus líquids mitjançant l’evaporació del seu component aquós sota condicions de buit.
Aquest procés redueix la pressió a la cambra d’evaporació, cosa que disminueix el punt d’ebullició de l’aigua, permetent la seva vaporitació a temperatures més baixes. Això és especialment útil per a la concentració d’efluents procedents de la regeneració de les resines d’intercanvi iònic.
El procés de concentració mitjançant evaporadors al buit es basa en la utilització d’una bomba de buit per reduir la pressió a l’interior, permetent que l’aigua s’evapori a temperatures més baixes.
A mesura que s’aplica calor, l’aigua es vaporitza i es separa dels sòlids dissolts o concentrats a l’efluent. El vapor generat és dirigit a un condensador, on es refreda i es converteix novament en líquid, el qual pot ser reutilitzat o tractat.
Els sòlids i altres compostos restants queden concentrats al fons de l’evaporador, preparats per ser gestionats adequadament.
Avantatges dels Evaporadors a Buit
- Eficàcia Energètica: En operar a baixa temperatura, els evaporadors a buit requereixen menys energia en comparació amb els sistemes d’evaporació convencional.
- Protecció de Compostos Sensibles: Aquesta tecnologia minimitza la descomposició de substàncies que podrien ser degradades a altes temperatures.
- Recuperació d’Aigua: L’aigua condensada pot ser recuperada i reutilitzada en el procés, contribuint a la sostenibilitat del sistema.
- Reducció de Volum de Residus: La concentració d’efluents redueix significativament el volum de residus a gestionar, facilitant el seu tractament posterior.
Malgrat els seus nombrosos avantatges, cal tenir en compte que el cost d’aquests equips i el seu consum energètic són relativament elevats, per la qual cosa aquests equips són més adequats per a volums petits amb altes concentracions de contaminants, com és el cas dels efluents de regeneració de les resines d’intercanvi iònic.
Conclusions
El procés d’intercanvi iònic és complementari als tractaments convencionals (fisicoquímic, biològic…etc.) i permet separar determinats cations i anions de l’aigua en funció de l’afinitat als ions en dissolucions, podent ser regenerades amb substàncies adequades (regenerants).
Les resines d’intercanvi iònic de tipus selectiu (quelants) són utilitzades en els tractaments d’aigües residuals que contenen contaminants complexos i tòxics.
Els evaporadors al buit són una solució eficient i sostenible per a la concentració d’efluents de regeneració de resines. La seva capacitat per operar a buit a baixes temperatures, i la seva alta eficiència, els converteixen en una excel·lent opció en nombroses indústries.