Tratamiento de aguas residuales por intercambio iónico

Secciones

• ¿Qué es el intercambio iónico?
• El intercambio iónico aplicado en aguas residuales
• La evaporación al vacío y la concentración de residuos procedentes del intercambio iónico
• Conclusions

¿Qué es el intercambio iónico?

Existen vertidos que, debido a su naturaleza y composición, resultan difíciles de tratar y adaptar a las normativas vigentes. Esto sucede cuando nos encontramos con algunos cationes o aniones que son difícilmente separables por los sistemas convencionales como son los tratamientos fisicoquímicos, los biológicos, e incluso las membranas separadoras de más alto rechazo de sales.

Esto ocurre, por ejemplo, con los nitratos, las sales de boro, fluor, arsénico y otros metales pesados como el plomo, cadmio o mercurio, que son especialmente tóxicos.

El intercambio iónico es un proceso en la que se utiliza un material denominado resina cambiadora, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y se desprenden de ella mediante la utilización de soluciones regenerantes.

La reacción de intercambio se esquematiza:

(a) RNa⁺ + Ca⁺⁺ ——> RCa⁺⁺ + Na⁺

En este caso, la regeneración de la resina, se realizaría adicionando un exceso de solución regenerante (NaCl)

(b) RCa⁺⁺ + Na⁺ ——-> RNa⁺ + Ca⁺⁺

Las resinas de intercambio iónico se dividen en dos tipos básicos, de acuerdo con su polaridad:

1. Las que tienen carga negativa y, por lo tanto, tienen aplicación de intercambio con aniones, son las denominadas “aniónicas”.
2. Las que tienen carga positiva se llaman “catiónicas”; se presentan como pequeñas esferas de material plástico (del tipo de las baquelitas) de tamaño del orden de 0,5 – 1 mm de diámetro.

Una aplicación habitual de las resinas de intercambio iónico es la eliminación de sales cuando estas se encuentran en bajas concentraciones.

Esto es muy habitual en los procesos de desmineralización y ablandamiento de aguas u otras soluciones.

El intercambio iónico también es eficiente para la retención de ciertos productos químicos.

Las características principales de este proceso son las siguientes:

• Las resinas actúan selectivamente, de forma que pueden preferir un ión sobre otro con valores relativos de afinidad de 15 o más.
• La reacción de intercambio iónico es reversible, es decir, puede avanzar en los dos sentidos. (Intercambio / regeneración)
• En la reacción se mantiene la electroneutralidad.

Existen sustancias naturales, como las zeolitas, que tienen capacidad de intercambio, pero en el tratamiento de aguas se utilizan resinas poliméricas de fabricación sintética, ya que estas ofrecen ventajas significativas.

Entre las ventajas del proceso iónico para el tratamiento de aguas cabe destacar:

• Son equipos muy versátiles siempre que se trabaje con concentraciones de sales relativamente bajas.
• Las resinas de intercambio iónico son un sistema compacto con altas capacidades de tratamiento.
• Coste económico bajo comparado con otras tecnologías.
• Las resinas son muy estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
• Existe cierta facilidad de automatización y adaptación a situaciones específicas.

El intercambio iónico aplicado en aguas residuales

En el caso de las aguas residuales, deberá tenerse en cuenta la concentración de las sales a eliminar, ya que las resinas no son rentables para aguas con elevadas salinidades, pues su capacidad de retención es limitada (aproximadamente 50 g CaCO₃/ l resina). Una alta concentración de sales implicaría el uso de una gran cantidad de resina a utilizar, al igual que importantes volúmenes de reactivo regenerante.

También hemos de tener en cuenta que, pese a la resistencia elevada de las resinas a medios ácidos y básicos, son fácilmente deterioradas por la presencia de oxidantes como el Cl₂ y por las temperaturas elevadas.

Las resinas de intercambio iónico también son sensibles al ensuciamiento y a la presencia de materia orgánica, por lo que un pretratamiento es imprescindible para su correcta aplicación.

Resinas selectivas

Las resinas de intercambio iónico han emergido como una solución eficaz para la eliminación selectiva de iones y contaminantes. Como hemos mencionado, estas resinas pueden ser de dos tipos:

• Tipo catiónico cuando su polaridad es positiva y son capaces de separar cationes como plomo, cadmio y mercurio.
• Tipo aniónico si tienen carga negativa y son capaces de separar aniones como los nitratos, sulfatos, arseniato, cromato, entre otros.

Algunas resinas pueden ser modificadas para aumentar su afinidad por compuestos específicos, es decir, mejorar su eficacia en la separación de determinados contaminantes.

Ventajas del Uso de Resinas Selectivas

• Alta Eficiencia: Las resinas de intercambio iónico pueden alcanzar altos niveles de purificación, eliminando hasta el 99% de los contaminantes.
• Selectividad: Permiten la separación específica de iones tóxicos sin afectar a otros elementos beneficiosos en el agua.
• Reciclabilidad: Estas resinas pueden ser regeneradas y reutilizadas, lo que reduce costos y residuos.

Aplicaciones en el Tratamiento de Aguas Residuales

Las resinas de intercambio iónico son utilizadas en diversas aplicaciones:

• Tratamiento de efluentes industriales: Especialmente en industrias como la minería y la fabricación de metales, donde los efluentes contienen metales pesados y otros compuestos tóxicos.
• Desalinización: En procesos de tratamiento de agua salina, donde es crucial eliminar iones de sodio y cloruro.
• Separación de nutrientes: En sistemas de tratamiento de aguas residuales urbanas, para reducir los niveles de nitrógeno y fósforo.

A pesar de sus ventajas, el uso de resinas de intercambio iónico enfrenta ciertos inconvenientes:

• Costo: La inversión inicial en resinas de alta calidad puede ser elevada.
• Regeneración: El proceso de regeneración genera efluentes que requieren tratamiento adicional. El nuevo efluente contiene los contaminantes separados por las resinas, junto con el exceso de regenerantes.
• Vida útil: La duración de las resinas puede verse afectada por condiciones extremas o contaminantes en el agua.

Resinas quelantes

Este tipo de resinas contiene grupos funcionales específicos, que le otorgan una superioridad selectiva hacia determinados metales especiales. Estas resinas tienen una amplia gama de aplicaciones, entre los que merece la pena destacar:

• Descalcificación de Salmuera en la industria Cloro-Álcali
• Resina en pulpa para metales, cobre, níquel, zinc y cobalto.
• Separación de Boro en aguas potables.
• Recuperación de metales preciosos.
• Eliminación de Mercurio.

La evaporación al vacío y la concentración de residuos procedentes del intercambio iónico

Un evaporador al vacío es un equipo que permite la concentración de residuos líquidos mediante la evaporación de su componente acuoso bajo condiciones de vacío.

Este proceso reduce la presión en la cámara de evaporación, lo que disminuye el punto de ebullición del agua, permitiendo su vaporización a temperaturas más bajas. Esto es especialmente útil para la concentración de efluentes procedentes de la regeneración de las resinas de intercambio iónico.

El proceso de concentración mediante evaporadores al vacío se basa en la utilización de una bomba de vacío para reducir la presión en su interior, permitiendo que el agua se evapore a temperaturas más bajas.

A medida que se aplica calor, el agua se vaporiza y se separa de los sólidos disueltos o concentrados en el efluente. El vapor generado es dirigido a un condensador, donde se enfría y se convierte nuevamente en líquido, el cual puede ser reutilizado o tratado.

Los sólidos y otros compuestos restantes quedan concentrados en el fondo del evaporador, listos para ser gestionados adecuadamente.

Ventajas de los Evaporadores a Vacío

• Eficiencia Energética: Al operar a baja temperatura, los evaporadores a vacío requieren menos energía en comparación con los sistemas de evaporación convencional.
• Protección de Compuestos Sensibles: Esta tecnología minimiza la descomposición de sustancias que podrían ser degradadas a altas temperaturas.
• Recuperación de Agua: El agua condensada puede ser recuperada y reutilizada en el proceso, contribuyendo a la sostenibilidad del sistema.
• Reducción de Volumen de Residuos: La concentración de efluentes reduce significativamente el volumen de residuos a gestionar, facilitando su tratamiento posterior.

A pesar de sus numerosas ventajas, debe tenerse en cuenta que el coste de estos equipos y su consumo energético son relativamente elevados, por lo que estos equipos son más adecuados para volúmenes pequeños con altas concentraciones de contaminantes, como es el caso de los efluentes de regeneración de las resinas intercambio iónico.

Conclusiones

El proceso de intercambio iónico es complementario a los tratamientos convencionales (fisicoquímico, biológico…etc.) y permite separar determinados cationes y aniones del agua en función de la afinidad a los iones en disoluciones, pudiente ser regeneradas con sustancias adecuadas (regenerantes).

Las resinas de intercambio iónico de tipo selectivo (quelantes) son utilizadas en los tratamientos de aguas residuales que contienen contaminantes complejos y tóxicos.

Los evaporadores al vacío son una solución eficiente y sostenible para la concentración de efluentes de regeneración de resinas. Su capacidad para operar a vacío a bajas temperaturas, y su alta eficiencia, los convierten en una excelente opción en numerosas industrias.

Bibliografía y consultas

Resinas Quelantes | Purolite | www.purolite.com