Tratamiento De Agua Industrial

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EL AGUA

El agua es el compuesto más abundante en la superficie terrestre y a la vez el más importante. Los antiguos apreciaron su importancia y su carácter representativo y por lo tanto la incluyeron junto con el aire, la tierra y el fuego, en la primera clasificación de elementos o principios fundamentales de la constitución de los cuerpos.

 Propiedades Físico-Químicas

Molécula de Agua

El agua pura es incolora, insípida e inodora. Su importancia reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que suceden en la naturaleza, no solo en organismos vivos sino también en laboratorios y en la industria tienen lugar entre sustancias disueltas en agua. Entre las moléculas de agua se establecen enlaces por puentes de hidrógeno debido a la formación de dipolos electrostáticos que se originan al situarse un átomo de hidrógeno entre dos átomos más electronegativos, en este caso de oxígeno. El oxígeno, al ser más electronegativo que el hidrógeno, atrae más los electrones compartidos en los enlaces covalentes con el hidrógeno, cargándose negativamente, mientras los átomos de hidrógeno se cargan positivamente, estableciéndose así dipolos eléctricos. Los enlaces por puentes de hidrógeno son enlaces por fuerzas de van der Waals de gran magnitud, aunque son unas 20 veces más débiles que los enlaces covalentes.

Enlaces por puente de hidrogeno

Los enlaces por puentes de hidrógeno entre las moléculas del agua pura son responsables de la dilatación del agua al solidificarse, es decir, su disminución de densidad cuando se congela. En estado sólido, las moléculas de agua se ordenan formando tetraedros, situándose en el centro de cada tetraedro un átomo de oxígeno y en los vértices dos átomos de hidrógeno de la misma

molécula y otros dos átomos de hidrógeno de otras moléculas que se enlazan electrostáticamente por puentes de hidrógeno con el átomo de oxígeno. La estructura cristalina resultante es muy abierta y poco compacta, menos densa que en estado líquido. El agua tiene una densidad máxima de 1 g/cm³ cuando está a una temperatura de 4 ºC. · Disolvente El agua es descrita muchas veces como el solvente universal, porque disuelve muchos de los compuestos conocidos. Sin embargo no lo es, aunque es tal vez lo más cercano, porque no disuelve a todos los compuestos, y de hacerlo no sería posible construir ningún recipiente para contenerla. El agua es un disolvente polar, por ejemplo, más que el etanol. Como tal, disuelve bien sustancias iónicas y polares, como la sal de mesa (cloruro de sodio), no disuelve apreciablemente sustancias fuertemente apolares, como el azufre en la mayoría de sus formas, y es inmiscible con disolventes apolares, como el hexano. Esta propiedad es de gran importancia para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares, o con carga iónica, como alcoholes, azúcares con grupos R-OH, aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y −, dando lugar a disoluciones moleculares. También las moléculas de agua pueden disolver sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas. En las disoluciones iónicas, los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados. Algunas sustancias, sin embargo, no se mezclan bien con el agua, incluyendo aceites y otras sustancias hidrofóbicas. Membranas celulares compuestas de lípidos y proteínas, aprovechan de esta propiedad para controlar las interacciones entre sus contenidos químicos y los externos. Esto se facilita en parte por la tensión superficial del agua. La capacidad disolvente es responsable de: Las funciones metabólicas Los sistemas de transporte de sustancias en los organismos · Polaridad La molécula de agua es muy dipolar. Los núcleos de oxígeno son muchos más electronegativos (atraen más a los electrones) que los de hidrógeno, lo que dota a los dos enlaces de una fuerte polaridad eléctrica, con un exceso de carga negativa del lado del oxígeno, y de carga positiva del lado de los hidrógenos. Los dos enlaces no están opuestos, sino que forman un ángulo de 104,45° debido a la hibridación sp3 del átomo de oxígeno, así que en conjunto los tres átomos forman como un triángulo, cargado negativamente en el vértice formado por el oxígeno, y positivamente en el lado opuesto, el de los hidrógenos. Este hecho tiene una importante consecuencia, y es que las moléculas de agua se atraen fuertemente, adhiriéndose por donde son opuestas las cargas; en la práctica, un átomo de hidrógeno sirve como puente entre el átomo de oxígeno al que está unido covalentemente y un oxígeno de otra molécula. La estructura anterior se denomina enlace de hidrógeno o puente de hidrógeno. El hecho de que las moléculas de agua se adhieran electrostáticamente, a su vez, modifica muchas propiedades importantes de la sustancia que llamamos agua, como la viscosidad dinámica, que es muy grande, o los puntos de fusión y ebullición o los calores de fusión y vaporización, que se asemejan a los de sustancias de mayor masa molecular.

· Cohesión La cohesión es la propiedad con la que las moléculas de agua se atraen a sí mismas, por lo que se forman cuerpos de agua adherida a sí misma, las gotas. Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Estos puentes se pueden romper fácilmente con la llegada de otra molécula con un polo negativo o positivo dependiendo de la molécula, o, con el calor. La fuerza de cohesión permite que el agua se mantenga líquida a temperaturas no extremas. · Adhesión El agua, por su gran potencial de polaridad, cuenta con la propiedad de la adhesión, es decir, el agua generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies. Esto es lo que se conoce comúnmente como "mojar". Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión, del llamado fenómeno de la capilaridad. · Tensión Superficial Por su misma propiedad de cohesión, el agua tiene una gran atracción entre las moléculas de su superficie, creando tensión superficial. La superficie del líquido se comporta como una película capaz de alargarse y al mismo tiempo ofrecer cierta resistencia al intentar romperla; esta propiedad contribuye a que algunos objetos muy ligeros floten en la superficie del agua. También es la causa de que se vea muy afectada por fenómenos de capilaridad. Las gotas de agua son estables también debido a su alta tensión superficial. Esto se puede ver cuando pequeñas cantidades de agua se ponen en superficies no solubles, como el vidrio, donde el agua se agrupa en forma de gotas. · Acción Capilar El agua cuenta con la propiedad de la capilaridad, que es la propiedad de ascenso, o descenso, de un líquido dentro de un tubo capilar. Esto se debe a sus propiedades de adhesión y cohesión. Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase "agarrándose" por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presión que ejerce la columna de agua se equilibra con la presión capilar. · Calor Específico También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se crean entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de calor que utiliza para romper los puentes de hidrógeno, por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. El calor específico del agua se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura en un grado centígrado a un gramo de agua en condiciones estándar y es de 1 cal/°C.g, que es igual a 4,1840 J/K.g. Esta propiedad es fundamental para la Biosfera, ya que gracias a esto, el agua reduce los cambios bruscos de temperatura, siendo un regulador térmico muy bueno. La capacidad calorífica del agua es mayor que la de otros líquidos. Para evaporar el agua se necesita mucha energía. Primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la

fase líquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20 °C. · Temperatura de Fusión y Evaporación Presenta un punto de ebullición de 100 °C (373,15 K) a presión de 1 atmósfera (se considera como estándar para la presión de una atmósfera la presión promedio existente al nivel del mar). El calor latente de evaporación del agua a 100 °C es 540 cal/g (ó 2260 J/g). Tiene un punto de fusión de 0 °C (273,15 K) a presión de 1 atm. El calor latente de fusión del hielo a 0 °C es 80 cal/g (ó 335 J/g). Tiene un estado de sobre enfriado líquido a −25 °C. La temperatura crítica del agua, es decir, aquella a partir de la cual no puede estar en estado líquido independientemente de la presión a la que esté sometida, es de 374 ºC y se corresponde con una presión de 217,5 atmósferas. · Densidad La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad a los 100 °C, donde tiene 0,958 kg/L. Mientras baja la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C tiene 0,965 kg/L) y ese aumento es constante hasta llegar a los 3,8 °C donde alcanza una densidad de 1 kg/L. A esa temperatura (3,8 °C) alcanza su máxima densidad (a la presión mencionada). A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad comienza a disminuir, aunque muy lentamente, hasta que a los 0 °C disminuye hasta 0,9999 kg/L. Cuando pasa al estado sólido (a 0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/L a 0,917 kg/L. · Cristalización La cristalización es el proceso por el que el agua pasa de su estado líquido al sólido cuando la temperatura disminuye de forma continua. · Parámetros Físicos Los parámetros físicos utilizados para definir la calidad de las aguas son: - Sabor y olor: el sabor y olor del agua son determinaciones organolépticas de determinación subjetiva, para las cuales no existen instrumentos de observación, ni registro, ni unidades de medida. Tienen un interés evidente en las aguas potables para consumo humano. - Color: el color es la capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible. Las medidas de color se hacen normalmente en el laboratorio, por comparación con un estándar arbitrario a base de Cl2Co y Cl6PtK2 y se expresa en una escala de Pt-Co (unidades Hazen) o simplemente Pt. El color del agua se puede eliminar por coagulación, filtración y cloración. - Turbidez: es la dificultad del agua para transmitir la luz debido a materiales insolubles en suspensión, coloidales o muy finos que pueden dar lugar a formaciones de depósitos en las conducciones del agua. La medición se hace por comparación con la turbidez inducida por diversas sustancias. También se utilizan turbidímetros como el Jackson en el cual se observa una bujía a través de una columna del agua ensayada, cuya longitud se aumenta hasta que la llama desaparece. La turbidez se elimina mediante procesos de coagulación, decantación y filtración. - Conductividad y resistividad: la conductividad es la medida de la capacidad del agua para conducir la electricidad. Es indicativa de la materia ionizable total presente en el agua. El agua pura contribuye mínimamente a la conductividad y en su casi totalidad es el resultado del movimiento de los iones de las impurezas presentes. La resistividad es la medida recíproca de la

conductividad. El aparato utilizado el conductivímetro, cuyo fundamento es la medida eléctrica de la resistencia del paso de la electricidad entre las dos caras opuesta de un prisma rectangular, comparadas con la de una solución de CIK a la temperatura de 20ºC. La medida de la conductividad es una buena forma de control de calidad del agua siempre que no se trate de substancias no ionizables. · Composición Química Aniones: - Cloruro: este ión forma sales por lo general muy solubles, y la cantidad de cloruro en las aguas dulces esta alrededor de 10-250 ppm y en el agua de mar aproximadamente 20000 ppm. Cuando el contenido es de más de 300 ppm el agua tiene un sabor salado. Las aguas con cloruros son muy corrosivas ya que como este ión es pequeño puede penetrar la capa protectora en la interfase óxido-metal y reaccionar con el hierro estructural. Se lo elimina por intercambio iónico. Se determina la presencia de este con nitrato de plata. - Sulfato: forma sales de poco a muy solubles. Las aguas dulces contienen de 2-150 ppm, el agua de mar cerca de 3000 ppm. En presencia de iones calcio forma incrustaciones de sulfato de calcio. Se determina la presencia de este anión con cloruro de bario. Se lo elimina por intercambio iónico. - Nitratos: forma sales muy solubles, la concentración de este en agua dulce es de 10 ppm y en el agua de mar es de 1 ppm, pero en aguas contaminadas por fertilizantes la concentración de este aumenta mucho. Se determina la presencia de este por espectrofotometría. Industrialmente no tiene efectos significativos, pero es perjudicial para el consumo humano. Se lo elimina por intercambio iónico. - Fluoruro: forma sales de solubilidad limitada. Su concentración no supera 1 ppm. - Sílice: la sílice, SiO2, se encuentra disuelta como ácido silícico, H2SiO4, y como materia coloidal. El agua tiene entre 1 y 100 ppm. La sílice forma depósitos en los alabes de las turbinas. Su eliminación parcial se logra con resinas de intercambio iónico fuertemente básicas. - Bicarbonatos y Carbonatos: existe una relación entre HCO3-; CO ; el CO2(g) y CO2 disuelto y este equilibrio esta afectado por el pH. En aguas dulces hay entre 50 y 350 ppm de ión bicarbonato y si el pH es menor a 8,3 prácticamente no hay ión bicarbonato, y el agua de mar tiene unas 100 ppm de ión bicarbonato. Estos iones contribuyen en la alcalinidad del agua. El CO precipita en presencia de iones calcio. - Sulfuros y Ácido Sulfhídricos: le dan un muy mal olor al agua, lo cual permite su detección. En general, las aguas contienen mucho menos de 1 ppm y son muy corrosivos. Se elimina al ácido sulfhídrico con un intercambiador aniónico fuerte. Cationes: - Sodio: se encuentra en sales de alta solubilidad. El agua dulce contiene entre 1-150ppm y el agua de mar cerca de 11000 ppm. Es un indicador de corrosión, se lo elimina por intercambio iónico. - Potasio: se encuentra en sales de alta solubilidad. Las aguas dulces no contienen más de 10 ppm y el agua de mar alrededor de 400 ppm. Se elimina por intercambio iónico. - Calcio: forma sales desde poco solubles hasta muy insolubles. Precipita fácilmente como CaCO3. Contribuye la dureza del agua y a la formación de incrustaciones. Las aguas dulces contienen de 10 a 250 ppm o incluso 600 ppm, y el agua de mar contiene 400 ppm. La eliminación se realiza por precipitación e intercambio iónico. - Magnesio: las sales son más solubles que las de calcio, pero su hidróxido es menos soluble. Las aguas dulces tienen entre 1-100 ppm, y el agua de mar tiene unas 1300 ppm. Si el contenido es alto le da al agua un gusto amargo y propiedades laxantes. Contribuye a la dureza del agua y

al pH alcalino; forma incrustaciones de su hidróxido. Se puede precipitar como hidróxido, pero su eliminación se realiza por intercambio iónico. - Hierro: puede presentarse como ión ferroso o férrico, dependiendo del pH, en las aguas subterráneas solo existe, generalmente, la forma ferrosa entre 0 y 10 ppm. Se determina la presencia por espectrofotometría. Por aireación del agua el ión Fe+2 pasa a Fe+3 y precipita Fe(OH)3; esta es una forma de eliminarlo ya que produce incrustaciones o depósitos, otro método es el intercambio catiónico. - Manganeso: se comporta parecido al hierro y además actúa Mn+2 y Mn+3, también actúa Mn+4 formando MnO2 insoluble. El agua contiene menos de 1 ppm. La forma más general es Mn+2 que por aireación oxidativa da un precipitado de MnO2. Se determina la presencia de esto por espectrofotometría. - Gases Disueltos: CO2: es un gas relativamente soluble. Las aguas subterráneas pueden contener hasta 1500 ppm y las superficiales entre 1-30 ppm. Un exceso de CO2 hace al agua corrosiva. Se elimina por desgasificación o descarbonatación. - Oxigeno: provoca la corrosión de los metales. Se elimina por desgasificación o por reductores. - Amoníaco: provoca corrosión de aleaciones de Zn y Cu. Se elimina con desgasificación o intercambio catiónico. · Valor del pH El agua pura por definición es ligeramente ácida y el agua destilada ronda un pH de 5,8. El motivo es que el agua destilada disuelve el dióxido de carbono del aire. Disuelve dióxido de carbono hasta que está en equilibrio dinámico con la atmósfera. Esto significa que la cantidad que se disuelve equilibra la cantidad que sale de la disolución. La cantidad total en el agua se determina por la concentración en la atmósfera. El dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua y finalmente forma ácido carbónico. 2 H2O + CO2 --> H2O + H2CO3 (ácido carbónico) --> (H30+) (Agua cargada acidificada) + (HCO3-) (ión bicarbonato cargado) Solo recientemente se ha conseguido producir agua destilada con un valor de pH de aproximadamente 7, pero debido a la presencia del dióxido de carbono alcanzará un valor de pH ligeramente ácido en un par de horas. Además, es importante mencionar que el pH del agua ultra pura es difícil de medir. No solo el agua ultra pura recoge rápidamente los contaminantes, tales como el dióxido de carbono (CO2), afectando a su pH, sino que además tiene una baja conductividad que puede afectar la precisión de los pHímetros. Por ejemplo, la absorción de unas pocas ppm de CO2 puede provocar que el pH del agua ultra pura caiga a 4,5, aunque el agua todavía sea esencialmente. · Dureza En química, se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales metálicas. La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles. En calderas y sistemas enfriados por agua, se producen incrustaciones en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor. Grandes cantidades de dureza son indeseables por razones antes expuestas y debe ser removida antes de que el agua tenga uso apropiado para las industrias de bebidas, lavanderías, acabados metálicos, teñido y textiles.

La mayoría de los suministros de agua potable tienen un promedio de 250 mg/l de dureza. Niveles superiores a 500 mg/l son indeseables para uso doméstico. La dureza es caracterizada comúnmente por el contenido de calcio y magnesio y expresada como carbonato de calcio equivalente. - Dureza Total (TH) Mide el contenido total de iones calcio y magnesio - Dureza Temporal Mide la dureza asociada a iones bicarbonato, y es la diferencia entre la dureza total y la permanente. La dureza temporal se produce por carbonatos y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adición de CaOH (hidróxido de calcio). El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría, así que hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. - Dureza Permanente Esta dureza no puede ser eliminada al hervir el agua, es usualmente causada por la presencia del sulfato de calcio y magnesio y/o cloruros en el agua, que son más solubles mientras sube la temperatura. Puede ser eliminada utilizando el método SODA (Carbonato de Sodio). También es llamada "dureza de no carbonato". - Medidas de la dureza del agua Miliequivalente

Miliequivalente Grado francés Grado ingles Grado americano Grado alemán ppm CaCO3

Grado ingles (ºe) 3,5 0,70 1 1,2

Grado americano

1 0,2 0,286 0,31

Grado francés (ºf) 5 1 1,43 1,72

ppm CaCO3

2,9 0,58 0,83 1

Grado alemán (ºdH) 2,8 0,56 0,80 0,96

0,358 0,02

1,79 0,1

1,25 0,07

1,04 0,058

1 0,056

17,9 1

50 10 14,3 17,2

En la mayoría de los países se expresa en grados hidrotimétricos el país, o en ppm de CaCO3. La unidad internacional es el miliequivalente, corresponde a la mitad de la molécula-gramo de una sal de calcio o magnesio.

- Interpretación de la dureza Dureza como mg/l CaCO3 Interpretación 0-75 Agua suave 75-150 Agua poco dura 150-300 Agua dura >300 Agua muy dura

 El Agua en el Mundo El agua, en contacto con la superficie de la tierra y al atravesar sus estratos va enriqueciéndose con las substancias inorgánicas que encuentra. Favorecen este enriquecimiento sus componentes gaseosos que ha absorbido en la atmósfera o que todavía adquiere en su camino subterráneo. El enriquecimiento se consigue: por disolución directa; por la acción del CO2 disuelto sobre los carbonatos, sulfatos y silicatos, por reacción y recíproca influencia en la solubilidad de los distintos gases entre sí. · El agua nunca se encuentra pura en la naturaleza El agua de lluvia es la que más se aproxima al agua pura, pero contiene pequeñas cantidades de materia orgánica y gases disueltos, principalmente CO2 y O2 del aire. Se agrupan las impurezas del agua en tres: disueltas, suspendidas y coloidales. - Materiales disueltos: los sólidos disueltos o salinidad total, es una medida de la cantidad de materia disuelta en el agua, determinada por la evaporación de un volumen del agua previamente filtrada. Corresponde al residuo seco con filtración previa. Las sustancias más comunes que se encuentran en solución son sales minerales y gases. Para las aguas potables se indica un valor máximo deseable de 500 ppm. - Sales minerales: bicarbonato de calcio (CO3H)2Ca; sulfato de calcio SO4Ca; cloruro de calcio Cl2Ca; nitrato de calcio (NO3)2Ca; bicarbonato de magnesio (CO3H)2Mg; sulfato de magnesio SO4Mg; cloruro de magnesio Cl2Mg; nitrato de magnesio (NO3)2Mg; bicarbonato de sodio CO3HNa; sulfato de sodio SO4Na; cloruro de sodio ClNa; sales de hierro (CO3H)2Fe y otras. Además varios desechos comerciales. Gases: oxígeno y anhídrido carbónico. - Materiales en suspensión: los sólidos en suspensión, es una medida de los sólidos sedimentales (no disueltos) que pueden ser retenidos en un filtro. Se pueden determinar pesando el residuo que queda en el filtro, después de secado. Barro y arena. Materiales vegetales, desechos comerciales y bacterias. Se separan por filtración y decantación. - Suspensiones coloidales: Las materias orgánicas colorantes del agua, se encuentran en general en suspensión coloidal y además otras impurezas entre ellas la sílice. Las suspensiones coloidales no sedimentan fácilmente, mientras los materiales en suspensión sedimentan con relativa rapidez. - Sólidos totales: los sólidos totales son la suma de los sólidos disueltos y de los sólidos en suspensión.

 Distintas clases de agua Hay diversas formas de clasificar el agua, ahora haremos referencia a algunas de ellas.

· Geográficamente - Agua Subterránea Es la que corre con pequeña velocidad por debajo de la superficie terrestre, que en las hondonadas de su curso con lecho impermeable se reúne formando acumulaciones o lagos de agua subterránea. Puede estar impurificada por substancias naturales o por desechos, requiriéndose en estos casos la purificación. Estas aguas están generalmente libres de materias en suspensión, pero son mucho más duras que las aguas de superficie. La velocidad y dirección de las corrientes de agua subterránea se determinan por pozos de ensayo con productos químicos, ciertas materias colorantes, etc. El agua subterránea que por su camino natural sale a la superficie de la tierra, se llama manantial. Si las aguas de manantial contienen sales o gases de cierto poder curativo se llaman aguas minerales. Si el curso del agua subterránea es dificultoso, terrenos arcillosos, fango; asciende el nivel de la misma e inunda las regiones. Estos lugares deben sanearse mediante desagües; con tuberías adecuadas (drenaje) se puede conducir a canales. - Agua Superficial Agua de Río: comprende las aguas de torrentes, arroyos y ríos. Las aguas de ríos limpios pueden servir para abastecimiento de agua para ciudades, pero debe, por lo menos, filtrarse. Las características de un agua de río dependen de su cantidad, velocidad, contenido de substancias en suspensión y disueltas, dependiendo de la cuenca de precipitación del río, de la fusión de la nieve, de las lluvias, de las estaciones y de la composición del lecho donde corre. Son de gran importancia las variaciones del flujo de agua en las diferentes estaciones del año. Algunas de estas aguas pueden estar muy cargadas con materias orgánicas y minerales y las hacen completamente indeseables. Las aguas de río que contienen bicarbonatos en disolución, al correr en contacto con el aire, pierden el CO2 de los bicarbonatos y depositan carbonatos de Ca, Mg, Fe, haciéndose el agua cada vez menos rica en sales minerales. También se hacen cada vez menos ricas en substancias orgánicas por oxidación o reducción por las bacterias; salvo que haya afluencia de otros ríos o reciba aguas de ciudades. El agua de río contiene siempre O2, N2 y CO2. Agua de lago: son masas tranquilas de agua acumulada en una depresión cerrada del terreno. Los lagos son verdaderos depósitos de reserva, que presentan los mayores beneficios en las estaciones secas. Son dulces cuando el lago recibe y da salida continua al agua. A veces el agua de los lagos de agua dulce tiene la misma composición que la de los ríos afluentes. Los lagos salados son depresiones donde vierten agua manantiales salados, tienen un fondo salino o son apéndices de algún mar, del cual debieron separarse por alguna elevación del terreno, como el mar Caspio, Mar Muerto, etc. Agua de mar: el agua de mar contiene alrededor de 3.5% de sal en los grandes océanos, excepto cuando el mar tiene grandes efluentes, como el Báltico que tiene alrededor de 1%. Contiene abundantes cantidades de cloruro de sodio, sulfato de magnesio, cloruro de magnesio y sulfato de calcio. De las sales, aproximadamente el 80% es cloruro de sodio. - Agua Meteórica Corresponde, al agua de lluvia, nieve, granizo, etc. El agua de lluvia se recoge en cisternas, siendo un agua blanda; es costumbre en algunas regiones emplearla para lavar. · Aguas para Usos Industriales

La preparación del agua para industrias puede clasificarse en aguas para calderas, agua para refrigeración y agua para industria propiamente dicha. Cada caso plantea problemas y requiere, tratamientos diferentes. Es esencial que esas aguas no contengan constituyentes que interfieran en los procesos de elaboración. - Industria del Papel: no contendrá hierro, que mancha el papel y un exceso de calcio y magnesio precipita los jabones de resina que se emplean en la industria formando jabones de calcio y magnesio insolubles. - Industria del Teñido: en general el agua de las tintorerías debe ser incolora, libre de sustancias en suspensión y hierro; y además deben tener poca dureza para evitar la formación de lacas insolubles que producen tintes menos puros y a veces manchan. - Industria Textil: en el trabajo de los capullos y de la seda, se considera que un agua poco dura disuelve demasiadas substancias gomosas y da un producto menos brillante y menos resistente. Por otra parte hay grandes dificultades para teñir seda elaborada con aguas muy duras y resultan colores menos brillantes. El lavado de las fibras brutas de lana, y elaboradas de lana y algodón, requieren aguas blandas, para evitar que se gaste una cantidad indebida de jabón. Las plantas de seda viscosa deben usar agua libre de cobre. - Industria del Jabón: el jabón forma compuestos insolubles con todas las sales de calcio y magnesio, por lo tanto, es indispensable el empleo de aguas blandas en esta industria. - Industria del Azúcar: las aguas ricas en sulfatos o carbonatos alcalinos, y especialmente en nitratos, dificultan la cristalización del azúcar; el azúcar con el tiempo se hace delicuescente. Las aguas ricas en microorganismos descomponen el azúcar parcialmente en almacenaje. - Panaderías: se requiere agua potable y con el mínimo de materia orgánica que pueda afectar la acción de la levadura. -Industria del Alcohol: las aguas que se emplean deben ser puras y frescas, con pocos microorganismos que puedan afectar la fermentación. Los constituyentes minerales del agua, no aparecen en el producto elaborado, puesto que es destilado. -Industria de la Cerveza: los usos varios del agua en la industria de la cerveza requieren exigencias diversas sobre su calidad biológica y química. No debe contener mucho hierro, porque colorea la malta y da a la cerveza sabor desagradable. Para remojar la cebada no hay tanta exigencia; solo debe estar libre de materia orgánica; exenta de NO3H y NH3. En el agua para laborar la cerveza se exige una cierta cantidad de materiales salinos, además de otras propiedades. · Agua Destilada Es bastante difícil encontrar definiciones claras de estándares para agua destilada, desmineralizada y desionizada. Probablemente el modo más fácil de familiarizarse con el tópico de producción de agua (ultra) pura es empezar por el método más antiguo y más conocido: la destilación. El agua destilada es agua que ha sido hervida en un aparato llamado ―alambique‖, y luego recondensada en una unidad enfriadora (―condensadora‖) para devolver el agua al estado líquido. La destilación se usa para purificar el agua. Los contaminantes disueltos tales como sales se quedan en el tanque donde el agua hierve mientras que el vapor de agua se eleva hacia fuera. Puede no funcionar si los contaminantes son volátiles de forma que también hierven y recondensen, como si se tiene algo de alcohol disuelto. Algunos alambiques pueden condensar selectivamente (por licuefacción) el agua y no otras sustancias volátiles, pero la mayoría de los procesos de destilación permiten el arrastre de al menos algunas de las sustancias volátiles, una parte muy pequeña del material no volátil que fue

arrastrado dentro del flujo de vapor de agua cuando las burbujas estallan en la superficie del agua hirviendo. 

El uso del agua en la industria

La industria precisa el agua para múltiples aplicaciones, para calentar y para enfriar, para producir vapor de agua o como disolvente, como materia prima o para limpiar. La mayor parte, después de su uso, se elimina devolviéndola nuevamente a la naturaleza. Estos vertidos, a veces se tratan, pero otras veces el agua residual industrial vuelve al ciclo del agua sin tratarla adecuadamente. La calidad del agua de muchos ríos del mundo se está deteriorando y está afectando negativamente al medio ambiente acuático por los vertidos industriales de metales pesados, sustancias químicas o materia orgánica. También se puede producir una contaminación indirecta: residuos sólidos pueden llevar agua contaminada u otros líquidos, el lixiviado, que se acaban filtrando al terreno y contaminando acuíferos si los residuos no se aíslan adecuadamente. Los mayores consumidores de agua para la industria en el año 2000 fueron: EE.UU. 220,7 km³; China 162 km³; Federación Rusa 48,7 km³; India 35,2 km³; Alemania 32 km³; Canadá 31,6 km³ y Francia 29,8 km³. En los países de habla hispana, España 6,6 km³; México 4,3 km³; Chile 3,2 km³ y Argentina 2,8 km³. En algunos países desarrollados y sobre todo en Asia Oriental y en el África subsahariana, el consumo industrial de agua puede superar ampliamente al doméstico. El agua es fundamental para varios procesos industriales y maquinarias, como la turbina de vapor, el intercambiador de calor, y también su uso como disolvente químico. El vertido de aguas residuales procedentes de procesos industriales causan varios tipos de contaminación como: la contaminación hídrica causada por descargas de solutos y la contaminación térmica causada por la descarga del refrigerante. Otra de las aplicaciones industriales es el agua presurizada, la cual se emplea en equipos de hidrodemolición, en máquinas de corte con chorro de agua, y también se utiliza en pistolas de agua con alta presión para cortar de forma eficaz y precisa varios materiales como acero, hormigón, hormigón armado, cerámica, etc. El agua a presión también se usa para evitar el recalentamiento de maquinaria como las sierras eléctricas o entre elementos sometidos a un intenso rozamiento. · El agua como transmisor de calor El agua y el vapor son usados como transmisores de calor en diversos sistemas de intercambio de calor, debido a su disponibilidad, por su elevada capacidad calorífica, y también por su facultad de enfriar y calentar. El vapor condensado es un calentador eficiente debido a su elevado calor de vaporización. Una desventaja del agua y el vapor es que en cierta manera son corrosivos. En la mayoría de centrales eléctricas, el agua es utilizada como refrigerante, la cual posteriormente se evapora y en las turbinas de vapor se genera energía mecánica, permitiendo el funcionamiento de los generadores que producen electricidad. En la industria nuclear, el agua puede ser usada como moderador nuclear. En un reactor de agua a presión, el agua actúa como refrigerante y moderador. Esto aumenta la eficacia del sistema de seguridad pasivo de la central nuclear, ya que el agua ralentiza la reacción nuclear, manteniendo la reacción en cadena. · Procesamiento de alimentos El agua juega un papel crucial en la tecnología de alimentos. El agua es básica en el procesamiento de alimentos y las características de ella influyen en la calidad de los alimentos. Los solutos que se encuentran en el agua, tales como las sales y los azúcares, afectan las propiedades físicas del agua y también alteran el punto de ebullición y de congelación del agua.

Un mol de sacarosa (azúcar) aumenta el punto de ebullición del agua a 0.52°C, y un mol de cloruro de sodio aumenta el punto de ebullición a 1.04°C a la vez que disminuye del mismo modo el punto de congelamiento del agua. Los solutos del agua también afectan la actividad de esta, y a su vez afectan muchas reacciones químicas y el crecimiento de microorganismos en los alimentos. Se denomina actividad del agua a la relación que existe entre la presión de vapor de la solución y la presión de vapor de agua pura. Los solutos en el agua disminuyen la actividad acuosa, y es importante conocer esta información debido a que la mayoría del crecimiento bacteriano cesa cuando existen niveles bajos de actividad acuosa. El crecimiento de microbios no es el único factor que afecta la seguridad de los alimentos, también existen otros factores como son la preservación y el tiempo de expiración de los alimentos. Otro factor crítico en el procesamiento de alimentos es la dureza del agua, ya que esta puede afectar drásticamente la calidad de un producto a la vez que ejerce un papel en las condiciones de salubridad. La dureza del agua mide la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, especialmente carbonato de calcio y magnesio. La dureza del agua puede ser alterada o tratada mediante el uso de un sistema químico de intercambio iónico. El nivel de pH del agua se ve alterado por su dureza, jugando un papel crítico en el procesamiento de alimentos. Por ejemplo, el agua dura impide la producción eficaz de bebidas cristalinas. La dureza del agua también afecta la salubridad; de hecho, cuando la dureza aumenta, el agua pierde su efectividad desinfectante. · Aplicaciones químicas Las reacciones orgánicas generalmente se templan con agua o con una solución acuosa que puede estar compuesta por ácido, por una base o por un tampón químico. El agua es generalmente eficaz para eliminar sales inorgánicas. En las reacciones inorgánicas el agua es un solvente común, debido a que no disuelve los reactivos en su totalidad, también es anfótera (puede reaccionar en su estado ácido y base) y nucleófila (es una especie que reacciona cediendo un par de electrones libres a otra especie, el electrófilo, combinándose y enlazándose covalentemente con ella). Sin embargo, estas propiedades a veces son deseadas. También se ha observado que el agua causa una aceleración en la reacción de Diels-Alder. Los fluidos supercríticos están siendo investigados en la actualidad, ya que el agua supercrítica (saturada en oxígeno) hace combustión en los contaminantes de manera eficiente.

MÉTODOS FÍSICOQUÍMICOS

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Separación de la Materia en Suspensión

El agua con materia en suspensión es inadecuada para la mayoría de los fines. Las impurezas suspendidas son de distintos tipos; las más comunes son limo, arcilla, productos vegetales finamente divididos, y sustancias de procedencia animal. La distribución por tamaños de los sólidos en suspensión puede ser amplia. Los sólidos gruesos (detritos) se depositan rápidamente, dejando el agua en reposo. Las partículas finas, especialmente las coloidales, pueden permanecer en suspensión, enturbiando y coloreando el agua. Las aguas subterráneas casi siempre están exentas de turbidez, excepto después de periodos de fuertes lluvias, debido a la filtración experimentada, a medida que el agua atraviesa los estratos permeables. El método seleccionado para separar la materia en suspensión depende del volumen de agua a tratar y del tamaño y naturaleza de los sólidos suspendidos. Se usan la sedimentación, la coagulación y la filtración. · Coagulación y Floculación La coagulación y floculación son dos procesos dentro de la etapa de clarificación del agua. Ambos procesos se pueden resumir como una etapa en la cual las partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas flocs tal que su peso específico supere a la del agua y puedan precipitar.

Ilustración del mecanismo de coagulación-floculación. Las partículas coloidales, en este caso con cargas negativas en la superficie, se rodean de iones con cargas positivas propias de algunos coagulantes (Al+++, Fe+++) o floculantes catiónicos. El floculante polimérico hace además de puente de unión entre distintas partículas.

- Coagulación Las partículas pequeñas suspendidas en el agua suelen estar provistas de cargas hidrostática negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y, por tanto, también las partículas. Las fuerzas

repulsivas son mayores que las de atracción, lo que estabiliza la suspensión, por lo que las partículas no tienden a formar aglomerados. En la coagulación, se modifica la superficie de las partículas y el entorno químico, mediante la adición de productos denominados agentes coagulantes. Para superar la repulsión, se neutralizan las partículas cargadas añadiendo iones de cargas opuesta. En el tratamiento de las aguas, se usan, con frecuencia, como agentes coagulantes las sales de aluminio, y hierro. Las utilizadas con frecuencia son el sulfato de aluminio, el aluminato de sodio y el sulfato ferroso. En la práctica, se añade una disolución del agente coagulante, en cantidades medidas, a una zona del tanque de floculación en el que la actividad de mezcla sea intensa. Contacta allí con agua parcialmente tratada, procedente del tamizado, o con aguas no tratadas, si el contenido de sólidos en suspensión inicial era bajo y las partículas suspendidas de tamaño pequeño. Tras la etapa de coagulación, el agua se somete a una agitación poco intensa, que induce la floculación. - Floculación Es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en partículas más grandes que pueden ser depositados llamados flóculo. La adición de otro reactivo llamado floculante puede promover la formación del flóculo. Con este desarrollo de flóculos groseros, llegan a ser fáciles de separar en los recipientes de sedimentación. El agitado del agua por mezclado hidráulico o mecánico causa gradientes de velocidad cuya intensidad controla el grado de floculación producida. El número de colisiones entre partículas esta relacionado directamente con el gradiente de velocidad. El tiempo de retención normal en los tanques de floculación es de 30 a 45 minutos. Para la floculación mecánica la profundidad del tanque es equivalente a 1 ⁄ o 2 diámetros de paleta y el área de las paletas es del 10% al 25% del área transversal del tanque. Los floculadores mecánicos permiten tener mas control sobre el proceso que lo floculadores hidráulicos pero requieren más mantenimiento. La floculación y la sedimentación se pueden combinar en una sola unidad.

Estudios muy recientes sobre la sedimentación y floculación demuestran que pueden tomar parte, en la aglomeración y separación de las partículas más pequeñas, otros mecanismos, además de la repulsión electrostática, por ejemplo, el atrapamiento de un precipitado. Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3 +3CaSO4 El precipitado gelatinoso de hidróxido de aluminio atrapa las partículas coloidales finas y toda la masa cae al fondo del recipiente, arrastrando con ella la materia en suspensión, los microorganismos, etc. El agua pasa entonces a través de una manta de lodos, de flóculos previamente depositados. La velocidad de ascenso del agua es demasiado lenta para poder arrastrarlos y se obtiene un agua razonablemente clara. Las sales de hierro funcionan de un modo semejante. Estas sales son más baratas que las de aluminio y producen flóculos más fuertes. Sin embargo, las sales de hierro pueden crear problemas: imparten color al agua, son corrosivas y catalizan reacciones bioquímicas perjudiciales. Los polielectrolitos se suelen usar en combinación con agentes inorgánicos, como coadyuvantes de la coagulación, pero hoy tienen interés como coagulantes propiamente dichos. Son más caros que las sales inorgánicas, pero se necesitan en dosis más reducidas y producen menos volumen de fango. Algunos polielectrolitos catiónicos se comportan como las sales inorgánicas, es decir de un modo similar al Al3+y al Fe3+. Otros, incluso monovalentes, son más eficaces como coagulantes y floculantes que el Al3+ y el Fe3+. Quiere esto decir que entran en juego otros mecanismos de desestabilización y formación de flóculos. Uno de estos mecanismos es la formación de puentes poliméricos. Tras la coagulación/floculación, los aglomerados de pequeñas partículas se comportan como simples partículas de mayor tamaño que sedimentan rápidamente y son eliminadas como corriente inferior de lodos, tras un tiempo de residencia relativamente corto, en un tanque de sedimentación correctamente diseñado. Utilizando un coagulante adecuado y un coadyuvante de coagulación, como sílice activado, se elimina la turbidez, la materia en suspensión, limo, arcilla, sílice, productos vegetales finamente divididos, y sustancias de procedencia animal.

La distribución por tamaños de los sólidos en suspensión puede ser amplia. Los sólidos gruesos (detritos) se depositan rápidamente, dejando el agua en reposo. Las partículas finas, especialmente las coloidales, pueden permanecer en suspensión, entibiando coloreando el agua. Las aguas subterráneas casi siempre están exentas de turbidez, excepto después de periodos de fuertes lluvias, debido a la filtración experimentada, a media que el agua atraviesa los estratos permeables. El método seleccionado para separar la materia en suspensión depende del volumen de agua a tratar y del tamaño y naturaleza de los sólidos suspendidos. Se usan la sedimentación, la coagulación, y la filtración. · Decantación En la sepación por decantación se aprovecha la fuerza de la gravedad que imprime a las partículas a un movimiento descendente, cuya velocidad depende de la densidad y viscosidad del líquido, y del tamaño, forma y densidad de la partícula. Para obtener una máxima eficacia en el proceso de sedimentación conviene obtener partículas pesadas y grandes. Si esto no ocurre espontáneamente se acude a una coagulación-floculación preliminar. Cuando la concentración de sólidos es importante, la densidad aparente del líquido aumenta y se produce una sedimentación retardada. Las distintas fases de la sedimentación pueden verse claramente haciendo ensayos de decantación con una muestra de la suspensión introducida en una probeta. Con el tiempo se forma en la parte superior una superficie libre (semejante a la del agua líquida, característica de la existencia de un campo de fuerzas gravitatorias y unas interacciones entre cierta clase de partículas), debajo de la cual sedimentan partículas libremente (excepto si la concentración inicial era muy elevada) y por encima de la cual hay agua limpia. Más hacia el fondo aparece una zona de sedimentación retardada, y en el fondo una zona de alta concentración donde tiene lugar la compresión y compactación del fango. La superficie libre desciende con el tiempo hasta contactar con la zona de compresión. Con el tiempo la velocidad de descenso es cada vez más lenta.

Descenso de nivel de la superficie da separación de la zona clarificada y zona de sedimentación retardada con el tiempo. Hacia el final la superficie de separación se confunde con la correspondiente a la zona de compresión adquiriendo una velocidad de descenso más lenta.

- Tipos de Decantadores: Los decantadores libres pueden ser rectangulares o circulares. En los rectangulares la velocidad de desplazamiento horizontal es constante pero no en los circulares. En todos los casos requieren de un mecanismo de recogida y extracción de los fangos decantados. En los rectangulares la recogida de fangos se realiza con arrastre previo de los fangos mediante rasquetas montadas en un mecanismo de cadenas o un puente móvil de vaivén. En los circulares las rasquetas están sujetas a un brazo rotativo. Con sólidos relativamente pesados es importante que el pozo de recogida esté cerca de la vertical de alimentación que es donde se deposita mayor cantidad. Normalmente operan en continuo, y la disposición de las entradas y salidas debe evitar el cortocircuito de agua alimentada. Para volúmenes de tratamiento pequeños a medios, los decantadores circulares son más económicos, pero para caudales importantes los rectangulares aprovechan mejor el espacio por su forma geométrica y reducen la obra necesaria mediante paredes comunes. Los sedimentadores de cono tienen una mayor profundidad y mediante una alimentación por el fondo utilizan el manto de fangos como una especie de filtro para la suspensión entrante. Por las ventajas que aportan, actualmente en las instalaciones industriales, se emplean cada vez más los decantadores de lamelas, los cuales permiten reducir el espacio necesario y conseguir directamente una buena concentración de los fangos decantados.

Cuando existe un pretratamiento por precipitación química, los decantadores pueden reincorporar una recirculación de fangos para mejorar el crecimiento de las partículas y utilizar el manto de fangos del fondo para crear un efecto filtrante, agregar las partículas y mejorar la sedimentación.

· Flotación Es una técnica alterna de clarificación, que es especialmente atractiva cuando se trata de partículas pequeñas y partículas con una densidad cercana al agua. Con esa técnica las tazas de carga no están directamente relacionadas con las características de la suspensión; por esta razón es posible que los tiempos de retención sean relativamente cortos y aún así obtener una buena clarificación. El proceso requiere que se añada un agente de flotación, que normalmente son finas burbujas de aire muy pequeñas en la base de la unidad; de esta manera se logra saturar una porción de flujo tratado (el reciclado) con aire de alta presión atmosférica, el exceso de aire sale de la solución en la forma de finas burbujas. Las burbujas de aire se adhieren o se entretejen con las partículas suspendidas, que suben así a la superficie debido a su baja densidad. · Filtración - Tamizado Si el agua contiene partículas en suspensión de tamaño superior a 1 mm, puede ser necesario un tamizado preliminar, también si contiene detritos flotantes, vegetación, etc. y además de limo, puede ser necesario emplear diversos tamices de distintos tipos y diferentes aperturas. Para el tamizado grosero, se suelen utilizar enrejados constituidos por barras metálicas verticales de unos 25 mm de grosor, distanciados de 25 a 100 mm. En las instalaciones de tratamiento de agua de gran capacidad estos tamices suelen estar equipados y con dispositivos de limpieza automáticos. Si los materiales en suspensión de gran tamaño son escasos, el agua puede fluir directamente a un tamiz intermedio y, si se trata de aguas superficiales, incluso a un tamiz fino. Las tamizas intermedias suelen ser tamices de cinta, este tipo de tamiz esta constituido por una cinta que se mueve en dirección vertical a través de la que fluye el agua. Estos tamices se tapan con gran facilidad y suelen estar equipados con chorros de aguas limpiadores que arrastran los detritos que cegarían el tamiz. Los tamices finos suelen ser tamices de cilindro rotatorio. Su superficie está, con frecuencia, constituida por una malla de acero inoxidable. La superficie del tamiz se ciega con facilidad, de manera que es preciso incorporar chorros de agua para lavar y retirar automáticamente los detritos retenidos. La apertura de la malla seleccionada depende del tamaño del material particulado a eliminar y, suelen hallarse en el rango de 20 - 5.000 µm. Los tamices de tambor, para retirar material particulado del menor tamaño del rango antes citado, se conocen en la industria del tratamiento de agua como ―microcoladores‖. La tasa de filtrado en uso normal son de 750 a 2500 m3/m2D. El diseño de instalaciones de microtamizado se apoya en la determinación hecha en el laboratorio de una característica empírica de la suspensión que se conoce como índice de filtrabilidad. Este parámetro mide el comportamiento de la suspensión con referencia a sus propiedades de obstrucción y se puede usar para determinar la obstrucción excesiva y así evitar que la malla se dañe. ·Filtros de Presión y de Gravedad: Los tipos de filtros usados para la filtración de agua, son casi todos del diseño que emplea material granular como medio filtrante, tales como arena fina o antrafilt, a través de los cuales el

agua se filtra en flujo descendente. A este tipo de filtros se los llama filtros de arena. Estos filtros se pueden dividir en dos clases: de presión y de gravedad. En las instalaciones industriales se usan casi siempre del tipo de presión pero cuando se manejan grandes volúmenes de agua se usa el tipo de gravedad. Filtros de presión: se fabrican en el tipo vertical y horizontal. Los dos tipos están formados por una carcasa metálica cilíndrica con tapas abombadas que contienen una capa de medio filtrante (arena o antrafilt) soportado por capas de arena o antrafilt equipados con los accesorios necesarios para llevar a cabo las operaciones de filtración, retrolavado y enjuague. Los filtros verticales varían de 30 cm a 3 m. de diámetro y la altura es usualmente de 1.60 m. en la parte cilíndrica, aunque a veces se utilizan de 1.20 En estas unidades la filtración se lleva a cabo pasando el agua en flujo descendente a través de un lecho de arena fina soportado por gravas graduadas. El material más usado y el más antiguo también es la arena; en segundo lugar la antracita (antrafilt) lavada y graduada .La ventaja de usar un medio filtrante granular es que en la operación de lavado, el lecho se expande provocando que la materia insoluble retenida en el filtrado sea liberada. Sistema de drenado, consiste de una placa deflectora cuya arista inferior se coloca a fracciones de pulgadas sobre la superficie abombada del fondo del filtro. En los filtros de tipo vertical a presión el flujo del agua en la entrada se amortigua por medio de un deflector colocado en la parte superior del filtro; el propósito de este deflector es evitar que el agua golpee directamente la superficie del lecho de arena, evitando rugosidades; y durante el retrolavado el agua se colecta en la parte superior de este deflector. En los filtros horizontales se usa un distribuidor preparado para dispersar el agua que entra al filtro durante la filtración y retirar el agua de retrolavado. En los filtros horizontales se usa un distribuidor perforado para dispersar el agua que entra al filtro durante la filtración y retirar el agua de retrolavado. Durante el retrolavado, se alimenta agua a alta presión la cual desprende el material adherido a los granos de arena de manera que el agua de retrolavado puede suspender la materia desintegrada y arrastrarla hacia el drenaje. Cuando el filtro se pone en hoja de filtrado por algunos minutos el agua que se filtra se manda al drenaje porque una buena acción filtrante no se asegura sino hasta que después de que el lecho filtrante se haya compactado y se acumule en su superficie una pequeña cantidad floculos. La experiencia de la filtración se chequea fácilmente tomando muestras y viendo su claridad. Cuando el efluente se ve claro se deja de mandar agua al drenaje y el filtro se pasa en funcionamiento normal. Esta operación se continua hasta que los indicadores de pérdida de carga muestran que se deben retrolavar los filtros y estos se ponen fuera de servicio, se retrolavan, luego se ponen en función mandando el agua al drenaje y por último se pone en servicio; estas operaciones duran 15 minutos aproximadamente. Los filtros se operan a menudo en baterías de 2 o más unidades, diseñadas de tal manera que mientras una unidad esta lavándose la otra puede absorber el flujo total. Si se usan baterías de 4 o más filtros, se retrolavan escalonadamente, lavando cada unidad con el efluente de las otras; en otros casos, los filtros se retrolavan con agua filtrada que viene de un tanque elevado o cisterna, agua sedimentada de un tanque sedimentador, agua cruda (esta se usa únicamente cuando la fuente de abastecimiento tiene poca materia en suspensión). La operación de retrolavado solamente dura de 8 a 10 min. Una alta concentración de materia suspendida, altos niveles de filtración y bajos flujos de retrolavado son factores que pueden influir a que un filtro falle, conduciendo a la necesidad de cambiar el lecho filtrante. Está claro que el ciclo de filtrado depende tanto de la naturaleza como de la cantidad de materia insoluble presente. Una buena coagulación y decantación preliminar removerá la mayor parte de las materias insolubles, aumentando los ciclos de filtrado. Los filtros de gravedad no se emplean en la industria tan extensamente como los filtros de presión. Sin embargo también se usan. Estos filtros pueden construirse de concreto, acero o madera, pero el cemento es el material que más se utiliza. Este tipo de filtros se montan sobre

una cisterna sobre la cual se toma el agua para el servicio generar el retrolavado. Las canaletas de lavado, situadas en la parte superior del filtro, tienen 2 propósitos 1 distribuir el agua de la filtración y 2 colectar el agua de retrolavado, cuando se efectúa cada operación. En el fondo del filtro esta el sistema colector que sirve para recoger el agua durante la filtración y distribuirla durante la operación de retrolavado.

· Filtros Automáticos sin Válvulas: Este tipo se introdujo hace más de 5 años. Este tipo de filtros efectúa automáticamente todas las operaciones del ciclo, sin usar válvulas nanómetros, indicadores, u otros controles eléctricos. Como se nota en la figura, el sistema recolector consiste de un falso fondo; con este tipo de sistema recolector no es necesario usar capas de grava y arena gruesa, solamente se emplea una capa de arena filtrante o antrafilt. El agua coagulada y decantada entra al filtro a través de una tubería hasta la parte superior del compartimiento filtrante y se filtra hacia abajo a través de la arena. El agua filtrada se colecta en la parte inferior del filtro y luego asciende hacia el exterior. Durante el ciclo de filtrado, los floculos que se acumulan en el lecho filtrante originan una contra presión ocasionando una gradual elevación del agua en la tubería de retrolavado, cuando alcanza un nivel determinado (entre 4 y 5 pies) sobre la salida del agua filtrada, un sistema automático (no mostrado) rápidamente desaloja el aire del tubo de retrolavado empezando la acción de vacio (sifón) que retrolava el filtro. · Filtros de Carbón Activado: Estos se usan ampliamente para eliminar olores y sabores del agua. En las industrias que usan coagulación, asentamiento y filtración, el carbón activado pulverizado se aplica para estos propósitos, en la forma de dosificación cuidadosa en el equipo de decantación y coagulación. Los filtros de carbón activado tienen una construcción similar a los filtros de arena; contienen una capa de carbón activado cuyo espesor es de entre 24 y 36 pulgadas, soportado por capas de grava y arena. Es necesario hacer retrolavados periódicos para mantener el lecho filtrante en buenas condiciones. La capacidad del carbón activado es elevada y en condiciones normales una carga es suficiente para un año de servicio. En algunas instalaciones grandes se ha practicado la reactivación, pero los análisis económicos muestran que esto no es aconsejable; debido a que la naturaleza de estos compuestos y su cantidad varia con el tiempo, es muy difícil calcular el ciclo de duración o capacidad de un filtro de carbón activado. Los filtros de carbón activado solo se usan para eliminar calor y sabor.

- Microfiltración: Los microfiltros trabajan a baja carga, con muy poco desnivel, y están basados en una pantalla giratoria de malla de acero o material plástico a través de la cual circula el agua. Las partículas sólidas quedan retenidas en la superficie interior del microfiltro que dispone de un sistema de lavado continuo para mantener las mallas limpias. Se han utilizado eficazmente para separar algas de aguas superficiales y como tratamiento terciario en la depuración de aguas residuales. Según la aplicación se selecciona el tamaño de malla indicado. Con mallas de acero pueden tener luces de orden de 30 micras y con mallas de poliéster se consiguen buenos rendimientos con tamaño de hasta 6 micras.

Microfiltro. El agua circula desde el interior al exterior del cilindro filtrante mientras los sólidos retenidos en el interior, al llegar a la parte alta por el giro del cilindro, se lavan y recogen en un canal de evacuación que los devuelve a la zona de tratamiento.

- Ultrafiltración: Esta tecnología de membranas representa la forma más absoluta de retener sólidos en suspensión. El tamaño de los poros de las membranas puede ser tan pequeño como de 0,001 a 0,02 micras y pueden procesar aguas de concentración de sólidos relativamente importantes. Consigue retener materia coloidal y grandes moléculas orgánicas. A través de la membrana se realiza un flujo poroso y viscoso de forma que su estructura física determinará el caudal de paso y el rechazo de partículas. Comparadas con las membranas de ósmosis inversa, son demasiado porosas para poder desalinizar y tampoco soportan una presión osmótica importante. El tamaño de poro se caracteriza por el corte de peso molecular que puede cruzar o no la membrana. Van desde 1.000 a 80.000 aunque influye la forma de la partícula. El fenómeno de polarización, que dificulta el paso, se debe a la concentración de micromoléculas y colides sobre la superficie de la membrana, formado una capa de gel que aumenta la resistencia al flujo. La circulación del líquido a filtrar a grandes velocidades a lo largo de la membrana, tiende a disminuir la capa de polarización y aumenta la productividad, pero representa un mayor coste de bombeo. Las membranas se pueden fabricar con materiales diversos, siempre que sean compatibles con la solución alimentada y los agentes de limpieza que periódicamente se utilizan. Se fabrican con acetato de celulosa, PVC, poliacrilontrilo, policarbonato y polifusona. La polifusona tiene especial interés porque resiste hasta 93 ºC, pH desde 0,5 a 13 y muchos agentes químicos. Por la forma de la membrana puede ser tubular, espiral o de fibra hueca. Los diseños son muy parecidos a los de ósmosis inversa. Tiene múltiples aplicaciones que se aprovechan antes o después de otros equipos. Puede emplearse para separar ácidos húmico y fúlvico de un agua destinada a alimentar una ósmosis inversa. Separa la materia coloidal, la materia de alto peso molecular y los microorganismos que no son separados por el intercambio iónico. Su aplicación no permite separar materia disuelta. · Sílice La sílice se presenta de tres formas: suspendida (arena), coloidal (no reactiva), y disuelta (reactiva). La sílice disuelta se denomina reactiva porque responde al test colorimétrico con Molibdato, adquiriendo un típico color azul. La remoción de sílice no reactiva es similar a la de cualquier coloide. Tal como ocurre en las potabilizaciones, el agua se flocula, decanta y filtra con arena u otros medios.

Una regla que generalmente se cumple es que la sílice coloidal se encuentra en aguas superficiales (por ejemplo ríos y diques), al igual que otros contaminantes orgánicos o sustancias que forman coloides. Por el contrario, las aguas de pozo rara vez contienen sílice en forma coloidal. Ello es así porque el suelo actúa como medio filtrante y, si bien los silicatos son poco solubles, es frecuente encontrar acuíferos que contienen 50 o más partes por millón de sílice disuelta; especialmente en aquellas napas que se encuentran bajo suelos arenosos. Dicho en términos más ilustrativos: las aguas del río Paraná o La Plata presentan un contenido de sílice disuelta del orden de 15 partes por millón. Las aguas de pozo de las principales regiones productivas de Argentina rara vez bajan de 50 ppm. Al generar vapor en una caldera o al evaporar agua en una torre de enfriamiento se concentran las impurezas disueltas, alcanzando rápidamente –en caso de aguas de pozo- la saturación del nivel de sílice, que es de 120 ppm a pH neutro. Debido a ello debe removerse la sílice disuelta en forma previa a estas aplicaciones. La tabla de solubilidad de sílice (mg/L a 25ºC) vs. pH habla por sí sola: 6 a 8............... 120 9..................... 138 10.................... 310 10.6................. 876 Así, trabajando con pH 10.6 en una caldera, una torre de enfriamiento o en membranas de ósmosis, la sílice se mantendrá solubilizada aun con una concentración 7 veces mayor comparada con la precipitación que se produce a pH neutro. La sílice no parece ser tan maldita pese, el problema es que se debe trabajar con pH muy elevado, lo cual implica atender otro inconveniente: evitar la precipitación de iones duros. Es decir que, para evitar una "avalancha" de carbonato de calcio, será necesario ablandar el agua antes de incrementar su pH.

MÉTODO QUÍMICO CAL-SODA

· Tratamiento con Cal y Soda Este método está basado en la precipitación de los componentes del agua, que originan la dureza, separación de la mayor parte del precipitado formado, seguido de una filtración a los efectos de una completa clarificación. Este método es el más simple y el más comúnmente usado; donde la soda y la cal precipitan las sales de calcio y magnesio del agua. La cal que se emplea en forma de lechada, actúa para eliminar la dureza temporaria debida a los bicarbonatos, y el carbonato de sodio se emplea para separar la dureza de los no carbonatos. Se emplea la cal y la soda en la cantidad correspondiente, siendo estas las fuentes más económicas del ion OH- y CO3-- y la separación subsiguiente del precipitado. Del análisis de iones Ca, Mg, H, CO3H-, y CO2 libre, se puede determinar la cantidad de cal y de soda necesarios. · Separación de la dureza temporaria o de carbonatos por la cal (HCO3)2Ca + Ca(OH)2 (HCO3)3Mg + 2Ca(OH)2

2CaCo3 + 2H2O Mg(OH)2 + 2CaCo3 + 2H2O

Como el hidróxido de magnesio es menos soluble que el carbonato, se agrega cal en exceso como se indica en la segunda ecuación, para formar el hidróxido de magnesio. El hidróxido de magnesio precipita junto con el carbonato de calcio. El PH para la solubilidad mínima del CaCo3 es 9,4 mientras que para el Mg(OH)2 es 10,6; controlando este factor se puede obtener mejores resultados para aguas que contengan excesos ya sea de calcio o de magnesio. El hidróxido de magnesio es más difícil de separar que el carbonato de calcio, porque tiende a quedar en suspensión. La eliminación de esta dificultad de este material en suspensión se puede conseguir agregando coagulantes, empleándose tal fin los de hierro y aluminio, especialmente de este último tipo. Se entiende que a cantidad de cal a agregar se determina de acuerdo al análisis del agua. También si hay cloruro de magnesio se tiene la siguiente reacción: Cl2Mg + Ca(OH)2 y queda una cantidad equivalente de cloruro de calcio en la solución, de modo que luego debe agregarse la cantidad suficiente de carbonato de sodio para precipitar el cloruro de calcio, como se va a ver en dureza permanente o de no carbonatos. · Separación de la dureza permanente o de no carbonatos, con soda Como ya hemos dicho, con excepción de los bicarbonatos, las sales de calcio y magnesio solubles dan esta dureza. Luego corresponde a sulfuros, cloruros y nitratos. La ceniza de soda empleada es carbonato de sodio comercial, de gran pureza, conteniendo como mínimo 98% de carbonato de sodio. La cantidad requerida depende de la reducción que se desea efectuar en la dureza del agua tratada. Se entiende que la cantidad de soda a emplear se determina de acuerdo al análisis químico.

SO4Ca + Co3Na2 SO4Mg + Co3Na2 + Ca(OH)2 Cl2Ca + Co3Na2

Co3Ca + SO4Na2 SO4Na2 + Mg(OH)2 + Co3Ca 2ClNa + Co3Ca

El carbonato de sodio reacciona con la dureza permanente por precipitación de carbonatos, dejando en el agua una cantidad equivalentes de sulfatos, cloruro o nitrato de sodio. Para asegurar que se eliminan las sales de magnesio en frio se agrega cal para precipitar el magnesio como hidróxido. · Recarbonatación En el ablandamiento de agua con cal, y particularmente en frio, queda siempre en el agua decantada una pequeña cantidad de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. Estas sales en suspensión producen incrustaciones de carbonato de calcio en las cañerías, especialmente en los sistemas de agua caliente. Esto se evita por recarbonatacion del agua ablandada con cal, por un tratamiento de anhídrido carbónico. Este tratamiento se hace antes que pase a los filtros o sino después de la filtración para evitar los depósitos en las cañerías. Además este tratamiento tiene por objeto neutralizar el exceso de cal agregado al agua. La recarbonatacion solubiliza el carbonato de calcio e hidróxido de magnesio que estaban en suspensión e bicarbonatos.

Co3Ca + CO2 + H2O Mg(OH)2 + 2 CO2

(CO3H)2Ca (CO3H)2Mg

Si el tratamiento se efectúa en dos etapas de decantación, puede evitarse la solubilización del carbonato, efectuando la recarbonatacion a la entrada del segundo decantador, donde se neutraliza el exceso de cal y precipitación del decantador.

Ca(OH)2 + CO2

Co3Ca + H2O

El anhídrido carbónico empleado en la recarbonatacion se obtiene de los gases de la combustión o quemando combustibles en hornos especiales. En un equipo de recarbonatacion los gases de combustión se hacen pasar a través de un scrubber donde se enfría y se separan los productos no deseables. Arriba de los scrubbers hay una parrilla con caños perforados donde se inyecta agua, que va hacia abajo, en contracorriente con el gas. El gas purificado se recoge en la parte superior, y como esta húmedo se lo manda a un secador. Diluyéndolo antes con aire necesario. El CO2 medido, se regula de modo que se suministra la dosis requerida a la cámara de recarbonatacion. Esta cámara es un recipiente provisto en el fondo de una parrilla con caños perforados, a través de los cuales se inyecta CO2 a presión al agua que se trata. Se ha encontrado que debe agregarse un 25% más de CO2 que el teóricamente requerido.

· Planta para Ablandamiento: Proceso en caliente

Se emplea este proceso principalmente para aguas de alimentación de calderas. Igual que en el proceso en frio, la dureza queda en el fondo del tanque donde se separa y el agua ablandada se filtra para separar el resto de precipitado en suspensión. La principal diferencia entre los dos procesos es la temperatura del agua a tratar, que en el de proceso en fríos es la del agua que viene de la ciudad, lago o pozo, mientras que en el caliente se calienta el agua cruda a 95°C- 100°C, antes de entrar al tanque de tratamiento, utilizando de referencia vapor exhausto, suplementado de vapor vivo, si es necesario. A esta temperatura la reacción tiene lugar rápidamente, disminuyendo la viscosidad del agua y permite la rápida decantación del precipitado. Se requiere un pequeño exceso más de productos químicos que en el de tratamiento en frio y no se requiere coagulación. Los tanques de reacción necesitan tener solo suficiente capacidad para 1 hora de retención, en lugar de cuatro horas que requiere el proceso en frio. Esto, es debido a la mayor rapidez de las reacciones y decantación. El tanque de reacción está revestido de material aislante y en la parte superior tiene una abertura para la entrada del agua y productos químicos. Sobre la abertura hay un calentador, donde el agua cruda se pone en contacto con el vapor. Se emplean diversos tipos de calentadores. El calentamiento expulsa el CO2 y reduce la cal requerida y elimina casi la totalidad de oxígeno disuelto, como el agua alcalina caliente del ablandamiento tiende a disolver la arena, formando luego incrustaciones de silicato en los cilindros debido a que disuelve parte del sílice de los filtros, se evita esto empleando materiales filtrantes que no sean de silicio. En el proceso de ablandamiento por agua caliente el agua desciende por la parte exterior del taque y sale por la parte superior del cono. Se evita así la corriente de convección. · Procesos de ablandamiento en caliente: El procedimiento de ablandar el agua en caliente, difiere que es llevado a efecto a una temperatura cercana al punto de ebullición de agua. Debido a estas elevadas temperaturas, los procesos en aliente usualmente se limitan a tratamientos de agua para calderas. Los procesos en caliente pueden clasificarse en tres divisiones principales.

- Proceso cal sodada en caliente. - Proceso en dos pasos, cal sodada en caliente y fosfatos. - Proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico ciclo sódico. Además, la eliminación de sílice puede añadirse a cualquiera de estos. Con respecto a esto, cualquier cantidad de dureza de magnesio que se remueva en el proceso de ablandamiento eliminara cierta cantidad de sílice. Si esta es insuficiente, una mayor reducción puede llevarse a efectos usados cal dolomítica o magnesia activada. De acuerdo con la regla general de que la mayoría de las reacciones químicas aproximadamente doblan su velocidad por cada 10°C de aumento en la temperatura, las reacciones en el proceso en caliente se efectúan cientos de veces más a prisa que en los procesos cal sodada en frio. También, los precipitados formados en estas temperaturas son mayores y mas pesados, y puesto que el agua caliente es menos viscosa, el asentamiento toma lugar mas rápidamente, de manera que en estos procesos no es necesario usar coagulantes. Los procesos en caliente también difieren de los procesos en frio, en que no es necesario añadir cal para el contenido de bióxido de carbono libre del agua cruda, ya que este se desprende por calentamiento del agua antes de que se añadan los reactivos. · Proceso cal sodada en caliente: El proceso de cal sodada en caliente es un proceso continuo en el cual el agua (1) se calienta, (2) se trata con una cantidad dada de reactivos químicos, (3) se asienta y (4) se filtra. Las sustancias químicas usadas son cal hidratada y soda ash. En lugar de comprar cal hidratada se puede comprar cal viva y se apaga antes de usarse. Cuando se requiere para la eliminación de sílice, pueden usarse también cal dolomítica hidratada y/o magnesia activada. Los precipitados formados con carbono de calcio CaCO3 e hidróxido de magnesio Mg(OH)2 que se pueden eliminar por asentamiento y filtración. El grado de ablandamiento que se puede llevar a efecto en este proceso directo cal sodada, con la cantidad usual de reactivos químicos, es a una dureza residual de menos de 25 ppm.

Diagrama de flujo de una planta de ablandamiento del agua por el proceso cal sodada en caliente y eliminación del silce. De izquierda a derecha: (1) dosificador, (2) bomba y línea de recirculación, (3) reactor de lecho suspendido, (4) bomba de retrolavado de filtros, (5) filtros de presión de antacita, (6) bomba de calderas.

El equipo usado como se muestra en la figura, consiste de los siguientes cuatro elementos: (1) dosificador, (2) calentador primario, (3) tanque de asentamiento, (4) filtros. Además, se puede usar un desaereador como parte integral del tanque de asentamiento o como una unidad separada. · Dosificadores químicos: Dosificador cal sodada: Los dosificadores usados en el proceso cal sodada en caliente, son, invariablemente, del tipo de operación proporcional humados equipados con un agitador mecánico continuo. Cuando se emplea cal hidratada, es práctica usual mezclar la cal y la soda y alimentarlas con el mismo dosificador. Cuando se emplea cal viva (CaO), se usa un tanque separado equipado co agitador mecánico para apagar la cal, después de lo cual se añade la cantidad indicada de sado ash y se alimentan juntos al reactor. Este tanque apagador usualmente se encuentra montado sobre el tanque alimentador, de manera que este último puede llenarse por gravedad a partir del tanque superior. En ocasiones este tanque separado también se emplea cuando se usa cal hidratada. La cal hidratada y la soda ash reaccionan para formar sosa caustica y carbonato de calcio, los mismos resultados podrían obtenerse alimentando sosa caustica sola al agua. Esta es una idea engañosa, ya que las dos sustancias químicas se mezclan en proporciones muy variables para el tratamiento de aguas de diferente composición, de manera que no estarían en la proporción correcta para que toda la soda y toda la cal formaran sosa caustica. Ca(OH)2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaOH 74 partes 106 partes hidróxido carbonato calcio de sodio

100 partes 80 partes carbonato hidróxido de calcio de sodio

En el pasado, y únicamente raras veces, se usaron mezclas de soda ash y sosa caustica en lugar de soda ash y cal. Este procedimiento es más caro que usar cal y soda ash, y también aumenta el total de sólidos disueltos en el efluente. Por ejemplo, en la eliminación de calcio y magnesio como bicarbonatos, la sosa caustica reaccionaria como sigue: Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O bicarbonato hidróxido de calcio de sodio

carbonato carbonato agua de calcio de sodio

Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O bicarbonato hidróxido hidróxido de carbonato agua de magnesio de sodio magnesio de sodio

Así que se producen, por cada equivalente de bicarbonato de calcio, un equivalente de carbonato de sodio y por cada equivalente de bicarbonato de magnesio, dos equivalentes de carbonato de sodio; cuando se usa cal en lugar de sosa caustica, no se producen constituyentes solubles como se muestra en las reacciones: Ca(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → 2CaCO2 + 2H2O bicarbonato de calcio

hidróxido de calcio

carbonato de calcio

agua

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O bicarbonato de magnesio

hidróxido de calcio

hidróxido de magnesio

carbonato de calcio

agua

Se emplean varios diseños o tipos de dosificadores para alimentar cal y soda ash a os procesos en caliente. Todos ellos deben de proveerse con un agitador mecánico para mantener la cal en suspensión y el alimentador debe ser del tipo proporcional para que dosifique el reactivo en razón directa al flujo de agua, según la demanda de las calderas. Un diseño tipo es el alimentador electroquímico de la figura.

Alimentador químico de tipo electroquímico.

Este alimentador se conecta eléctricamente a un medidor de flujo en la línea de agua cruda, de manera que la dosificación es proporcional al flujo de agua cruda al tanque asentador del reactor. Puesto que las sustancias químicas deben alimentarse a la parte superior del reactor, se hace necesaria una bomba. Esta se conecta a tanque dosificador como se muestra en la figura del alimentador electroquímico, mediante una línea de recirculación que tiene como objeto prevenir la formación de depósitos en la tubería que va del tanque al reactor. Se conecta por medio de una T a cierta altura de esta tubería y se estrangula precisamente arriba del embudo de descarga mediante una válvula manual. Esta válvula se cierra de manera que la cantidad recirculada es insuficiente para interferir con el gasto máximo de sustancias químicas descargadas por el cabezal de salida del tanque dosificador. El tanque de reactivos también se provee, comúnmente, con un indicador de nivel que se conecta a una segunda polea en la unidad de control de alimentación. Otro accesorio, que es de valor en la prevención de molestias causadas por el polvo es el eliminador de polvo, que consiste de una tubería conectada a la tapa y drenaje. Esta tubería contiene un eductor, de manera que chupa el aire que contiene polvo, eliminando este ultimo con agua a través del drenaje. Muy raramente se usan dos tanques alimentadores separados, uno para cal y otro para soda. Con agua superficial de composición muy variable, hay ciertas ventajas con este arreglo, ya que para aguas que cambian en su composición, antes de usar una carga, las proporciones de soda ash y cal, así como las cantidades que se requieren, pueden cambiarse. Por ejemplo, si solamente la dureza ha tenido un marcado aumento o ha disminuido, únicamente se requiere un aumento o disminución en la dosificación de la misma mezcla de cal y soda. Sin embargo, si además de la dureza total también varían las proporciones de dureza de no carbonato de calcio y de magnesio, habría ventaja al usar tanques alimentadores separados. · Calentador primario, condensador de purga, y desaereador: El calentador primario, como se muestra en la figura, se monta en la parte superior del reactor.

Calentador primario de tipo roció.

El calentador de tipo de roció es ampliamente usado en estos procesos y prácticamente no presenta problemas de incrustación, aun con aguas duras que tienen altos contenidos de durezas de bicarbonato. Las válvulas de roció son de resortes calibrados, de manera que se obtienen buenas eficiencias en todo el rango de calibración. En el calentamiento, usualmente se emplea vapor de desperdicio y la presión más usual es de 4 a 10 lb/plg2g. El equipo usualmente se basa en una presión de trabajo de 10 lb/plg2g pero ocasionalmente se trabaja a 20. El vapor llena la parte superior del reactor arriba del nivel de agua, al se rociada el agua en este espacio se calienta, hasta de 2 a 3°C la temperatura del vapor. A esta temperatura, se desprende el bióxido de carbono libre y cualquier cantidad de aire que el agua contenga. Estos gases (nitrógeno, oxigeno y CO2) pueden purgarse directamente a la atmosfera a través de la tubería de ventilación, o, preferiblemente, se pasan primero a través del condensador húmedo que esta a la cabeza de la tubería de ventilación. Cuando el condensador de purga se usa en estos equipos, parte del agua de compensación pasa por él recuperando así calor que de otra manera se desperdiciaría. La tubería de purga se equipa con una válvula estranguladora que se calibre de tal manera que los gases se purgan a la atmosfera desperdiciando solo una pequeñísima cantidad de vapor.

Condensador de purga de contacto directo.

El calentador primario desaireara a menos de 0,3 ml/lt de oxigeno disuelto por litro. Si el agua fría estuviera saturada con aire disuelto a 50°F, esto representa, una remoción de mas del 96% del oxigeno disuelto. Para instalaciones con calderas de baja presión, que no estén equipadas con economizadores, este grado de desaeracion es por lo general suficiente. En la practica se encontrara que el contenido actual de oxigeno disuelto será entre 0,1 y 0,2 ml/lt. · Calentadores desaireadores: Para caderas de alta presión o para las equipadas con economizadores de tubos de acero, el contenido de oxigeno disuelto debe ser redujo bajo 0,005 ml/lt, usando calentadores desaireadores además del calentador primario.

Desaireador integral.

Este tipo de equipo, usualmente es una parte integral del equipo de ablandamiento, pero en algunos casos, es una pieza aparte del equipo. En cualquier caso, el principio de operación es el mismo: el volumen de vapor requerido para el calentador primario, primero se burbujea a través del agua blanda en el desaireador, después de lo cual pasa al calentador primario. El agua blanda caliente que entra al desaireador esta solo unos grados debajo de la temperatura del vapor, de manera que hay poca compensación de vapor en este departamento y puesto que el contenido de oxigeno disuelto es de solo 0,1 a 0,3 ml/lt al entrar al desaireador, la presión parcial

de esta traza de oxigeno en tan grande volumen de vapor es despreciable, por lo que su remoción es casi completa, siendo la cantidad residual el mínimo garantizado de 0,005 ml/lt. ·Tanques de asentamiento El diseño de los reactores para ablandamiento de cal sodada en caliente, varían de acuerdo con el grado de desaeracion requerida, de si se requiere o no desairear y calentar los condensados y de las proporciones relativas de condensado y agua de compensación que se deba manejar; y si se requiere o no eliminar la sílice. Por ejemplo, si la instalación cuenta con calderas de baja presión y no usa economizadores, el grado de desaeracion efectuado por los calentadores primarios es suficiente, no necesitándose desaireador integral. Por otra parte, si una planta utiliza calderas de alta presión con recuperadores, entonces el grado de desaeracion debe ser casi completo, y usualmente se requiere el empleo de desaireadores integrales construidos en el tanque de asentamiento o de reacción, también, cuando se manejan condensados, éstos requieren un compartimiento separado, de manera que todos los condesados se reúsan y solamente la cantidad de agua blanda necesaria para los usos de compensación se alimenta las calderas. Por otra parte, los condensados pueden requerir desaereacion completa o solamente parcial, como la que se logra con calentadores de esprea. El tanque de asentamiento de reacción en el que se efectúa el ablandamiento, es un tanque alto, vertical, construido de acero, con tapa abombada y fondo cónico invertido, montado en cuatro patas a suficiente elevación para proporcionar una presión hidrostática suficiente para la operación adecuada de los filtros. El tamaño del tanque se basa en una capacidad equivalente a aproximadamente un periodo de retención de una hora a flujo máximo, usualmente se provee de una capa de aislante externo para disminuir las perdidas de calor. Las capacidades se basan en el volumen total del efluente caliente y en la práctica americana usualmente se indican en galones por hora. Un galón de agua a 100°C pesa 8 lb. El agua en la parte superior del reactor se alienta rociándola a través de una cámara llena de vapor. Para prevenir la formación de vacio si accidentalmente llegara a faltar el vapor, se proveen con una válvula rompedora de vacío. Las sustancias químicas se añaden al calentador de agua en la parte superior del tanque, donde rápidamente reaccionan con los constituyentes de la dureza, formando floculos grandes y fácilmente acentables. En los últimos modelos de este tipo de quipo que usan el principio de lecho suspendido y que se muestra en la siguiente figura, el agua tratada fluye hacia abajo a través del tubo central que llega casi hasta el fondo del tanque. Aquí, invierte su trayectoria subiendo y filtrándose a través de un lecho suspendido formando por lodos cuya altura se controla cuidadosamente. Se obtiene un agua comparativamente clara. De la salida del efluente, si no se requiere otra desaeracion, el agua fluye directamente a los filtros. Si se requiere una desaeracion a menos de 0,005 ppm de oxigeno disuelto, entonces el agua fluye a través de un desaireador integral o una unidad separada antes de ir a los filtros. En los tipos antiguos de reactores, en lugar del tubo interior de bajada se empleaba una sección cónica o cilíndrica, que estaba centralmente dispuesta cuyo fondo llegaba a corta distancia de la sección recta del tanque. El agua trata fluye hacia abajo entre la pared del tanque y la de la sección cilíndrica. Cuando llega al fondo de la sección cilíndrica invierte su trayectoria subiendo hasta la salida, mientras que los lodos se asientan en el tanque asentador. Todos los tanques asentadores se proveen con entradas de agua y salidas de efluente válvulas de vapor, válvulas rompedoras de vacio reguladas, niveles de control y sellos para prevenir inundaciones; termómetros, ya sea del tipo indicador o registrador; y medios mecánicos manuales o automáticos para eliminar exceso de lodos.

Ablandador de agua de proceso en caliente, tipo lecho suspendido para eliminación de sílice y ablandamiento de agua.

·Filtros: Los filtros usados en este proceso son filtros de presión, que pueden ser de tipo vertical u horizontal. El medio filtrante mas usado en estos tipos de proceso, es antracita graduada y lavada; si se usa grava medios filtrantes que se han usado son la calcita y la magnetita. Estos filtros se instalan en baterías de dos o mas unidades, de tamaño tal que cuando una se esta retrolavando la otra puede absorber la carga total del sistema. Estos filtros generalmente se retrolavan cuando la diferencia de presión en el filtro es mayor de 3 lb/plg2 y se efectúa con agua asentada del tanque de asentamiento o reactor, mediante una bomba especial de retrolavado, como se muestra en la siguiente figura.

Filtro de antracita. Unidad mostrando la construcción interior.

El agua de retrolavado no se desperdicia, sino que regresa la parte superior del tanque de asentamiento o reactor a través de la línea correspondiente. Hay muchas ventajas en este método de operación, ya que si se usara agua fría se podrían formar depósitos en el filtro causando taponamientos y cementación. También, se despreciaría calor, especialmente si el retrolavado se hiciera con agua blanda que se tirara al drenaje. Este periodo de retrolavado no debe ser mayor de 6 a 8 min. Antiguamente, se instalaban sobre el sistema de distribución de retrolavado en el fondo de los filtros, entradas de vapor por las que se inyectaba este a través del medio filtrante, durante el retrolavado, para ayudar a la eliminación de acumulaciones. Esto ha sido reemplazado por los limpiadores de superficie. Los filtros como el reactor, se aíslan para evitar perdidas de calor. Además de este aislamiento, el sistema de recuperación de lavado y el hacho de que el medio filtrante nunca es grava y arena. La bomba de retrolavado y la bomba de servicio, usualmente se montan a nivel del piso para que operen con precisión hidrostática positiva. La altura requerida del agua en el tanque de asentamiento se determina de antemano a partir del numero de pies o tirante de agua que la bomba deba tener y que se especifica por la casa manufacturera, mas de 13 a 15 pies de cabeza para compensar las perdidas de presión a través del filtro y de la tubería. ·Dosis de reactivos: Cal y soda ash: estas son las dos sustancias principales que se usan en el proceso en caliente. La cal hidratada de buena calidad contiene aproximadamente 93% de Ca(OH)2. La cal viva de buena calidad aproximadamente 90% del CaO; debe apagarse antes de usarse. La soda ash de calidad promedio contendrá 99% de Na2CO3, al hacer los cálculos supóngase una pureza de 98%. En la práctica, las dosis de reactivos se calculan a partir de estos datos y los ajustes finales e hacen de acuerdo con las determinaciones de alcalinidad al anaranjado de metilo y la fenolftaleína. Las dosis aproximadas de reactivos se calculan como sigue: Donde

A = Alcalinidad como CaCO3 ppm. Mg = Dureza de magnesio como CaCO3 ppm. H = Dureza total CaCO3 ppm.

Cal hidratada ( 93% Ca(OH)2 ) lb/1000 gal de agua =

+ Mg

Si se usa cal viva ( 90% de CaO ) lb/1000 gal de agua =

+ Mg

Lb/1000 gal × 0,120 = kg/m3. H-

Soda ash ( 98% Na2CO3 ) lb/1000 gal de agua = + exceso requerido ( usualmente 0,25 lb ), ver la siguiente figura, para los efectos del exceso de soda ash en la eliminación de dureza.

Efluentes de cal sodada el caliente. Líneas punteadas muestran los resultados garantizados. La línea solida, los resultados prácticos.

Si el agua no se tratara después con fosfatos, como se describirá luego bajo el rubro de ―Tratamiento en Dos Pasos, Cal Sodada en Caliente y Fosfatos‖, los ajustes finales de la cantidad de reactivos se hacen de manera que la variación de alcalinidad al anaranjado de metilo en el efluente sea de 20 a 30 ppm expresados como CaCO3, y que la alcalinidad caustica varíe de 0 a – 10 ppm, expresados como CaCO3. Si la alcalinidad al anaranjado de metilo es menor de 20 ppm, la dosis de soda ash debe aumentarse; si es mayor de 30 ppm deberá disminuir. Si la llamada ―alcalinidad caustica negativa‖ es menor de – 10 ppm, la cantidad de cal deberá aumentarse, y si esta arriba de 0 deberá disminuirse. · Ablandadores para procesos en caliente; tipos y diseño: Básicamente, los ablandadores para procesos en caliente se dividen en dos tipos principales: (1) tipo de lecho suspendido, (2) tipo convencional. Ambos están disponibles en un variado numero de diseños, dependiendo del grado de desaeracion requerido, de si se deben manejar condensados y agua de compensación, de si se requiere o no tratamiento con fosfatos y si va incluida la eliminación de sílice. El tipo de lecho suspendido se diseño primeramente para la eliminación de sílice, ya que la filtración a través del lecho de lodos usa las propiedades de remoción de sílice de la magnesia de una manera más eficiente que el tipo convencional. También, igual que en el proceso cal sodada en frio, hay una mejor utilización de los reactivos y produce un efluente mas claro. Las varias formas o diseños de cada uno de estos tipos disponibles se pueden agrupar como sigue: (1) para 100% de compensación y reducción del oxigeno disuelto a menos de o,3 ml/lt; (2) 100% de compensación y desaeracion completa (menos de 0,005 ml/lt); (3) para compensación, condensados y reducción de oxigeno disuelto en cada uno de ellos a menos de 0,3 ml/lt; (4) para compensación y condensados que juntos constituyen menos del 70% del agua alimentada, con desaeracion completa de ambos; (5) similar a (4) excepto porque los condensados constituyen mas del 70% del agua de las calderas. Como las operaciones de ablandamiento son las mismas

para todos, únicamente se detalla para el primer grupo y los sistemas de lecho suspendido, de amplia difusión; se darán breves descripciones de los otros grupos. + Grupo (1): Este tipo de ablandador de agua por el proceso cal sodada en caliente, se usa ampliamente en el tratamiento de agua para alimentar calderas de baja presión sin economizadores de tubos de acero. Como se muestra en estas ilustraciones, el tanque de asentamiento cosiste de un cilindro alto, de acero, dispuesto verticalmente, con tapa abombada y fondo cónico. En la tapa abombada se conectan la línea de agua cruda, el condensador de puga, entrada de productos químicos, válvula rompedora de vacío, y la línea de retorno de agua de lavado de filtros. En los lados del tanque están la entrada de vapor, una válvula de flotador para controlar el nivel del agua (que se conecta con una válvula localizada en la tubería de agua cruda que entra al ablandador), una línea de derrame que forma un cespool, una línea a los filtros y la conexión al termómetro. En la parte inferior del tanque de asentamiento hay una válvula de descarga y tuberías de muestreo. El tanque de asentamiento contiene en su inferior una parte en forma de embudo, de manera que la parte superior de él, forma la parte inferior de un compartimiento en la parte superior del tanque y la cola del embudo es el derrame que casi llega al fondo del tanque. Con referencia a la figuras, el agua cruda primero pasa a través del medidor que tiene un contacto eléctrico para actuar el dosificador de sustancias químicas. Después del medidor y a través de la línea de agua cruda y de la válvula operada por el flotador, cuando el agua baja en el tanque, la válvula de flotador se abre gradualmente, y cuando el nivel de agua aumenta, la válvula se cierra, manteniendo el nivel dentro de estrechos limites. Después de esta válvula de flotador, el agua pasa a través del condensador. Siempre se dispone de un bypass para poder inspeccionar y limpiar el condensador. El condensador de purga recupera mucho del calor del vapor que de otra manera se perdería en la purga de los gases desprendidos a la atmosfera. En la operación, aun con el condensador de purga, se pierde una pequeñísima cantidad de vapor que se requiere para ventilar los gases al exterior (nitrógeno, CO2, oxigeno). La manera de regular esto es midiendo la temperatura del agua que pasa por el condensador antes y después de el y ajustar la válvula de purga de manera que la diferencia en temperatura sea de 10 a 6°F. El grado de desaeracion así logrado es suficiente para reducir el oxigeno disuelto a menos de 0,3 ml/lt. A la salida del condensador el agua cruda entra al rociador que la proyecta hacia abajo a través del espacio con vapor que llena la parte superior del tanque de asentamiento. Usualmente se emplea vapor de desperdicio para calentar y este al entrar a través de la cámara de vapor deberá ser suficiente en cantidad para calentar el agua hasta cerca de 3°F la temperatura del vapor y eliminar los gases a través de la válvula del condensador. Si no se cuenta con suficiente vapor de desperdicio, el déficit debe cubrirse con vapor vivo a través de válvulas reductoras de presión. Las dosis proporcionadas de reactivos químicos entran al tanque a través de la línea de sustancias químicas situada en la parte superior y caen al agua cruda desaereada y caliente. La mezcla rápida de los constituyentes del agua cruda con las sustancias químicas, provoca una reacción rápida precipitando los constituyentes de la dureza como carbonato de calcio e hidróxido de magnesio, ablandando el agua y precipitando tanto la cal añadida como la que esta presente en el agua cruda. El agua blanda, con estos precipitados, fluye por el derrame en forma de embudo hasta llegar cerca del fondo del tanque donde emerge del tubo del derrame y se filtra en su paso ascendente a través de los lodos suspendidos que han formado los precipitados anteriores. La altura de este lecho de lodos se mantiene dentro de ciertos limites, ya sea automática o manualmente, por medio de válvulas de purga. El agua después pasa al sistema colector y de allí a los filtros. Aunque se logra buen grado de asentamiento siempre es necesario filtrar el agua. Los filtros usados son del tipo de presión y la carga filtrante es de antracita, y las baterías están de tal manera diseñadas que mientras un filtro este lavándose los otros absorben el flujo total. Después de los filtros el agua blanda va al servicio. El retrolavado de los filtros se lleva a efecto mediante

una bomba que toma el agua asentada del ablandador y la descarga, después de pasar por los filtros, de nuevo al ablandador por la línea que para este uso tiene el equipo. El retrolavado usualmente dura de 6 a 8 min. Durante este periodo, hay un gasto mayor que el normal pero debido a que es un tiempo relativamente corto, la turbidez no es suficiente para causar problemas. Este método evita la perdida de agua blanda en el lavado de los filtros. +Grupo (2): Este diseño es similar al modelo 1, excepto que el comportamiento de almacenaje de agua desaereada y el desaereador se han añadido a la parte superior del tanque. El calentamiento y ablandamiento es lo mismo que el grupo (1): el agua blanda del vertedero entra al desaireador donde burbujea todo el vapor requerido para calentador primario, reduciendo el contenido de oxigeno a menos de 0,005 ml/lt. Del desaereador el agua fluye al departamento de almacenamiento de agua desaireada, luego a los filtros y de allí al servicio. +Grupos (3), (4) y (5): Cuando, además se deben manejar en el ablandador los condensados, primero se usan lo9s condensados y después como compensación, solamente la cantidad requerida para llenar las deficiencias en volumen de los compensados. Esto usualmente se lleva a efecto mediante una perdida de presión en el compensado, de manera que los condensados están disponibles a mayor carga que el agua de compensación. Tal perdida de presión puede obtenerse haciendo que los compensados pasen en bypass por los filtros, mientras que el agua de condensado fluya a través de ellos. Otra razón para filtrar el agua de compensación antes de mezclarla con los condensados, es que el agua de compensación sin filtrar contendría carbonato de calcio e hidróxido de magnesio suspendidos. A pesar de su solubilidad, estas sustancias se disolverían, en parte, en los condensados, aumentando la dureza de la mezcla. +Grupo (3): En este diseño, los retorno9s se calientan en un calentador de rocío separado, que reduce el contenido de oxigeno a menos de 0,3 ml/lt, el agua se colecta en un compartimiento separado. El calentamiento y ablandamiento del agua de compensación es igual que en el grupo (1). Puesto que los condensados fluyen directamente a la bomba alimentadora de calderas, y el agua de compensación pasa por los filtros y luego a la bomba, el agua de compensación solo se toma para suplir las deficiencias de los condensados. + Grupo (4): En este diseño se usan dos calentadores de rocío y dos desaireadores. Un calentador y un desaireador se usan para el agua de compensación, los otros dos se usan para el condensado. Este modelo se usa cuando se requiere desaeracion completa de ambos componentes, y el condensado representa sustancialmente menos del 70% del agua de calderas. El departamento que almacena el agua de condensado desaereada se separa del agua de compensación desaerada por medio de una placa vertical. El agua de compensación desaireada deberá pasar a través de los filtros, siendo el efecto neto que los condensados desaereados llegan a la succión de la bomba a mayor presión que el agua de compensación, asegurando que se usan primero los condensados y luego el agua de compensación. + Grupo (5):

Este es otro diseño usado para la desaeracion completa de los condensados y agua de compensación, pero aquí lo condensados representan mas del 70% de los requerimientos de las calderas. Se usan dos calentadores de rocío, uno para los condensados y otro para el agua de compensación, los dos flujos se mezclan y desairean en un desaireador integral. Esto se efectúa permitiendo que el condensado fluya directamente el desaereador después de pasar por su respectivo calentador, el agua de compensación, después de pasar por el calentador, cae en el tanque de asentamiento, donde se ablanda, después de subir por el cilindro de toma va a los filtros y luego al deseireador, según se necesite. Puesto que hay una perdida de carga a través de los filtros, consecuentemente se usan primero los condensados y el agua de compensación suple las deficiencias de las demandas de las calderas. · Eliminación de la sílice por el proceso cal sodada – magnesio en caliente: En este tipo de proceso, el equipo que más se usa es el ablandador de lechos suspendió. En el tipo convencional de ablandador de cal sodada en caliente, los lodos que se forman por precipitación se separan rápidamente del agua y se colectan en el fondo del ablandador del cual se purgan periódica o continuamente al drenaje. Cuando al tipo convencional se alimenta cal dolomítica y magnesia, el contenido de esta ultima, que es prácticamente insoluble, se asienta rápidamente con los lodos no lográndose un prolongado e intimo contacto que es necesario para la eliminación de la sílice. Por lo que, con tipo de ablandador convencional, es necesario contar con un sistema de recirculación de lodos para la eliminación eficiente de la sílice. El agua cruda se calienta rociándola a través de una atmosfera de vapor en la parte superior del ablandador. Las sustancias químicas, mas las dosis de cal dolomítica o magnesia, que se requieren, se introducen por la tubería de sustancias químicas y caen en la superficie del agua dentro del ablandador, donde una alta turbulencia asegura una mezcla rápida. La parte inferior de esta cámara tiene la forma de un embudo de cola larga cuya salida se extiende hasta casi llegaría al fondo del ablandador. A las temperaturas alcanzadas (usualmente sobre 100°C, dependiendo del vapor que se use), las reacciones del ablandamiento son muy rápidas, prácticamente instantáneas, y el agua tratada mas los precipitados y la magnesia añadida, fluyen hacia abajo a través del tubo de descarga. En el fondo del ablandador el flujo se invierte y el agua se filtra a través de un lecho de lodos que se ha formado previamente. Este lecho se mantiene a la altura deseada durante purgas periódicas de los lodos. Se han encontrado en la práctica, que una altura mayor de 6 u 8 pies no tiene efecto en el tratamiento. Todos los equipos cuentan con líneas de purga y de muestreo. Esas muestras indican la altura y consistencia del lecho suspendido y sirven como guía para mantenerlo dentro del límite. A medida que el agua suba a través del colchón de sólidos, se pone en contacto intimo con el hidróxido de magnesio de los lodos, resultando una eficiente eliminación de sílice. Además, el colchón de lodos ejerce una acción filtrante sobre el agua, de manera que se obtiene muy baja turbidez, usualmente de 1 a 2 ppm, raras veces pasa de 10 ppm. Igual que en el equipo de tratamiento en frio, la línea de demarcación entre el agua clara y el colchón de lodos, es muy clara. De la parte superior o anillo colector del reactor, el agua fluye a los filtros. La remoción de la sílice por magnesia se ha descrito como un fenómeno de adsorción, pero es más probable que este involucrado un fenómeno químico con la producción de silicato de magnesio. En todo caso, se conoce que la sílice puede eliminarse por magnesio; que el hidróxido de magnesio es mas activo que el oxido; que el oxido de magnesio se hidrata muy lentamente en agua fría, pero que a temperaturas cercanas al punto de ebullición este fenómeno se incrementa notablemente; que la eliminación de sílice por el proceso en caliente es mas rápida que en el proceso en frio; y que se requiere, finalmente, un intimo y prolongado contacto entre el agua y el exceso de magnesia requerido. Puesto que la dureza de magnesio se precipita como hidróxido de magnesio en el proceso cal sodada en caliente, reducirá el contenido de sílice. Con aguas que contengan alta dureza de magnesio y cantidades moderadas de sílice, la reducción de esta última a límites tolerables puede

alcanzarse sin añadir magnesio. Sin embargo, si los cálculos muestran que se requiere exceso de magnesio, se puede añadir cal dolomítica o magnesia activada. En el caso de la cal dolomítica deben hacerse correcciones por el oxido de calcio. Con las aguas altas en dureza con un contenido moderado de sílice, las sustancias químicas requeridas pueden consistir de cal dolomítica + soda ash + cal. Con aguas de baja dureza y alto sílice, el tratamiento es: cal dolomítica + magnesia activada + soda ash. Si se usa magnesia activada sola, sin cal dolomítica, en cualquier caso donde la dureza de magnesio sea insuficiente para reducir el sílice, el tratamiento puede ser: cal hidratada + magnesia activada + soda ash. La cal dolomítica puede ser, ya sea cal dolomítica hidratada Ca(OH)2 + MgO, cuyo análisis típico es: 62% Ca(OH)2 y 32% MgO, o puede referirse a cal dolomítica sin apagar ( CaO + MgO ), cuyo análisis típico puede ser: 58 - 40%. En el último caso, debe apagarse antes de alimentarse. La magnesia activada que se vende bajo nombres registrados, consiste principalmente MgO y usualmente esta en forma de polvo. Usando las curvas de la siguiente figura, se pueden estimar las cantidades de magnesio requeridas expresadas como CaCO3 ppm, para reducir los contenidos de sílice a las tolerancias requeridas. De esta figura, debe sustraerse la dureza de magnesio del agua ( las cantidades inferiores son las correspondientes en MgO ). Estos valores obtenidos de las curvas, cuando se usan en cálculos de ablandamiento, por el proceso en caliente, tienen un factor de seguridad. Por lo tanto en la practica la cantidad de magnesia requerida puede ser un poco menor. Por ejemplo, con agua que tenga un alto contenido de sílice, 55 ppm, y 40 ppm de dureza de magnesio, la cantidad calculada de magnesia adicional de 145 ppm. En la práctica, sin embargo, se encuentra que la cantidad requerida es de 124 ppm, como CaCO3.

Eliminación de sílice por magnesia en el procedimiento cal sodada en caliente, con ablandadores de lecho suspendido.

· Proceso en dos pasos, cal sodada en caliente y fosfatos: En este tipo de proceso, el segundo paso se puede llevar a efecto dentro del ablandador o en un tanque de asentamiento separado, como se ilustra en la siguiente figura, en la que los principios de operación de lecho suspendido se usan en ambos tanques. La cal y la soda se adicionan al agua cruda caliente en el primer tanque de asentamiento, y e agua tratada se filtra en su movimiento ascendente en este primer tanque. Segundo, esta agua tratada y filtrada se alimenta al tanque de fosfatos. La solución de fosfato se alimenta al mismo punto en que entra el agua blanda, donde se mezcla y reacciona con la dureza residual para formar precipitados de fosfatos de calcio y magnesio. El agua tratada con fosfatos se filtra en flujo ascendente a través del colchón de lodos formado por precipitados colectados anteriormente. El agua sube al colector localizado en la parte superior del tanque. Se ha encontrado que la filtración del agua a través del colchón reduce la carga de los filtros, aumentando el ciclo de operación de los mismos. La purga de los lodos se hace manual o automáticamente. En el retrolavado de los filtros se usa agua tratada con fosfatos, la que es tomada por una bomba y regresada al tanque para reusarse. · Dosificadores de fosfatos: Todas las formas de fosfatos de sodio – mono, di, tri y poli – son muy solubles, por lo que se dosifican en forma de solución, los dosificadores no deben equiparse con agitadores mecánicos. Cuando los fosfatos se alimentan en los procesos de tratamiento anteriormente descritos, se pueden emplear dosificadores del tipo electroquímico o bombas reciprocantes de pistón. Cuando no se usa el proceso en dos pasos cal sodada en caliente y fosfatos, sino que solamente se hace uso del primer paso y los fosfatos se alimentan a las calderas, la alimentación d los fosfatos al agua de calderas directamente, tiene el riesgo de formar espuma, depósitos en las líneas; se han hecho intentos para solucionar lo anterior alimentando los fosfatos en pequeños periodos. Si los fosfatos se añaden directamente a los domos de las calderas se evitan estos problemas, los dosificadores para este caso son bombas de pistón, ya que sirven tanto para dosificar como para alimentar los fosfatos a las calderas. · Proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico ciclo sódico: Los antiguos tipos de zeolitas silícicas no podían usarse conjuntamente con los procesos de cal sodada en caliente, pero con el advenimiento de las resinas de alta capacidad de intercambio, se origino el tratamiento cal sodada en caliente e intercambio cationico. Debido a un gran numero de ventajas entre la cuales podemos citar la reducción de sólidos totales, reducción de alcalinidad y menores costos de operación, el proceso en dos pasos cal sodada en caliente e intercambio cationico es ampliamente usado en el ablandamiento de aguas para calderas, que anteriormente debía ablandarse con el proceso cal sodada en caliente y fosfatos.

Unidad para ablandamiento de agua para calderas y remoción de sílice por el proceso cal sodada en caliente y fosfatos. Capacidad: 100.000 gph ( 378.500 lph )

Respecto a costos de operación (1) es mas barato eliminar dureza de no carbonatos por intercambio cationico que por el uso de soda ash en el proceso cal sodada en caliente, (2) es mas barato eliminar dureza residual de carbonatos por intercambio cationico que usando fosfatos. Respecto a la calidad de los efluentes, los dos procesos dan agua de dureza cero, prácticamente. La siguiente figura es un esquema de una planta típica de ablandamiento de agua de cal sodada en caliente e intercambio catiónico, que la constituyen un reactor de lecho suspendido, filtros de antracita, dos intercambiadores catiónico y un desaereador separado.

Diagrama de flujo de una planta de ablandamiento de agua y remoción de sílice por el proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico.

La siguiente figura es una fotografía de una planta de cal sodada en caliente e intercambio cationico, consiste en un reactor de lecho suspendido, cuatro filtros de antracita, tres intercambiadores catiónico y un desaereador externo.

En el primer paso del proceso cal sodada e intercambio cationico, el agua se caliente y se trata con cal hidratada ( con o sin cal dolomítica u otra fuente de magnesia si se requiere ); esto reduce la dureza de carbonato a menos de 25 ppm y reduce la sílice pero no reduce la dureza de no carbonatos. El calentador primario ha eliminado el CO2, y si hay aire disuelto, ha reducido el oxigeno a 0,3 ml/lt. Una mayor desaeracion, a 0,005 ml/lt se puede llevar a efecto en (1) un desaereador integral en el reactor, (2) un desaereador separado después del intercambio cationico. Cuando se emplea un desaireador separado, puede operarse como una unidad enteramente separada, en conjunción con el calentador primario del proceso en caliente del tanque asentador, en cuyo caso todo el vapor requerido para el primer calentador primero se burbujea a través del agua blanda del intercambiador cationico y luego se pasa a través de calentador primario. En la figura anterior, el desaireador se opera como una unidad independiente, en la siguiente figura el desaireador se opera como una unidad conjunta.

Planta de ablandamiento de agua y de eliminación de sílice, por el proceso en dos pasos, cal en caliente e intercambio cationico, de agua para caderas. A la derecha: la unidad de ablandamiento y remoción del sílice, con desaereador de condensados montado en la parte superior. Derecha al frente: tanque almacenador de agua de retrolavado. Derecha al centro: cuatro filtros de antracita. Izquierda, centro: tres intercambiadores catiónicos. Izquierda al fondo: desaerador calentador. Capacidad: 56. 300 gph ( 212.000 lph).

El efluente clarificado del primer paso de este proceso de ablandamiento, se filtra luego por filtros de antracita, que eliminan todas las trazas de turbidez. Cuando la caída de presión en los filtros indica que se deben retrolavar, esta operación se lleva a efecto recuperando el agua de lavado, mandándola al tanque de asentamiento. El efluente de los filtros pasa luego por las unidades de intercambio cationico que remueven dureza de no carbonatos y dureza residual de carbonatos, dando un efluente de dureza prácticamente cero ( 1 a 2 ppm ). Las unidades catiónicas se operan en forma escalonada, de manera que solo una unidad por vez requiere regeneración. Durante el retrolavado, el agua de esta operación se vuelve al tanque de asentamiento. Después de que la unidad intercambiadora se trata con sal muera, empleando de esta un volumen determinado, se enjuaga y se vuelve al servicio. La salmuera usada y el agua de enjuague se tiran al drenaje debido a que no son aptos para volver a usarse.

Reacciones químicas de los procesos de ablandamiento en caliente (1) Alcalinidad de calcio con cal hidratada Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (2) Alcalinidad del magnesio con cal hidratada Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O (3) Dureza de no carbonatos con soda ash CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 + 2NaCl (4) Dureza de magnesio no cabonato con soda ash y cal hidratada MgSO4 + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3 + Na2SO4 MgCl2 + Na2CO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3 + 2NaCl (5) Carbonato de sodo y fosfatos mono, di y metasódicos Na2CO3 + NaH2PO4 → Na3PO4 + H2O + CO2 Na2CO3 + 2Na2HPO4 → 2Na3PO4 + H2O + CO2 Na2CO3 + NaPO3 → Na3PO4 + CO2 (6) Carbonatos y ácido fosfórico 3CaCO3 + 2H3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 3MgCO3 + 2H3PO4 → Mg3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 3Na2CO3 + 2H3PO4 → 2Na3PO4 + 3H2O + 3CO2 (7) Carbonatos y fosfatos trisódicos 3CaCO3 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2 + 3Na2CO3 3MgCO3 + 2Na2PO4 → Mg3(PO4)2 + 3Na2CO3 (8) Dureza residual de carbonatos e intercambiador catiónico sódico Ca o Mg

CO3 Ca CO3 o + 2NaR → o R2 + Na2 o (OH)2 Mg (OH)2

(9) Dureza de no carbonatos e intercambiador catiónico sódico Ca o Mg

SO4 o + 2NaR → Cl2

Ca SO4 o R2 + Na2 o Mg Cl2

(10) Regeneración del intercambiador catiónico con cloruro de sodio Ca Ca o R2 + 2NaCl → 2NaR + o Mg Mg

Cl2

ÓSMOSIS INVERSA



Ósmosis

La ósmosis es un fenómeno que consistente en el paso del solvente de una disolución desde una zona de baja concentración de soluto a una de alta concentración separadas por una membrana semipermeable. Una membrana semipermeable es cualquier membrana animal, vegetal o sintética en que el agua puede penetrar y traspasar con mucha facilidad más que los otros componentes que se encuentran en solución en ella.

Explicación: Una membrana semipermeable contiene muchos poros, al igual que cualquier otra membrana. El tamaño de los mismos es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar que son muy grandes. Si una membrana como la descrita separa dos líquidos, uno agua pura y otra agua con azúcar, van a suceder varias cosas: Debido a la temperatura, las moléculas se mueven de un lado para otro. Las moléculas de agua pasan por los poros en ambas direcciones: de la zona de agua pura a la de agua con azúcar y viceversa. Las moléculas de azúcar también se mueven, pero al no poder atravesar la membrana, rebotarán en ella, aunque algunas, momentáneamente obstruyan los poros. Un detalle importante: se obstruyen los poros del lado del azúcar (alta concentración), por lo que taponan el paso del agua. En la zona de agua, baja concentración, todas las moléculas que llegan a los poros son de agua y la atraviesan. En la zona de alta concentración llegan a los poros moléculas de agua y moléculas de azúcar; por tanto, habrá menos moléculas de agua capaces de atravesar la membrana hacia la zona del agua pura. El resultado final es que aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay más moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo, dando el suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración. Lo explicado para agua y azúcar puede aplicarse a cualquier tipo de moléculas con tamaños diferentes.

 Ósmosis inversa

Lo descrito hasta ahora es lo que ocurre en situaciones normales, en las que los dos lados de la membrana están a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración. Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración. Proceso que utiliza una membrana semipermeable, que trabaja a 0.0000001 micras (una diez millonésima del grosor de un cabello), para separar y para quitar los sólidos disueltos, los orgánicos, los pirogénicos, la materia coloidal submicro organismos, virus, y bacterias del agua. Como trabaja a nivel molecular y el agua es de los elementos con menor peso molecular, elimina la mayoría de los contaminantes orgánicos, biológicos, inorgánicos y radiactivos. La ósmosis inversa es capaz de quitar 95%-99% de los sólidos disueltos totales (TDS), 95 al 99% de la mayoría de los elementos orgánicos, y el 100% de las materias coloidales más finas (bacterias, virus, sílice...). Así proporcionando un agua segura, pura. El resultado obtenido es un agua con muy pocas sales disueltas, apta para industria, o como base de tratamientos posteriores más sofisticados.

Mediante este procedimiento es posible obtener agua potable partiendo de una fuente de agua salubre (menos de 15.000 microsiemens/ cm de conductividad eléctrica) o de agua de mar, que en condiciones normales puede tener entre 20.000 y 55.000 microsiemens/cm de conductividad. La medida de la conductividad del agua da una indicación de la cantidad de sales disueltas que contiene, dado que el agua pura no es conductora de la electricidad.

Para fabricar una planta de ósmosis inversa, lo primero y fundamental que debemos conocer es la calidad del agua bruta (aporte) que vamos a tratar para poder diseñar un adecuado pretratamiento, la planta de ósmosis inversa y el post-tratamiento. Un análisis físico-químico (y microbiológico si procede) del agua de partida y los requerimientos de calidad de cada cliente son el punto de partida del trabajo de nuestro departamento de ingeniería. Este proceso es el mayor crecimiento en el mercado, se utiliza incluso para purificar agua de mar, el hacer el proceso tiene ventaja de que el agua queda pura casi en un 100%, queda como agua ligera, libre de sodio, etc.

 Membranas La tecnología de membrana se ha convertido en una parte importante de la tecnología de la separación en los últimos decenios. La fuerza principal de la tecnología de membrana es el hecho de que trabaja sin la adición de productos químicos, con un uso relativamente bajo de la energía y conducciones de proceso fáciles y bien dispuestas. La tecnología de la membrana es un término genérico para una serie de procesos de separación diferentes y muy característicos. Estos procesos son del mismo tipo porque en todos ellos se utiliza una membrana. Las membranas se utilizan cada vez más a menudo para la creación de agua tratada procedente de aguas subterráneas, superficiales o residuales. Actualmente las membranas son competitivas para las técnicas convencionales. El proceso de la separación por membrana se basa en la utilización de membranas semipermeables.

El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay varios métodos para permitir que las sustancias atraviesen una membrana. Ejemplos de estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial eléctrico. La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana, mientras que otras quedan atrapadas en ella. La filtración de membrana se puede utilizar como una alternativa a la floculación, las técnicas de purificación de sedimentos, la adsorción (filtros de arena y filtros de carbón activado, intercambiadores iónicos), extracción y destilación. Hay dos factores que determinan la efectividad de un proceso de filtración de membrana: selectividad y productividad. La selectividad se expresa mediante un parámetro llamado factor de retención o de separación (expresado en l/m2 h). La productividad se expresa mediante un parámetro llamado flujo (expresado en l/m2 h). La selectividad y la productividad dependen de la membrana.

ALIMENTACIÓN DE AGUA

SELECTIVIDAD

MEMBRANA PENETRACIÓN

PRODUCTIVIDAD

La filtración de membrana se puede dividir en micro y ultra filtración por una parte y en nanofiltración y ósmosis inversa (OI) por la otra. Cuando la filtración de membrana se utiliza para retirar partículas más grandes, se aplican la microfiltración y la ultrafiltración. Debido al carácter abierto de las membranas su productividad es alta mientras que las diferencias de presión son bajas. Cuando se necesita desalinizar el agua, se aplican la nanofiltración y la ósmosis inversa. La nanofiltración y las membranas de OI no actúan según el principio de porosidad; la separación ocurre por difusión a través de la membrana. La presión requerida para realizar la nanofiltración y la ósmosis inversa es mucho más alta que la requerida para la micro y ultra filtración, mientras que la productividad es mucho más baja. · Es un proceso que puede ocurrir a baja temperatura. Esto es principalmente importante porque permite el tratamiento de los materiales sensible al calor. Es por esto que se aplican ampliamente para la producción de alimento. · Es un proceso de bajo costo energético. La mayor parte de la energía requerida es la necesaria para bombear los líquidos a través de la membrana. La cantidad total de energía utilizada es mínima comparada con las técnicas alternativas, tales como evaporación. · El proceso puede ser fácilmente ampliado. · Características -Permeabilidad: la permeabilidad de las membranas debe evaluarse en condicione estándar ya que el flujo de membrana depende de numerosos factores. El medio más simple consiste en ensayar la membrana con agua desmineralizada, a presión diferencial y con temperaturas establecidas. Los ensayos de permeabilidad de membrana no están normalizados y por ello es difícil la comparación entre membranas de diversos fabricantes: unos no detallan la temperatura de trabajo, otros dan la presión media. Unos dan los rendimientos de las membranas nuevas, otros de las que ya han sido utilizadas durante algunas horas: debe saberse que durante las primeras horas de uso el flujo de ciertos tipos de membranas puede disminuir más del 50% antes de estabilizarse en un valor casi constante. En cualquier caso es conveniente no exagerar la importancia de los rendimientos enunciados por los fabricantes debido a dos razones: . La resistencia hidráulica relacionada con el efecto de polarización y con eventuales depósitos de gel es netamente superior a la resistencia propia de la membrana; . El flujo de permeado depende de muchos factores ajenos a la membrana: geometría interna del modulo, velocidad de paso y naturaleza del producto, condiciones de trabajo, etc. - Selectividad: la selectividad de la separación llevada a cabo por la membrana será mejor cuanto más estrecha sea la zona de ruptura. Podemos decir que la selectividad es la característica esencial de la membrana.

-Resistencia: . Química: además de la operación de separación, la membrana debe soportar las operaciones de limpieza y esterilización. Esencialmente, la membrana debe ser, en lo posible, neutra respecto a los solventes habituales y tolerar una amplia zona de pH. . Térmica: la zona de temperatura de trabajo generalmente viene limitada por la resistencia térmica de las membranas que se degradan por calor. Dicho límite hace imposible la esterilización térmica del modulo y limita las condiciones de limpieza si la membranas empleadas no son minerales. . Mecánica: puede limitar la zona de presión de trabajo, sobre todo en la OI. · Factores limitantes del rendimiento de las membranas Cuando se estudian los rendimientos de las membranas, es preciso tener claras dos ideas que no deben confundirse, incluso estando relacionadas entre si: . Velocidad del proceso directamente relacionado con el flujo de perneado a través de la membrana. . Nivel final alcanzado al final del proceso: nivel de concentración y en algunas aplicaciones de la OI, grado final de purificación alcanzado. Evidentemente, ciertos fenómenos impiden que el flujo de permeado aumente indefinidamente cuando la diferencia de presiones transmembrana aumenta, y limitan la tasa de concentración o el grado de purificación obtenido. - Efecto de polarización: durante las operaciones de OI siempre se observa una acumulación masiva de moléculas retenidas cerca de la membrana, provocando de este modo una concentración de soluto (Cm) netamente superior a la concentración media (C) de producto. Se trata de moléculas arrastradas hacia la superficie de la membrana por el flujo de perneado y atrapadas por la capa límite establecida junto a la membrana: dichas moléculas que están atrapadas en un régimen de desplazamiento laminar solo pueden abandonar la capa límite por difusión y por lo tanto muy lentamente. Este fenómeno, denominado efecto de polarización, no tiene más que consecuencias desfavorables encadenadas del siguiente modo: el acumulo de soluto cerca de la membrana provoca sobreconcetraciones que se traduce en aumento de la viscosidad y por lo tanto en disminución del flujo de membrana en UF. Dicha sobreconcentración también conlleva un fuerte aumento de la presión osmótica y por lo tanto en disminución del flujo de membrana en OI. Por último, la concentración en soluto puede llegar a ser tan elevada como para producirse precipitación de sales que pueden colmatar la membrana, y formaciones de gel dando lugar a un film susceptible de duplicar la membrana. La concentración en extracto seco que se alcanza durante la operación evidentemente amplifica el efecto de polarización hasta llegar a un estado en que el descenso del flujo de membrana es económicamente intolerable y hay que detener la operación. En la práctica, no es razonable sobrepasar una concentración del 20 al 30% en extracto seco del retanto final. Puesto que la tasa de concentración posible es limitada, el grado de purificación de una macromolécula que puede alcanzarse en uf tan bien lo es. - Deposición de una capa gelificada: a partir de cierta concentración critica (del orden del 10 al 30% para las proteínas), ciertos tipos de macromoléculas forman un gel dando lugar a un film cuya resistencia hidráulica puede ser netamente superior a la de la membrana. Según la mayoría de autores el mecanismo de formación del gel depende poco de la membrana sino que está relacionado principalmente con las propiedades de las macromoléculas y las condiciones de

transporte del producto. Según otros autores, la colmatación estaría directamente relacionada con la adhesión de las moléculas a la superficie de la membrana. - Presión diferencial transmembrana y caudal de alimentación del modulo: si queremos mantener una razonable energía de bombeo, es preferible trabajar a presión moderada y con un caudal de alimentación elevado si es importante el efecto de polarización. Por el contrario, si dicho efecto es moderado, será preferible trabajar a presión algo más elevada y con un caudal de alimentación más débil. - Concentración del producto en extracto seco: el caudal de perneado disminuye cuando la concentración en extracto seco del producto aumenta. En el ámbito de la uf, el descenso del caudal de permeado es imputable al aumento de la viscosidad, de lo que se deriva una mayor resistencia al transporte de permeado. A dicho efecto, en el caso de la OI hay que añadir el aumento de la presión osmótica relacionado con el de la concentración. Cuando se trabaja por etapas, como la concentración en retanto aumenta gradualmente, el flujo de permeado disminuye a lo largo del tiempo. - Temperatura: en las zonas en que las variaciones de temperatura no modifican sensiblemente el equilibrio físico-químico del producto, el aumento de temperaturas tiene un efecto netamente favorable sobre el flujo de perneado. La razón principal es la fuerte bajada de viscosidad. Además, el aumento de temperatura también provoca un aumento de la difusividad molecular, y por lo tanto un descenso en el efecto de polarización que no entorpece nada. El límite de temperatura elegido depende principalmente del tipo de producto a tratar ya que dicho límite no depende de la resistencia térmica de las membranas. Por lo tanto, el límite es de tipo tecnológico (precipitación de sales o de proteínas que colmaten la membrana), o bien de tipo organoléptico (desnaturalización de proteínas, aparición de falsos gustos, coloraciones indeseadas, insuficiente retención de aromas, etc.) Por último, cabe comentar que ya que cuando se trabaja por etapas los tiempos de permanencia del producto pueden ser muy elevados, deberán tenerse en cuenta las especificaciones microbiológicas cuando se trate de recuperar el retanto. Puesto que la UF o la OI concentran los microorganismos al igual que otras moléculas retenidas por la membrana, debe intentar evitarse el crecimiento microbiano durante el proceso. Por esta razón deberán escogerse temperaturas alejadas de las zonas favorables al crecimiento bacteriano. · Selectividad de las membranas Según su porosidad, una membrana se caracteriza por su punto de ruptura, es decir la mínima masa molecular de las moléculas totalmente retenidas. Por ello se dice que una membrana que retiene las moléculas cuya masa sobrepasa 20.000, tiene un punto de ruptura de 20.000. La noción de punto de ruptura es relativa y aproximada. En primer lugar, la selectividad de las membranas respecto a las moléculas no depende únicamente de su masa sino del tipo de molécula. Por otra parte, debido a la irregularidad de las mallas de las membranas las moléculas cuya masa es del orden del punto de ruptura no quedan retenidas al 0% o al 100%, sino parcialmente. Por esta razón en ocasiones se prefiere hablar de ―zona de ruptura‖ indicando que la membrana retiene parcialmente las moléculas cuya masa molecular este comprendida entre uno y otro valor. Para las moléculas cuya masa pertenece a la zona de ruptura, se define la tasa de retención, también denominada tasa de rechazo, según la relación: R= CA - CP CA

CA: concentración de la molécula en el líquido de alimentación CP: concentración de la molécula en el permeado. Forzosamente, la tasa de retención está comprendida entre 0 y 1, ya que los casos límite son los siguientes: . Ausencia de retención: CP = CA, . Retención: Cp = 0. Moléculas con masa similar pueden tener tasas de retención netamente distintas. Por ejemplo el etanol atraviesa las membranas de OI con mucha mayor facilidad que los aromas. Incluso dos moléculas tan parecidas como la glucosa y la fructosa pueden tener comportamientos distintos, siendo algo más retenida la fructosa que la glucosa en una membrana de acetato de celulosa. En OI, ya que la presión transmembrana tiene mayor influencia sobre el flujo de solvente que sobre el flujo de soluto, su aumento conlleva la dilución del permeado, y por lo tanto el aumento de la tasa de retención. En efecto, con ciertas membranas llegamos a observar disminución de la tasa de retención al aumentar la presión, que puede ser explicado por el hecho que las moléculas, al tener una mayor energía cinética, cruzan en mayor proporción las mallas de la membrana. No debe confundirse la tasa de retención con la tasa de recuperación calculada mediante un balance de materia que no es más que un rendimiento de masa. Evidentemente, tasa de recuperación y tasa de retención varían en el mismo sentido y por ello a igualdad de tasas de concentración, es mejor trabajar a presiones elevadas con el fin de perder menos extracto seco o menos aromas. En cuanto al efecto de un aumento de temperatura en OI o en UF, se reconoce unánimemente y sin ambigüedades que es un factor de fugas de materia seca a través de la membrana, hecho nada sorprendente si se tiene en cuenta que los coeficientes de difusión molecular aumentan al hacerlo la temperatura. · Mantenimiento de los Sistemas de Filtración de Membrana Los sistemas de filtración de membrana pueden ser manejados tanto en flujo frontal como en flujo tangencial. El propósito de la optimización de las técnicas de membrana es el logro de una producción lo más alta posible por un largo período de tiempo, con niveles aceptables de contaminación. -Filtración frontal Cuando se realiza una filtración frontal, toda el agua que entra en la superficie de la membrana es presionada a través de la membrana. Algunos sólidos y componentes permanecerán en la membrana mientras que el agua fluye a su través. Esto depende en el tamaño de poro de la membrana. En consecuencia, el agua experimentará una mayor resistencia a pasar a través de la membrana. Cuando la presión del agua entrante es continua, esto resultará en un decrecimiento del flujo. Después de un tiempo el flujo habrá decrecido tanto que la membrana necesitará ser limpiada. La filtración frontal se aplica porque la pérdida energética es menor que cuando se aplica la filtración tangencial. Esto es porque toda la energía entra en el agua que realmente ha pasado la membrana. La presión necesaria para presionar el agua a través de la membrana es llamada Presión Transmembranal (PTM). La PTM se define como el gradiente de presión de la membrana, o la presión media de entrada menos la presión de permeado. La presión de entrada se mide a menudo en el punto inicial de un módulo de membrana. Sin embargo, esta presión no iguala la presión media de entrada, porque el flujo a través de una membrana causaría pérdidas de presión hidráulica.

Durante la limpieza de una membrana los componentes son retirados hidráulica, química o físicamente. Cuando se realiza el proceso de limpieza, un módulo queda temporalmente sin funcionar. Como resultado, la gestión con filtración frontal es un proceso discontinuo. La cantidad de tiempo durante la cual un módulo realiza filtración se llama tiempo de filtración y la cantidad de tiempo durante la cual un módulo es limpiado se llama tiempo de limpieza. En la práctica siempre se intenta hacer que el tiempo de filtración sea lo más largo posible, y aplicar el menor tiempo de limpieza posible. Cuando una membrana es limpiada con el permeado, no tiene una producción continua de agua. Esto resulta en una producción menor. El factor que indica la cantidad de producción se llama recuperación. -Filtración tangencial Cuando se realiza una filtración tangencial, el agua entrante es reciclada. Durante la recirculación el flujo del agua entrante es paralelo a la membrana. Sólo una pequeña parte del agua entrante se usa para la producción de permeado, la mayor parte dejará el módulo. En consecuencia, la filtración tangencial tiene un alto coste energético. Después de todo, todo el flujo de agua entrante necesita ser pasado a presión. La velocidad del flujo de agua paralelo a la membrana es relativamente alta. El propósito de este flujo es el control del grosor de la capa. Como consecuencia de la velocidad a la que fluye el agua, las fuerzas de flujo son altas, lo que permite que los sólidos suspendidos sean arrastrados por el flujo de agua. La gestión por filtración tangencial puede alcanzar flujos estables. De todas formas, la limpieza de instalaciones de flujo tangencial debe ser aplicada de cuando en cuando. La limpieza se realiza mediante chorro de agua trasero o mediante limpieza química. El sistema de flujo tangencial se aplica para ósmosis inversa, nanofiltración, ultra filtración y micro filtración, dependiendo del tamaño de poro de la membrana.

· Sistemas de Membranas La elección de un determinado tipo de sistema de membrana está determinada por un gran número de aspectos, tales como costes, riesgos de adaptación de las membranas, densidad de embalaje y oportunidades de limpieza. Las membranas nunca son aplicadas como una única placa plana, porque una gran superficie a menudo da lugar a altos costes de inversión. Es por

esto que los sistemas son construidos de forma muy compacta, de manera que se consigue una gran superficie de membrana en el mínimo volumen posible. Las membranas se aplican en varios tipos de módulos. Hay dos tipos principales, llamados sistema tubular de membrana y sistema placa y marco de membrana. Los sistemas tubulares de membrana se dividen en membranas tubulares, capilares y de fibras huecas. Las membranas de placa y marco se dividen en membranas espirales y membranas almohadiformes.

-Membranas tubulares Las membranas tubulares no son membranas autosuficientes. Están situadas dentro de un tubo, hechas de un tipo especial de material. Este material es la capa que sostiene a la membrana. Debido a que las membranas tubulares se localizan dentro de un tubo, el flujo en una membrana tubular es generalmente del revés. La causa principal de esto es que la unión de la membrana a la capa que la sostiene es muy débil. Las membranas tubulares tienen un diámetro de 5 a 15 mm. Debido al tamaño de la superficie de la membrana, no es probable que las membranas tubulares se obstruyan. Un inconveniente de las membranas tubulares es que la densidad del empaquetamiento es baja, lo que resulta en un mayor precio por módulo.

Membranas tubulares

-Membranas capilares Con las membranas capilares la membrana sirve de barrera selectiva, que es suficientemente grande para resistir las presiones de filtración. Debido a esto, el flujo a través de las membranas capilares puede ser tanto de dentro afuera como de afuera a adentro. El diámetro de las membranas capilares es mucho más pequeño que el de las membranas tubulares, concretamente de 0.5 a 5 mm. Debido al menor diámetro, las probabilidades de obstrucción con una membrana capilar son mucho mayores. Una ventaja es que la densidad de empaquetamiento es mucho mayor.

Membranas capilares

-Membranas de fibras huecas Las membranas de fibras huecas tienen un diámetro inferior a 0.1 µm. En consecuencia, las posibilidades de obstrucción de una membrana de fibras huecas son muy elevadas. Las membranas solo pueden ser usadas para el tratamiento de agua con un bajo contenido de sólidos suspendidos. La densidad de empaquetamiento de una membrana de fibras huecas es muy alta. Las membranas de fibras huecas son casi siempre usadas solamente para nanofiltración y ósmosis inversa (OI).

Membranas de fibras huecas

· Obstrucción de las membranas La contaminación de las membranas provoca un mayor gasto de energía, una mayor frecuencia de limpieza y un menor límite de vida de la membrana. A la contaminación de la membrana se la suele llamar obstrucción. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada define obstrucción como: ―El proceso que resulta en una reducción del rendimiento de la membrana, causado por la deposición de sólidos suspendidos o disueltos en la superficie externa de la membrana, en los poros de la membrana o entre los poros de la membrana. Cuando se filtra agua limpia, el material de la membrana es la única resistencia que se opone (Rm). El flujo es entonces llamado flujo de agua limpia. Como resultado de la acumulación de partículas en la membrana a través de la filtración de agua con una cierta cantidad de sólidos suspendidos, se formará una capa en la membrana (Rc; partículas). Cuando las partículas obstruyen los poros de la membrana a esto se le llama bloqueo de los poros (Rpb; scaling). La resistencia que aparece a consecuencia de la adsorción en o sobre la membrana se llama bioobstrucción (Ra).‖

Resistencias: Rm = Resistencia de membrana Ra = adsorción, bioobstrucción Rpb = obstrucción de los poros Rc = capa Partículas, bioobstrucción y scaling son los tres grupos principales de contaminantes que se pueden distinguir en la obstrucción de membrana. Estos harán que sea necesaria una mayor carga de trabajo, para mantener un cierto nivel de capacidad de filtración. Llegará el punto en que la presión se incrementará tanto que ya no será rentable económicamente. Hay muchas técnicas diferentes de control de la obstrucción de membrana. Una forma de predecir la obstrucción es usando el Índice de Densidad de Sedimentación (IDS) del agua entrante. El IDS, que está basado en la experiencia, se puede definir como el tiempo necesario para filtrar una cantidad de agua con una destacada concentración de sales a través de una membrana estándar de micro filtración de 0.45 mm. Cuando el IDS es alto, se puede concluir que el agua entrante contiene una elevada cantidad de materia obstructora. · Limpieza de membranas Existen varios métodos diferentes de limpieza de membranas, tales como lavado por chorro delantero, lavado por chorro trasero y lavado por chorro de aire. . Cuando se aplica un chorro de agua delantero, las membranas son lavadas desde adelante con el agua entrante o con el permeado. El agua entrante o el permeado fluyen a través del sistema más rápidamente que durante la fase de producción. Debido a la mayor rapidez de flujo y a la turbulencia resultante, las partículas que habían sido absorbidas por la membrana son liberadas y descargadas. Las partículas que habían sido absorbidas por los poros de la membrana no son liberadas. Estas partículas solo pueden ser eliminadas por medio del lavado con chorro de agua trasero. . El lavado con chorro de agua trasero es un proceso de filtración inversa. Se hace fluir el permeado a presión a través de la parte por donde entra el agua, aplicando el doble de flujo que se usa durante la filtración. En caso de que el flujo no se haya reestablecido suficientemente después del lavado con chorro de agua trasero, se puede aplicar un proceso de limpieza química. Durante el proceso de limpieza química, las membranas son empapadas con una solución de peróxido de hidrógeno. Primeramente la solución se empapa en las membranas durante unos minutos y después se aplica un chorro de agua delantero o trasero que enjuaga los contaminantes. . Un método de limpieza más innovador es el llamado lavado por chorro de aire o por chorro de aire y agua. Este es un lavado por chorro delantero durante el cual se inyecta aire en el tubo de

abastecimiento. Debido a la inyección del aire (permaneciendo igual la velocidad del agua), se crea un sistema de limpieza mucho más turbulento. -Lavado con chorro delantero Cuando se aplica un flujo desde adelante a una membrana, se abre la barrera responsable del manejo de los ―dead-end‖. l mismo tiempo la membrana está realizando temporalmente una filtración tangencial, sin la producción de permeado. El propósito del chorro de agua delantero es la eliminación de la capa de contaminantes formada en la membrana por medio de la creación de turbulencias. Durante el lavado con chorro de agua delantero se tiene alto gradiente de presión hidráulica. ALIMENTACIÓN DE AGUA ALIMENTACIÓN DE AGUA

MEMBRANA MEMBRANA

PENETRACIÓN PENETRACIÓN

-Lavado con chorro trasero Cuando se aplica un flujo desde atrás, los poros de la membrana son lavados del revés. La presión en la parte del permeado de la membrana es mayor que la presión dentro de las membranas, haciendo que los poros se limpien. El lavado con chorro trasero se realiza bajo una presión sobre 2.5 veces mayor que la presión de producción. El permeado es lo que siempre se usa para lavar desde atrás, porque la cámara del permeado siempre debe estar libre de contaminantes. Una consecuencia del lavado con chorro trasero es un decrecimiento en la recuperación del proceso. Debido a esto, el lavado con chorro trasero debe realizarse en el menor tiempo posible. Sin embargo, el chorro debe ser mantenido el tiempo suficiente para lavar el volumen de un módulo por lo menos una vez. ALIMENTACIÓN DE AGUA

MEMBRANA

PENETRACIÓN

Limpieza por chorro de aire o por chorro de aire y agua

La suciedad de la superficie de la membrana necesita ser eliminada tan efectivamente como sea posible durante la limpieza con chorro trasero. El así llamado lavado con chorro de aire, ha

demostrado ser muy útil para la realización de este proceso. El uso de un chorro de aire significa lavar el interior de las membranas con una mezcla de aire y agua. Durante el lavado con aire, se añade aire al chorro de agua delantero, provocando la formación de burbujas, que producen una mayor turbulencia. Debido a esta turbulencia la suciedad se desprende de la superficie de la membrana. La ventaja del lavado con chorro de aire frente al lavado con chorro de agua delantero es que usa una menor capacidad de bombeo durante el proceso de limpieza.

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MEMBRANA

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-Limpieza química Las membranas para osmosis inversa y otros sistemas de membrana necesitan un servicio periódico de limpieza y servicio. Para un óptimo resultado se necesitan unos compuestos químicos específicos, dependiendo de la causa del contaminante. Cuando los métodos de limpieza anteriormente mencionados no son suficientemente efectivos para reducir el flujo hasta un nivel aceptable, es necesario limpiar las membranas químicamente. Durante la limpieza química, productos químicos como el ácido nítrico (HNO3), o agentes desinfectantes, como el peróxido de hidrógeno (H2O2) son añadidos al permeado durante el flujo trasero. Tan pronto como el módulo entero está lleno del permeado, los productos químicos tienen que empaparse. Después de que estos químicos se hayan empapado totalmente, el modulo se lava y, finalmente, puestos de nuevo a funcionar. A menudo se combinan los métodos de limpieza. Por ejemplo, uno puede usar un flujo trasero para la eliminación de la suciedad de los poros, seguido de un lavado de chorro de agua o de aire delanteros. El método o estrategia de limpieza utilizada depende de muchos factores. En la práctica, los métodos más adecuados son determinados por prueba y error (test de prueba).

INTERCAMBIO IÓNICO

Los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en el agua para formar partículas con carga, conocidas como iones. Estos iones están presentes por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el agua conduzca electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Estas impurezas iónicas pueden causar problemas en los sistemas de enfriamiento y calefacción, generación de vapor, y manufacturas. Los iones comunes que se encuentran en la mayoría de las aguas incluyen los cationes de carga positiva; calcio y magnesio –cationes que generan dureza, los cuales hacen que el agua sea ―dura‖- y sodio. Los aniones de carga negativa incluyen alcalinidad, sulfato, cloruro y silicio. La operación de intercambio iónico comprende el intercambio entre los iones presentes en una disolución (contaminantes) y los iones de un sólido (resina). Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solución los mecanismos de estas reacciones son tan parecidos a las operaciones de adsorción que se considera como un tipo especial de adsorción. Esto se lleva a cabo pasando la disolución a través de ciertos materiales sólidos porosos, normalmente minerales del grupo zeolita, o resinas sintéticas (plásticos) preparadas especialmente y que contienen moléculas grandes y complejas. Ciertos iones de la disolución sustituyen a iones o grupos de iones de la resina o zeolita, de donde pueden ser extraídos o lavados. Controlando la acidez, la fuerza y composición de la disolución y la naturaleza de la resina, se intercambian en forma selectiva los iones de la disolución por los iones lábiles (intercambiables) de la resina. Las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas, son las siguientes: - Se adapta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de impurezas iónicas son relativamente bajas. - Las resinas actuales tienen altas capacidades de intercambio que permiten conseguir procesos compactos requiriendo inversiones moderadas. - Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración. - Las instalaciones pueden ser automáticas o manuales para adaptarse a las condiciones específicas.

 Zeolitas Hace varias décadas atrás se comenzaron a utilizar unos minerales naturales que tenían la propiedad de cambiar ciertos iones constituyentes de estos minerales, por otros que se encontraban en solución en un agua que se ponía en contacto con aquellos. Estos minerales eran las zeolitas constituidas por silicatos complejos de sodio, aluminio o hierro que tienen la propiedad de cambiar su contenido en sodio por otros iones metálicos. Este es un método muy importante de ablandamiento y se pueden utilizar zeolitas tanto naturales como artificiales (como las zeolitas intercambiadoras de hidrógeno, las cuales se regeneran tratándolas con un acido). Cuando se trata de ablandar aguas duras ordinarias, cambian el sodio por el calcio y magnesio llevando a cero la dureza del agua sin exceso de producto químico de tratamiento. Después de que han pasado una cierta cantidad de agua las zeolitas empiezan a perder su capacidad de ablandamiento, pero se regeneran fácilmente tratándolas con una solución de sal común (5 a 10 %) que se hace pasar a través de la capa mineral, el que toma el sodio de la sal y elimina al calcio y el magnesio que se habían separado del agua dura. En esa forma queda la zeolita lista para otro ciclo de ablandamiento. Como el ablandamiento tiene lugar por causa de la sustitución del sodio de la zeolita por calcio y magnesio, no hay reducción de sólidos y la dureza temporaria se convierte en bicarbonato de sodio, y la dureza de no carbonatos, pasa a sus correspondientes sales de sodio que quedan en el agua tratada. Este cambio, cuando se trata de aguas muy duras, tiene importancia en el agua para calderas, por que se forma una gran concentración de hidróxido y carbonato de sodio que originan la corrosión en el revestimiento de

la caldera. Se puede evitar este inconveniente tratando el agua con el método cal-soda antes que el de zeolitas. Las plantas de zeolitas son de forma similar a los filtros a presión donde la zeolita ocupa el lugar de la arena mas fina que se emplea en estos dos equipos. Se coloca en la parte superior de este lecho un sistema de distribución de la solución de cloruro de sodio. Además un tanque de la solución de cloruro de sodio, cañerías, válvulas reguladoras, etc. Los espesores de los lechos zeoliticos oscilan entra 0.9 y 1.8 metros. Las aguas duras en contacto con la zeolita originan las siguientes reacciones para su ablandamiento: 1- ZeNa2 + Ca ( CO3H)2 2- ZeNa2 + SO4Mg

ZeCa + 2 NaCO3H ZeMg + Na 2SO4

El símbolo Ze corresponde al radical zeolita: 2 Si02 Al2 O3 Na2 O que actualmente se escribe ZeNa 2. Esto es preferible por que las zeolitas que contiene dos moléculas de Si02 no son convenientes y en la practica se reemplazan por zeolitas que contiene de 5 a 13 moléculas de Si02. Como vemos, el agua, de su calcio y magnesio y recibe una cantidad equivalente de sodio. Después de un periodo de alrededor de 8 horas de pasaje de agua, se suspende el agua y se procede a la regeneración de la zeolita, tratándola con solución de cloruro de sodio. 1- ZeCa + 2 NaCl

ZeNa2 + Cl2 Ca

2- ZeMg + 2 NaCl

ZeNa2 + Cl2 Mg

El cloruro de calcio y el de magnesio se descargan al drenaje. Se conocen dos clases de zeolitas como se menciono anteriormente, las zeolitas naturales (llamadas arenas verdes), que se encuentran en la naturaleza y listas para usar una vez lavadas y tratadas; y las zeolitas artificiales. Las zeolitas naturales son más pesadas y tienen mas vida activa. Las artificiales tienen la ventaja de tener mayor capacidad de remoción por su mayor porosidad, pureza, etc. Esto requiere menos recuperación y menos consumo de agua de lavado. El tiempo requerido para la regeneración de las zeolitas artificiales, oscila entre 30y 45 minutos. La sal requerida oscila entre 2 y 3.5 Kg. de sal por Kg. de dureza. Las sal debe tener 98 % como mínimo, de cloruro de sodio y no mas de 0.5 % de insoluble en agua. La capacidad de remoción de las zeolitas naturales es alrededor de 6.4 a 9.5 Kg. de dureza por metro cúbico de zeolita. En las zeolitas artificiales es alrededor de 18.4 a 27.5 Kg. de dureza por metro cúbico de zeolita (en carbonatos de calcio). El agua a tratar por zeolitas no debe tener turbidez, puesto que las zeolitas se afectaran al depositarse las substancias en suspensión. Cuando el agua tiene alta dureza de carbonatos y se requiere reducir el costo de productos químicos o se desea reducir la cantidad de sólidos disueltos, se combina un tratamiento de cal en frío con el ablandamiento posterior de la zeolita.

 Resinas de intercambio iónico Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0,3 mm a 1,2 mm aunque también las hay en forma de polvo. Una resina de intercambio iónico es un polímero con cargas eléctricas en donde un ion puede reemplazar a otro. Es decir que son compuestos macromoleculares, generalmente en forma de gel, que contienen grupos ionizables y constituyen un gran ión insoluble, asociado a iones

móviles de carga opuesta. Las resinas poseen una alta capacidad para los iones que se encuentran a bajas concentraciones. Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos y actúan tomando iones de las soluciones y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante. El intercambio iónico es una reacción química reversible, que tiene lugar cuando un ion de una disolución se intercambia por otro ion de igual carga que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Las resinas de intercambio poseen un radical fijo y un ion de sustitución o ion móvil. El ion móvil es el ion que es intercambiado por iones que se desea eliminar de las soluciones y este intercambio solo funciona entre iones de igual carga eléctrica: catión por catión y anión por anión. Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones y debido a esto, en un momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto pase de iones no deseados en el agua producida y se dice que esta resina esta ―agotada‖. Por este motivo cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a prioridad la concentración máxima admisible de iones indeseables el la salida del proceso. Cuando se llega a la concentración preestablecida, se debe proceder a regenerar la resina, para poder utilizarla en un nuevo ciclo. Las resinas son estables y se regeneran fácilmente, los efectos de la temperatura en su mayoría son insignificantes, y el proceso es excelente tanto para grandes como para pequeñas instalaciones.

Principio de la cromatografía de intercambio iónico: Las partículas cargadas negativamente se unen a la matriz sólida cargada positivamente y son retenidas. Mientras tanto, las partículas con carga positiva son rechazadas de la matriz eluyéndose. Para regenerar la matriz, se eluyen las partículas retenidas haciendo circular una solución salina.

· Producción de las Resinas La mayor parte de los materiales de esferas de intercambio iónico se fabrican usando un proceso de polimerización de suspensión, que utiliza estireno y divinilbenzeno (DVB). El Estireno y DVB, ambos líquidos en un principio, se colocan en un reactor químico con más o menos la misma cantidad de agua. Asimismo esta presente un agente flotador para mantener todo disperso. El reactor químico tiene un agitador que comienza a mezclar la solución de agua/sustancia química orgánica. El estireno/DVB comienza a formar grandes glóbulos de material, y al aumentarse la velocidad de agitación, los glóbulos se dividen en gotitas más pequeñas hasta alcanzar un tamaño de más o menos un milímetro. En ese momento inicia la reacción de polimerización a través de la adición de peróxido de benzoilo, el cual hace que las

moléculas de estireno/DVB formen las esferas pequeñas de plástico que resultan. El divinilbenzeno es un agente entrecruzante que le proporciona a las esferas su fortaleza física, y sin el cual el estireno seria soluble en el agua. La esfera de poliestireno-DVB necesita se químicamente activada para funcionar como material de intercambio iónico. Los grupos activados son ligados para proporcionarle funcionalidad química a la esfera. Cada grupo activo posee una carga eléctrica fija, la cual es balanceada por un número equivalente de iones de la misma carga. Las resinas catiónicas fuertes se forman tratando a las esferas con ácido sulfúrico concentrado (un proceso conocido como sulfonación) para formar grupos sulfónico-ácidos permanentes, de carga negativa, a través de las esferas. Aquí es importante el hecho de que los sitios de intercambio formados de tal manera se encuentran ubicados a través de la esfera. El proceso de intercambio iónico no es un fenómeno de superficie; más del 99% de la capacidad de un material de intercambio iónico se encuentra en el interior de la esfera. Las resinas aniónicas fuertes se activan en un proceso de dos pasos que consiste en la clorometilación seguida de la afinación. Este proceso de dos pasos comienza con el mismo material de estireno/DVB que se usa para las resinas catiónicas. La única diferencia es que la cantidad de DVB que se utiliza es menor para permitir una esfera más porosa. El primer paso de la reacción es la ligación de un grupo de clorometilo a cada uno de los anillos de benceno en la estructura de la esfera. Este material plástico intermedio clorometilizado debe reaccionar con una amina en un proceso conocido como aminación. El tipo de amina utilizada determina la funcionalidad de la resina. Una amina comúnmente utilizada es la trimetilamina (TMA), que crea un intercambiador iónico fuertemente básico de tipo 1. El uso de dimetiletanolamina (DMEA) producirá una resina aniónica del tipo 2. · Estructura Física y Química de las Resinas Los requisitos básicos de los materiales de las esferas de intercambio iónico son la insolubilidad, el tamaño de la esfera, y su resistencia a las fracturas. La resina deberá ser insoluble bajo condiciones normales de funcionamiento. Las esferas deberán tener dimensiones uniformes con un tamaño normal que varia entre 16 y 50 ―US Mesh‖ (tamaño estadounidense de malla). El hinchamiento y contracción de la esfera de resina durante el agotamiento y la regeneración no deberán causar que revienten las esferas. Asimismo, una propiedad importante de las resinas de intercambio iónico es que el sitio activo se encuentra permanentemente ligado a la esfera. Las resinas de intercambio iónico pueden ser fabricadas en una de dos estructuras físicas, gelatinosa o macroporosa. Las resinas gelatinosas son polímeros homogéneos entrecruzados y son las resinas más comúnmente disponibles. Estas tienen sitos de intercambio distribuidos de manera pareja a través de la esfera. La cantidad de entrecruzamiento de DVB que se utiliza en la síntesis de una esfera determina su fortaleza relativa. La resina catiónica de ácido fuerte que se usa para la suavización, la cual es el medio más común de intercambio iónico, consiste casi siempre de un material gelatinoso de 8% DVB. Se ha comprobado que la cantidad de DVB que contiene esta resina es la más económica en términos de precio de la resina y duración esperada de funcionamiento. Actualmente se encuentran disponibles resinas con un contenido de DVB entre 2% y 20% y aun más. Un mayor contenido de DBV le da aun más fortaleza a la resina, pero el entrecruzamiento adicional puede obstruir la cinética, haciendo que la esfera sea demasiado resistente a la contracción e hinchamiento que son necesarios durante el funcionamiento normal. Las resinas macroporosas fueron introducidas comercialmente en 1959 y están hechas con grandes poros que permiten el acceso a sitios interiores de intercambio. También se conocen como resinas macroreticulares o de poros fijos. Las resinas macroporosas son fabricadas a través de un proceso que deja una red de vías a través de la esfera. Esta estructura con apariencia esponjosa permite que la porción activa de la esfera contenga un nivel elevado de

entrecruzamiento de DVB sin afectar la cinética del intercambio. Desafortunadamente, también significa que la resina tiene una menor capacidad porque las esferas contienen menos sitios de intercambio. Los ―poros‖ pueden ocupar entre 10% y 30% del polímero. Esto reduce proporcionalmente la capacidad de intercambio iónico. Las resinas gelatinosas por lo general tienen mayores eficiencias de funcionamiento y son de menor costo. Un macroporo proporciona mejor estabilidad física, principalmente debido a su estructura con apariencia esponjosa, que libera la presión de mejor manera. Asimismo elimina parte del rompimiento que puede ocurrir debido a la presión osmótica. Mientras mayor sea el área en una resina aniónica macroporosa, mejor será su resistencia a la incrustación. En una resina catiónica, un mayor nivel de entrecruzamiento proporciona mejor resistencia a la oxidación. Existen dos tipos principales de estructuras químicas, estirénicas y acrílicas. Los Materiales a base de estireno descritos anteriormente son hidrocarburos aromáticos. Las resinas acrílicas son hidrocarburos de cadena recta basadas en poliacrilato y polimetacrilato. El DVB aún se utiliza como entrecruce en estas resinas, pero los acrílicos difieren de los estirénicos en que el sitio de intercambio activo es parte de la estructura física. Esto significa que sus estabilidades físicas y químicas están entrecruzadas. Cuando una resina acrílica se degrada químicamente, ocurre por lo general en el sitio de intercambio, que es el eslabón más débil. Esto destruye la estructura física. Cuando se oxida una resina acrílica, ésta se hinchará y ablandará. Otra desventaja de los materiales acrílicos es que no están totalmente aprobados por La Asociación de Alimentos y Drogas (FDA*) de EE.UU. Por lo tanto, están por lo general limitados a aplicaciones industriales. Es de provecho usar los acrílicos en aplicaciones donde existen materias orgánicas, porque no causan tanta incrustación como los productos a base de estireno. · Selectividad de resinas La selectividad o afinidad de resinas de intercambio iónico es influida por las propiedades de la esfera, los iones intercambiados, y la solución en la cual están presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio iónico. Por ejemplo, las resinas catiónicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad. La cantidad de entrecruzamiento de la esfera tiene un impacto sobre el contenido de humedad de la esfera, y por su parte, el contenido de humedad tiene un impacto sobre la selectividad. Una esfera con un alto contenido de humedad tiene alta porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen una mayor selectividad hacia los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto. Estas relaciones de afinidad son revertidas en soluciones concentradas. Esto es lo que hace posible la regeneración de las resinas agotadas. Una resina catiónica agotada que se utiliza para suavizar por lo general se encuentra en forma de calcio o magnesio, de los cuales ambos son iones bivalentes. La resina es restaurada a su condición regenerada, la forma del sodio, introduciendo una solución de 10% de cloruro de sodio. Esta solución de cloruro de sodio se encuentra lo suficientemente concentrada—100,000 partes por millón (ppm) —como para revertir la selectividad. La fuerza impulsadora del ion monovalente de sodio luego convierte la resina a la forma de sodio. · Cinética La tasa de intercambio, o cinética, de las reacciones de intercambio iónico es gobernada por varios factores. La solución que está siendo tratada tiene un efecto; las concentraciones más altas de solución pueden acelerar la velocidad de la reacción. La cantidad de entrecruzamiento de DVB en la esfera

determina la porosidad de la esfera y, además, la movilidad iónica dentro de la esfera. El tamaño de los iones que están siendo intercambiados también influye en la velocidad cinética y depende un tanto del tamaño de los poros en la estructura de la resina. El tamaño de la esfera también tiene un efecto; las esferas más pequeñas presentan una vía de difusión más corta hacia los sitios activos en la parte interior de las esferas. La resina tiene una mayor afinidad hacia los iones de mayor valencia, por lo que la predominancia de iones de alta valencia puede causar una mayor tasa de reacción. Otros elementos que influyen incluyen la temperatura, La forma iónica de los sitios de intercambio, y la fortaleza de los sitios de intercambio. Una mayor temperatura puede acelerar las reacciones químicas. La reacción de intercambio es un proceso de difusión, por lo que la tasa de difusión en el sitio de intercambio iónico tiene algún efecto. Además, la fortaleza del sitio de intercambio, ya sea fuerte o débilmente ácido o básico, afecta la tasa de reacción.

· Clasificación de las Resinas de Intercambio Iónico Para clasificar el tipo de resinas de intercambio iónico se pueden tener en cuenta distintos y variados parámetros: Por su Porosidad - Resinas Tipo Gel: tiene una porosidad natural limitada entre las distancias intermoleculares. Esta es una estructura microporo. - Resinas Tipo Macroporo: también conocida como de tipo unión cruzada suelta. Tienen una porosidad artificial adicional la cual es obtenida por la adición de sustancias diseñadas para esta proposición. Por Variedad de Radicales - Monofuncional: si posee una sola variedad de radicales. - Polifuncional: si la molécula contiene varios tipos de radicales. Por la Aplicación a la que se Destine - Resinas Catiónicas: las resinas catiónicas fuertes se forman tratando las esferas con acido sulfúrico (sulfonación) para formar grupos sulfónico-ácidos permanentes, de carga negativa, a través de las esferas. (el intercambio iónico no es un fenómeno de superficie, más del 99% de la capacidad de un material de intercambio iónico se encuentra en el interior de la esfera. • Resinas Catiónicas de Ácido Fuerte: Ácidos fuertes: son todos los poliestirenos sulfonados, preparados en general por acción del acido sulfúrico sobre el polímero que mantiene sus características físicas: en forma de perla, insoluble, infusible. Le red de poliestirenos sulfonados, es particularmente estable y resistente temperaturas de 120 ºC, tanto si la resina se encuentra en formícida como salina. La función de sulfónica ácida no se hidroliza por las bases concentradas. Prácticamente los únicos reactivos que pueden alterar estas resinas son oxidantes como el cloro o los hipocloritos. Incluso se utilizan como catalizador en las mezclas orgánicas por debajo de los 100 ºC. los cambiadores de esta familia son monoácidos fuertes, utilizables con una capacidad de cambio constante para todos los PH, pues su ionización es muy alta siempre. Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH. Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl). Por ejemplo:

Resina catiónica de sodio: elimina la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio. Resina catiónica de hidrogeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, sodio, potasio, etc.) por intercambio con hidrogeno. • Resinas Catiónicas de Ácido Débil: Ácidos débiles: el poliestireno se reemplaza aquí por resinas acrílicas, y el grupo activo existe en el monómero. El ácido acrílico o el ácido m-acrílico se polimeriza con 5 a 10 % de divinilbenceno, que sirve únicamente de reticulante. Estas no pueden ser usadas a PH bajos. Tienen menor capacidad de intercambio. No son funcionales a pH bajos. Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las perdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior. Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte. Por ejemplo: Resinas catiónicas débiles: elimina los cationes que están asociados con bicarbonato. - Resinas Aniónicas: las resinas aniónicas fuertes se activan en un proceso de dos pasos, que consiste en la clorometilación seguido de la aminación. Este proceso comienza con el mismo material de estireno/divinilbenceno que se usa para las resinas catiónicas. La diferencia es que la cantidad de divinilbenceno que se usa es menor para permitir una esfera más porosa. El primer paso es la ligación de un grupo de cloro metilo a cada uno de los anillos del benceno de la esfera. Este material plástico clorometilizado debe reaccionar con una amina en un proceso conocido como aminación. El tipo de amina utilizada determina la funcionalidad de la resina. •Resinas Aniónicas de Base Fuerte: Base fuerte: el derivado clorometilado puede ser tratado por una amina terciaria, y los productos clásicos son de dos tipos: Resinas de tipo I: Estas parten de la trimetilamina como materia prima. Estas son bases fuertes que son también preparadas bajo la forma de sal de amonio cuaternaria. Tienen una buena estabilidad térmica y son utilizables hasta 60ºC. Resinas de tipo II: estas son menos estables, pero su empleo es mas económico, pues son mas fáciles de regenerar, siendo bases menos fuertes: la amina de partida es la dimetiletanolamina. Para algunas de ellas no se puede sobrepasar la temperatura ordinaria. Intercambian iones negativos (aniones). Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxido sódico - NaOH). Por ejemplo: Resinas aniónicas fuertes: elimina todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles el bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos. •Resinas aniónicas de base débil: Bases débiles: el derivado clorometilado intermedio de resinas débilmente básicas por reacción con aminas secundarias, primarias o bien con el amoniaco. La capacidad de cambio de estas depende el número de funciones introducidas a lo largo de la condensación. Como poliamina una de las más empleadas es la tetraetilenpentamina. Conviene destacar que son las aminas primarias o secundarias, la condensación puede ir acompañada de una reticulación suplementaria, si dos grupos cloro metilos de dos núcleos vecinos reaccionan sobre

el mismo nitrógeno. Una consecuencia es la presencia de amonios cuaternarios. Las resinas de poli estireno aniónicas débiles tienen ventajas sobre las otras de una mayor estabilidad térmica, y puede emplearse generalmente hasta los 100 ºC . Se trata de una resina muy eficiente. Requiere menos sosa para su regeneración. No se puede utilizar a pH altos. Pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento. Resinas aniónicas débil: eliminan con gran eficacia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros. · Selectividad de las Resinas de Intercambio Iónico Supongamos que se tiene en una disolución un ion A que puede intercambiarse con otro B, unido a una resina R; se tiene una reacción: A + R-B

R-A + B

Pudiendo establecerse una constante de equilibrio: K A/B = [A]r [B] [A] [B]r Esta constante se denomina coeficiente de selectividad y los subíndices indican la especie en la resina. Esta magnitud es una medida de la afinidad de los distintos iones de la resina. Para un ion dado dicha afinidad se puede indicar por el coeficiente de distribución, D. D= [A]r [A] Que representa la reacción, cuando alcanza el equilibrio, entre la concentración del ion de la resina y en solución. La selectividad o afinidad de resinas de intercambio iónico es influida por las propiedades de la esfera, los iones intercambiados, y la solución en la cual están presentes los iones. El agua es un componente esencial en las resinas de intercambio iónico. Por ejemplo, las resinas catiónicas de ácido fuerte contienen más o menos 50% de humedad. La cantidad de entrecruzamiento de la esfera tiene un impacto sobre el contenido de humedad de la esfera, y por su parte, el contenido de humedad tiene un impacto sobre la selectividad. Una esfera con un alto contenido de humedad tiene alta porosidad y los grupos activos se encuentran más separados uno del otro. Las resinas de intercambio iónico por lo general tienen una mayor selectividad hacia los iones de mayor valencia o carga. Entre los iones con una misma carga se encuentran mayores afinidades hacia los iones con un número atómico más alto. Estas relaciones de afinidad son revertidas en soluciones concentradas. Esto es lo que hace posible la regeneración de las resinas agotadas. Una resina catiónica agotada que se utiliza para suavizar por lo general se encuentra en forma de calcio o magnesio, de los cuales ambos son iones bivalentes. La resina es restaurada a su condición regenerada, la forma del sodio, introduciendo una solución de 10% de cloruro de sodio. Esta solución de cloruro de sodio se encuentra lo suficientemente concentrada—100,000 partes por millón (ppm) —como para revertir la selectividad. La fuerza impulsadora del ion monovalente de sodio luego convierte la resina a la forma de sodio.

Las resinas de intercambio iónico presentan diferentes selectividades hacia los iones. A continuación se detalla el orden de selectividad de las resinas en orden decreciente (de mayor a menor). Resina catiónica fuerte: Ag+, Pb++, He++, Ca++, Cu++, Ni ++, Cd++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, +

H

Resina catiónica débil: H+, Cu++Ca++, Mg++, K+, Na+ Resina aniónica fuerte: CO3=,SiO=3, I-, HSO4-, NO3-, Br-, HSO3-, NO2-, Cl-, HCO3-, FResina aniónica débil: SO4=, CrO4=, NO3-, I-, Br-, Cl-, F-

· Equilibrio entre las Soluciones Interna y Externa - Sorción del solvente e hinchamiento: Cuando una resina se sumerge en una solución, siempre se produce un hinchamiento más o menos importante de las esferas como consecuencia de la sorción del solvente por las resinas. Dicha sorción del solvente es debida principalmente a dos fenómenos: a) Movilización de solvente por solvatación del intercambiador de iones. b) Presión osmótica de la ocluida en la resina. a) Solvatación: sabemos que la solvatación de un electrolito de tipo de cloruro de sodio por un solvente polar no es más que la absorción mediante fuerza electrostática de las moléculas del solvente por los iones sueltos. Esto significa que: Cuanto más ionizado es el grupo funcional del intercambiador, o en otras palabras, cuanto más fuerte es el cambiador de iones, mas importante es la solvatación. Cuanto mas polar es el solvente más importante es la solvatación. (Cuando el solvente, por ejemplo es agua el hinchamiento es apreciable. Cuanto mayor es la concentración de la solución interna, o mas exactamente, cuanto mayor es la capacidad de la resina (expresada en mili equivalentes por gramo de resina), más importante es la solvatación. b) Presión osmótica de la ocluida en la resina: el solvente penetra en la resina por vía osmótica en las condiciones siguientes: La sorción del solvente es tanto mayor cuanto mayor es la capacidad de la resina. La sorción es tanto menor cuanto mayor es la concentración de la solución externa (ya que la diferencia de presión interna entre esta y la solución interna es menor). A igual capacidad de la resina, el hinchamiento es tanto mayor cuanto menor es la valencia del contra-ión (el numero de contra-iones es inversamente proporcional a su valencia, para una misma capacidad). A estos dos factores principales, solvatación y presión osmótica, debemos añadir las propiedades elásticas de la resina: cuanto mas reticulada sea esta, menos intenso es el hinchamiento. El fenómeno de hinchamiento es muy importante tenerlo en cuenta a la hora de fabricar las columnas de intercambiadores. El tamaño de las columnas debe calcularse teniendo en cuenta las variaciones del volumen del lecho de las resinas intercambiadoras de iones. Por otra parte puede alcanzar varios centenares de atmósferas llegando a provocar el estallido del equipo y como mínimo deformaciones en el mismo. - Sorción de compuestos no iónicos: los no electrolitos pueden ser separados por las resinas por diversos mecanismos: absorción, efecto detergente tendiente a separar un compuesto bipolar del solvente provocando su acumulo sobre la resina, formación de un complejo entre el compuesto no iónico y el contra-ión. Los efectos de sorción pueden ser contrarrestados por lo que se denomina efecto de . Si el solvente de la solución interna es totalmente movilizado por solvatación de los iones de la resina, ya no queda solvente para disolver el no-electrolito, lo que lleva a ser extraído de la resina. Este efecto puede ser contrarrestado añadiendo un electrolito a la solución externa, lo que tiende invertir el equilibrio y a facilitar la porción del compuesto no iónico en el interior de intercambiador. Desde el punto de vista, los electrolitos débiles pueden ser comparados con los compuestos no iónicos. Por ultimo, con grandes moléculas puede existir un impedimento estérico a la porción del soluto en el interior de las mallas de la red. - Sorción de electrolitos fuertes: los electrolitos fuertes son extraídos de la resina debido, principalmente, al efecto de potencial de donan cuyo mecanismo es el siguiente: imaginemos un cambiador de cationes Xº cuyo ion fijo es el anión Aª y una disolución de electrolito Yº-Bª. Los cationes libres Xº e Yº difundirán de modo que se equilibren sus concentraciones en las solución interna y externa. De igual manera, el anión Bª difundirá hacia la solución interna que no lo contiene. Por lo contrario el anión inmovilizado Aª no podrá difundir hacia la solución externa: como consecuencia de ello se producirá un desequilibrio de las cargas eléctricas en las dos soluciones y se creara un d.d.p. denominado . Dicho potencial se opone a la migración del contra-ión Xº hacia la solución externa de modo que los movimientos de difusión queden frenados hasta el punto de extraer parcialmente el electrolito Yº-Bª. Cuando mas masiva es la difusión de cationes Xº hacia el exterior, mayores el potencial de Donnan, lo que significa que la extracción del electrolito Yº-Bª es tanto mayor cuanto mayor es la capacidad de la resina y mas débil es la concentración de la solución externa. En un intercambiador catiónico el potencial de Donnan es tanta mayor cuanto mas elevada es la valencia del anión y cuanto menor es la valencia del catión. Por ejemplo, tenemos el siguiente orden de extracción: Na2 So4  ClNa  CaCl 2

Por otra parte, es evidente que en resinas débiles disociadas, el potencial de Donnan también débil siendo poco importante la separación de los electrolitos fuertes. Por ultimo, puede ocurrir que un ión, que teóricamente debería ser extraído, sea en realidad sorbido por la resina comportándose como complejo

Cl  ZnCl 



Ò

CuCl  

· Cinética del cambio iónico Se ha observado que el cambio iónico no es instantáneo, y necesita tiempo para ser completo, siendo desde algunos segundos al infinito. Para más precisión se puede caracterizar la velocidad de un cambio por el tiempo que hace falta para realizar la mitad. La cinética del fenómeno puede ser representada por el cociente de un número de iones de una

especie cambiada al principio de un tiempo t, número límite cambiable al principio de un tiempo infinito. La velocidad se determina por fenómenos físicos de difusión: a) Difusión del contra-ion para cambiar en la fase acuosa hasta el límite del gel. b) Difusión de este ion en el gel hasta el sitio en el que el se colocará. Y un fenómeno químico: c) reacción de cambio. Simultáneamente el ion cambiado que proviene de la resina sigue un curso inverso, la carga eléctrica total de cada elemento de volumen deberá ser nula. a) Difusión en la película: la difusión en la fase acuosa es rápida y está ligada a la velocidad de desplazamiento del líquido o de agitación, según el montaje. Todo ocurre como si hubiera alrededor del grano de resina una película inmóvil de un cierto espesor E, que depende de la agitación del líquido y a través del cual la concentración varía rápidamente entre el valor de la solución y el de la resina; E es del orden de 10 a 100 micrones. Este modo de razonar, introducido por Nernst, es clásico en el estudio de la difusión. Para cada especie difusible, la ley de Fick será aplicable: C C 2  D T X 2

Siendo D el coeficiente de difusión, C las concentraciones, x y t las variables de espacio y de tiempo. El cálculo exacto de la cinética del fenómeno es casi imposible, pero no obstante se pueden hacer cierto número de previsiones. La difusión en la película se debe considerar como un factor de la cinética, si indicara que los cambios afectan la película superficial modificando la velocidad. Estos son, principalmente La agitación del líquido que disminuye el espesor de la película. De todas formas, existe un límite para la eficacia de la agitación y la cinética puede ser determinada por la difusión en la película, teniendo en cuenta que un aumento en la agitación deja de ser eficaz. El aumento de la concentración del contra-ion cambia en la solución, aumenta igualmente la velocidad y actúa mucho menos sobre la difusión en el gel. También de una forma general, la importancia sobre la cinética de la difusión en la película es predominante para las soluciones diluidas donde el gradiente de la concentración es débil. Por otra parte, es evidente que cuando más pequeña es la partícula de resina más importante es la difusión superficial, a la vez que la difusión en el gel, pues el espesor de la película se mantiene constante. Es esta primera etapa, en definitiva, la que rige la velocidad para las soluciones diluidas (0,01N), las resinas de fina granulometría, en un medio poco agitado, y, veremos ahora por qué, para los iones de pequeño tamaño. b) Difusión en el gel: la difusión en el gel, medio estructurado, es más difícil para los iones grandes que para los pequeños y menos rápida en las resinas muy reticuladas. Es particularmente claro con los iones orgánicos, y ya hemos visto que para algunos la velocidad es tan pequeña que no hay prácticamente cambio. La experiencia ha demostrado que la velocidad de cambio de los iones polivalentes y monoatómicos es más débil que la de los iones monovalentes ,particularmente en el caso en que la velocidad está limitada por la difusión    en el gel, con los productos 400/40/1 ,por ejemplo, para Na , UO 2 , Ce al pasar por Una resina fenólica ácida. Situándonos en las condiciones donde la difusión en la película es determinante, encontramos las cifras 2,4/1,2/1. Este efecto será debido a una disminución del gradiente de concentración proveniente de la fuerte hidratación de los iones polivalentes. c) Reacción de cambio: la reacción de cambio, una vez que los iones están cerca del grupo

funcional interesado, es prácticamente instantánea, y no es ella en principio quien limita la velocidad. Mientras tanto, por un efecto secundario, las constantes físico-químicas del sistema intervienen si la resina está bajo forma ácida o base débil. Por ejemplo, en el caso de una resina débilmente ácida del tipo poliacrílico, se puede demostrar que la velocidad de cambio entre dos cationes metálicos cualesquiera es del mismo orden que con las resinas PSS; entonces, el cambio de un catión monovalente con el hidrógeno, estando la resina bajo forma ácida, es alrededor de dos mil veces más débil. En efecto, es la velocidad de difusión en el gel la que disminuye en esta proporción porque el gradiente de concentración de los iones H es mucho más débil que en una resina ácida fuerte, siendo débil la disociación del grupo carboxílico. Factores que influyen en la afinidad de una resina: A igualdad de valencia, la afinidad de una resina por un ion es más fuerte cuanto mayor es el peso molecular del ión. Por ejemplo, para los iones monovalentes observamos el siguiente orden creciente de afinidades: Li  Na  K  NH  Rb  Cs Ag

Para los iones divalentes el orden es el siguiente:

Para los aniones:

La situación del ión H en esta secuencia varía en función a la naturaleza de la resina. En las resinas sulfónicas que tienen gran afinidad con el protón, H se sitúa entre Li y Na. En las resinas carboxílicas, H ocupa la primera posición. Del mismo modo la afinidad de la resina por OH es muy baja. Las resinas débilmente básicas prefieren el ión hidróxido al ión sulfato. La afinidad de la resina por un ión es tanto más fuerte cuanto mayor es la valencia del ión. Este hecho se explica por el potencial de Donnan que atrae el ión con una fuerza proporcional a su carga eléctrica, es decir a su valencia. Todos los factores que favorecen el potencial de Donnan amplifican este efecto. - Capacidad de las resinas Se expresa, bien en números de equivalentes por masa de resina húmeda. En la tabla siguiente se presentan algunos órdenes de magnitud de las capacidades de resinas comerciales habituales.

Equivalentes / Kg. Resinas seca

Equivalentes / Kg. Resinas húmeda

Resina catiónica fuerte

4- - 4,8

1,6 - 2,2

Resina catiónica débil

8 - 9,5

2,7 - 4,2

Resina aniónica fuerte

3,5 - 4,4

1 - 1,4

Resina aniónica débil

3,1 - 4,4

1 - 1,6

Cabe destacar que las resinas catiónicas débiles tienen mayores capacidades que las resinas fuertes. En realidad, estas capacidades teóricas reflejan mal las capacidades realmente útiles en determinadas condiciones de trabajo. Las capacidades practicas llegan a ser netamente menores que las capacidades nominales indicadas por los fabricantes. - Estabilidad de las resinas Antes existía una cierta dificultad de obtener resinas estables que mantengan sus propiedades iniciales; este problema fue resuelto satisfactoriamente en la actualidad. La estabilidad de las resinas puede lograrse mediante dos mecanismos: Enmascaramiento parcial de la resina mediante formación de una capa de precipitado que dificulta la difusión de los iones de los iones en la resina y les impide el acceso a los grupos funcionales, lo que conlleva la reducción de la capacidad del cambiador. El enmascaramiento del intercambiador también puede provocarse mediante adsorción irreversible de grandes moléculas orgánicas. También puede darse el caso que el intercambio quede bloqueado debido a que los puntos activos queden monopolizados por iones con una gran afinidad y por lo tanto difíciles de eliminar durante la regeneración. Degeneración de los grupos funcionales: de este modo los intercambiadores aniónicos, principalmente los más fuertes, pierden su basicidad en presencia de agentes oxidantes. Por otra parte las resinas son pocos sensibles a la temperatura de modo que, particularmente las resinas catiónicas, pueden someterse impunemente a temperaturas de 120 °C durante tiempo bastante largo. · Funcionamiento técnico El intercambiador iónico es una operación de percolación de lecho fijo, es decir, la solución percola a través de un lecho poroso formado por resinas que rellenan la columna. En este sentido, resulta útil estudiar ciertas generalizaciones de la dinámica de las percolación antes de llegar a deducir sus consecuencias prácticas. - Dinámica de las columnas de intercambio iónico Consideremos un intercambiador cuyas resinas inicialmente están en forma X y una solución que contiene iones Y que se quieren intercambiar con los iones X. Al principio de la operación, las resinas fijarán los iones Y y liberarán iones X en cantidades equivalentes. El efluente de salida de la columna solo tendrá iones X. Al continuar el proceso, las primeras capas de la resina se saturarán de iones y quedando bloqueado el intercambio. Esta saturación de las resinas se propagara cada vez mas a lo largo de toda la columna: entonces se habla de o de . Cuando se ha saturado toda la columna, el efluente que sale sólo contiene iones Y. Se denomina al punto de aparición de los primeros iones Y en el efluente. Puede definirse por un tiempo de percolación o un volumen de efluente. Si se representa gráficamente la concentración del efluente en iones Y en función del tiempo, se obtiene la imagen del

Tras la saturación de la columna y el lavado de las resinas, se procede a su haciendo pasar por la columna una solución que contenga iones X. Con ello se produce un intercambio de iones en sentido inverso que restituye la resina a su forma X. Como anteriormente, si representamos gráficamente la concentración del efluente en iones X en función del tiempo, obtenemos la imagen del

Si se dieran ciertas condiciones ideales, la forma de los frentes de saturación y de regeneración seria la de una función . En realidad cierto número de factores dispersantes provocan que la curva sea de pendiente suave en lugar de abrupta, hecho que tiene consecuencias prácticas desfavorables. En efecto, consideremos un frente de regeneración real

La zona sombreada A (v) representa la cantidad de X diluida por el volumen v de efluente. La superficie total de la curva representa la cantidad total de X que estaba fijada sobre el intercambiador, y por lo tanto la capacidad total Q del intercambio. La relación, representa la (fracción eluida) o el (grado de regeneración).

Queda claro cuanto mas suave sea la pendiente del frente, mayor debe ser y para alcanzar un grado de regeneración definido, y por lo tanto mayor es el consumo de regenerante. Si representamos gráficamente las variaciones de la fracción equivalente del ión Y en la resina en función de la fracción equivalente del ión Y en la solución de elusión, obtenemos lo que se denomina una (isoterma).

En la medida en que el equilibrio de los iones X y Y en la resina es desfavorable a Y, siempre tenemos y la curva esta por encima de la primera bisectriz de los ejes. La relación , es decir la afinidad del ión Y, es superior e la unidad y debe tenerse en cuenta que es máxima para débiles concentraciones de Y, decreciendo cuando aumenta Y. En el intercambio (X, Y), la velocidad del frente de saturación será mas débil cuanto mas iones Y absorba la resina (para un caudal de alimentación dado), ya que serán necesarios mas iones para saturar una capa de resina. Ahora bien, la capacidad de la resina a fijar los iones Y viene caracterizada por Ay, es decir la afinidad del ión Y con Ay =Ry/Sy, lo que significa que la velocidad de propagación del frente de saturación es función de la concentración del ión Y en la columna. Ya que la velocidad del frente de saturación varia en sentido inverso a la afinidad Ay, dicha velocidad varia en el mismo sentido que la concentración de Y (Sy) en columna. Este fenómeno modifica la forma de los frentes de saturación y de regeneración. Si representamos el frente de saturación bajo la forma Sy=F(z), es decir en función del nivel de una sección ortogonal de la columna referenciada por la variable z, a cada valor de Sy corresponde una velocidad de propagación v (Sy) que es una función creciente de Sy. Ellos conlleva la disminución de la dispersión del frente que toma una forma más abrupta: por ellos se tienen un frente compresivo.

Por el contrario, durante la regeneración el mismo efecto tendera a aumentar la dispersión del frente de regeneración. En ese caso se tendrá un (frente dispersivo)

Vamos que efecto tiene gran importancia practica: en el desalado del agua (intercambio Na, Ca) el frente será compresivo durante la saturación. Por el contrario, será dispersivo durante la regeneración, provocando una elevación larga y difícil de las ultimas fracciones de calcio (vector v (Sca) muy pequeño) y forzosamente una incompleta regeneración. Para limitar este efecto resulta interesante aumentar la concentración de regenerante (por lo tanto); con ellos se disminuye la fracción equivalente del ión Ca++ en la solución, lo que conlleva la disminución de la afinidad del calcio por la resina, y por lo tanto el aumento de la velocidad de propagación del frente que puede llegar a ser comprensivo si se invierte la curva de la isotería. - Saturación Si consideramos el intercambio: RX+YRY+X Inicialmente la resina está inmersa en agua en forma X. Hay que contar alrededor de 0,6 volúmenes de agua intersticial `por volumen de resina. Antes de llegar a la saturación propiamente dicha, se capta dicha agua intersticial con la solución a tratar. Esta se mezcla con el agua estableciéndose un gradiente de concentración en la columna de modo que a la salida no se recoge agua pura sino una solución muy diluida de iones X, antes de llegar a un régimen estable. El primer efluente que se recoge, demasiado diluido para ser admitido en las siguientes operaciones, puede eliminarse o bien ser recuperado para el lavado de la resina después de la regeneración. Durante la saturación propiamente dicha, el frente de saturación avanza a lo largo de la columna como se muestra en la figura 8.

El frente de saturación no tiene la forma de una función sino que es dependiente suave, de modo que los primeros iones Y diluidos aparecerán antes de que la columna esté totalmente saturada. Dicho fenómeno se denomina y es tanto más intenso cuanto más disperso es el frente de saturación. Por otra parte, la regeneración a menudo es incompleta debido a razones económicas: la regeneración perfecta exige excesivo consumo de regenerante. En estas condiciones, las capas de resina cercanas a la salida de la columna

Todavía contienen cierta cantidad de iones Y que se elúen durante la saturación. La cantidad de iones Y que se pierden de la columna se denomina la , algunos iones Y pueden escaparse debido a defectos en el proceso: creación de corrientes preferenciales debido a la retención de burbujas de aire o a la formación de una capa impermeable formada como consecuencia de la colmatación de las resinas por las partículas sólidas que entran en la columna. - Lavado La solución retenida en el lecho de la columna es captada en primer lugar por agua (o con el primer efluente diluido y recuperado al principio de la regeneración). Ya que las resinas actúan como una masa filtrante se hace necesario eliminar las partículas extrañas retenidas. Por otra parte, algunas bolas de resina se rompen por efectos de presiones mecánicas y acaban convirtiéndose en una fracción de finos que impide la percolación regular. Por último, a la larga se establece en la columna una clasificación de las bolas de resina en función de su talla: por lo tanto será necesario el lecho de resina. Por lo tanto, las bolas de resina y las partículas extrañas vuelven a ser resuspendidas mediante una corriente de agua a presión que entra por la parte baja de la columna .El volumen de la suspensión que se obtiene de este modo ocupa un volumen casi dos veces superior al volumen del lecho de la resina en reposo y las partículas finas son arrastradas al exterior de la columna por la corriente de agua. Según las necesidades se puede inyectar aire comprimido para romper los aglomerados de partículas. Esta operación dura entre 15 y 30 minutos, hasta que se obtiene un efluente claro. - Regeneración La regeneración de las resinas es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad devolver a la resina su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza asiendo pasar soluciones que contengan el ion móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento.

Después del lavado, la columna se llena completamente de agua. Con el fin de evitar una excesiva dilución del regenerante, se empieza por captar el agua con aire comprimido de modo que el nivel descienda justo por encima del lecho de resina que debe permanecer inmerso. A continuación, la operación es simétrica a la de la saturación y las resinas con forma Y vuelven a tomar la forma X. Está claro que a medida que se desarrolla el proceso, disminuye rápidamente la de intercambio. En efecto, S K   X  RX Y X

P

  RY        SY 

n

Puesto que el caudal de alimentación de regenerante es constante, las fracciones equivalentes de iones X e Y en la solución se mantienen prácticamente constantes. Por el contrario, aumenta y aumenta , por lo tanto disminuye . Ello significa que la elusión de los últimos iones Y es mucho más difícil y precisa una cantidad muy importante de regenerante. Por esta razón , en la práctica , se renuncia a la regeneración total de la columna con el fin de limitar el consumo de regenerante .Los últimos efluentes de regeneración , ricos en iones X y pobres en iones Y, pueden ser recuperados y empleados al principio de la regeneración del siguiente ciclo , antes de emplear regenerante puro. Se ha comprobado que, al no ser completa la regeneración, se produce una más o menos importante durante la saturación, de modo que la zona no regenerada por completo se halla en la parte baja de la columna. Esta fuga puede reducirse sensiblemente llevando a cabo una regeneración a contra-corriente, es decir en sentido inverso al sentido de desplazamiento de la solución durante la saturación. Así pues, los iones Y eluidos durante la saturación por la parte superior de la columna (y ya no por la parte inferior), son retenidos por la resina antes de salir. Hay dos tipos de regeneración: regeneración de co-corriente y regeneración de contracorriente. Regeneración co-corriente La regeneración es llevada a cabo por causa de una solución concentrada de iones A que fluyen a través de cada intercambiador en la misma dirección hasta la exhaustación.

Regeneración contracorriente La regeneración es llevada a cabo por causa de una solución concentrada de iones A que fluyen a través de cada intercambiador en dirección opuesta hasta la exhaustación

La regeneración de las resinas es el proceso inverso del proceso de intercambio iónico y tiene por finalidad devolver a la resina su capacidad inicial de intercambio. Esto se realiza haciendo pasar soluciones que contengan el ion móvil original, el cual se deposita en la resina y desaloja los iones captados durante el agotamiento. Este proceso se realiza con el fin de de evitar una excesiva dilución del regenerante, se empieza por captar el agua con aire comprimido de modo que el nivel descienda justo por encima del lecho de resina que debe permanecer inmerso en la practica, se renuncia a la regeneración total de la columna con el fin de limitar el consumo de regenerante al no ser compatible la regeneración, se produce una ―fuga‖ mas o menos importante durante la saturación. Esta fuga puede reducirse sensiblemente llevando a cabo una regeneración a contra-corriente, así pues, los iones eludidos durante la saturación por la parte superior de la columna, son retenidos por la resina antes de salir. Para la regeneración de la resina de intercambio iónico se usa: Sal común (cloruro de sodio) para regenerar resinas catiónicas fuerte. Acido clorhídrico o acido sulfúrico (depende del costo y la eficacia): para regenerar resinas catiónicas fuertes y resinas catiónicas débiles. Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas fuertes y resinas aniónicas débiles. Una vez regenerada la resina esta lista para un nuevo ciclo de intercambio iónico. - Ventajas de la regeneración en contracorriente: A partir de de los aspectos ya expuestos se puede prever las siguientes ventajas de la regeneración a contracorriente.

 Los iones eludidos en el curso de la regeneración no tienen la posibilidad de fijarse nuevamente en la resina, se regenera entonces la capacidad útil del intercambiador de iones, en tanto en regeneración a co-corriente se debe tomar en cuenta la capacidad total. Esta diferencia debe traducirse en un mayor rendimiento en la utilización de los reactivos en regeneración a contracorriente, y consecuentemente un menor consumo de reactivos.  Las capas en la zona de salida, es decir las menos cargadas de iones, reciben un importante exceso de reactivos exento de iones a eliminar, en consecuencia, el nivel de regeneración de estas capas es particularmente alto y permite obtener, en el curso de ciclo de fijación, una calidad de agua netamente superior a aquellas que resultan de una regeneración a co-corriente.

- Aclarado El regenerante es captado con agua conservando el caudal de alimentación de la regeneración. Tras el desplazamiento de la solución, se aumenta el caudal con el fin de acelerar el aclarado. En este momento la columna esta a punto para el ciclo siguiente. · Proceso de ablandamiento Esta técnica se emplea para eliminar la dureza de las aguas potables e industriales, cuando su utilización conduce a incrustaciones o depósitos molestos. Se utiliza resinas para fijar iones alcalinos térreos sustituyéndolos por iones sodios. Este modelo de depuración se conoce con el nombre de depuración cíclica con sodio. El echo permutante hace cada vez menos activo a medida que el contenido el calcio y magnesio del intercambiador aumenta, paso siguiente, se efectúa una regeneración del intercambiado. Los reblandecedores son, generalmente, de metal o plástico resistente a la corrosión por el cloruro de sodio y la presión. Contienen la carga de las resinas. Llevan también una cuba de sal añeja, en la cual se prepara la solución concentrada de cloruro de sodio para la regeneración. Durante una primera fase, el agua atraviesa el lecho de la resina, donde sus iones calcio y magnesio, son sustituidos por iones sodio. En una segunda fase, cuando la resina esta saturada, se favorece su desbloqueo por una

corriente de agua sin tratar a fin de facilitar la regeneración En una tercera fase, se hace pasa lentamente la salmuera a través del lecho de la resina. Se obtiene una solución salina de sales de calcio y magnesio y la resina se encuentra nuevamente cargada de sodio. Por fin en una cuarta etapa, un aclarado permite eliminar esta salmuera y deja el equipo preparado para un nuevo ciclo. El intercambiador del lecho puede quedar colmatado por materiales en suspensión (oxido de hierro) o materia viviente (algas, hongos etc.), para esto, se realizan limpiezas periódicas con dispersantes y biocida.

En este proceso las ventajas son:   

En una sola operación se elimina la totalidad de la dureza. Ausencia de perdida de carga. Ausencia de polución.

Los inconvenientes son:  

Ligero aumento de la salinidad. Gastos de inicio, relativamente elevado.

· Proceso de desmineralización: La desmineralización es un proceso por el cual se elimina sólidos disueltos en agua. El proceso a seguir es mediante el intercambio iónico, que emplea resinas aniónicas y catiónicas, que pueden ser base fuerte o base débil dependiendo la calidad del agua a obtener y los contaminantes que se requerirá remover. Al igual que en el ablandamiento la desmineralización se hace por intercambio de iones. Los aniones y los cationes se remplazan sucesivamente por iones HIDROGENO y HIDROXIDO

H2Z + CaSo4

CaZ + H2So4

H2Z + MgCl2

MgZ + 2 HCl

H2Z + Na2SiO3

Na2Z + SiO2 + H2O

H2Z + MgCo2

MgZ + Co2 + H2O

El agua tratada por este método no contiene más que ácidos fuertes o débiles. Esta pasa sobre otra resina llamada aniónica del tipo R OH, sobre la cual se produce las siguientes reacciones: R (OH)2 + H2So4

Rso4 + 2H2O

R (OH)2 + 2HCl

RCl2 + 2H2O

R (OH)2 + SiO2

RsiO3 + H2O

R (OH)2 + CO2

RCO3 + H2O

Existen dos formas de combinar las resinas antes descriptas. Lecho Mixto: en un único contenedor donde las resinas aniónicas y catiónicas están íntimamente mezcladas. Este contenedor debe ser resistente a las altas presiones de bombeo y de corrosión, por eso el material de construcción es en plástico, cuando son pequeños diámetros, pero de lo contrario lo que se utiliza es acero. La altura de los lechos de resinas son de 70 y 150 cm., para la operación convencional, mayores tamaño representarían un alto costo de bombeo par la alta resistencia de flujo. Encima del lecho debe quedar una cámara de expansión para, cuando las resinas intercambien sus iones y cuando se realiza el lavado. Se suele tomar entre un 50 a un 75% de la altura del lecho para las catiónicas, y de un 100% para las aniónicas que son menos densas. La placa debe ser fuerte para resistir el empuje ejercido por el lecho y el fluido. La columna va provista de mirillas para controlar la operación. La sección y el volumen de la resina se determinan a partir de las velocidades de paso, a través del lecho, que van desde los 5 a 40 m/h y en este caso de los lechos mixtos van desde 60 a 120 m/ h. En cuanto a la regeneración es algo más complejo: en el lavado debe conseguirse una buena separación de los dos tipos de resinas, quedando la aniónica, mas ligera, en la capa superior y la catiónica, la mas pesada, en la parte inferior, con una separación bien definida. La línea de separación debe coincidir con un colector dispuesto en esta zona intermedia. El álcali regenerante es introducido por el distribuidor superior, pasa a través de la resina aniónica y sale por el colector intermedio. Simultáneamente, se evita la contaminación de la resina catiónica bloqueando el álcali con una corriente de agua que circula desde el distribuidor inferior al colector intermedio. La regeneración de la resina catiónica es menos problemática y se realiza con la corriente da ácidos circulando desde el interior del distribuidor inferior al colector intermedio y por ultimo se mezclan íntimamente con aire una vez regeneradas.

· Tecnología de las columnas de intercambio iónico Las columnas más clásicas son percoladores de lecho fijo que funcionan en discontinuo. Durante los años 60, aparecieron los primeros intercambiadores con regeneración a contracorriente y los primeros intercambiadores continuos. - Columnas de lecho fijo y regeneración en co-corriente: el diámetro de la columna que contiene la resina se calcula en función del caudal y de la velocidad lineal de percolación deseada. La altura del lecho de resinas debe ser superior a 1 m, ya que en caso contrario no pueden evitarse.

Importantes fugas, e inferior a 2 m, con el fin de limitar las pérdidas de carga durante el desplazamiento (que dependen simultáneamente de la granulometría de las resinas, de la naturaleza y la temperatura del líquido que entra, así como de su velocidad de desplazamiento). La concepción de la rejilla de drenaje que sostiene el lecho de resinas es muy importante ya

que debe permitir el normal desplazamiento del líquido sin que haya corrientes preferenciales. Un distribuidor formado por varias conducciones permite repartir uniformemente el líquido a tratar por encima del lecho de resinas .Este debe hallarse a una distancia mínima de la capa, de manera que se reduzca la turbulencia de desplazamiento que tiende a perturbar la parte superior del lecho de resina y el gradiente de concentración de los iones a lo largo de la columna por efecto de agitación. Se puede llenar el espacio muerto comprendido entre la rejilla de drenaje y el extremo inferior de la columna con (representadas en la figura), con el fin de limitar las mezclas y conservar los gradientes de concentración. Otro problema es el del nivel del líquido en la columna: éste debe hallarse por encima del lecho de modo que se evite la formación de burbujas de aire y por debajo del distribuidor con el fin de evitar las mezclas de soluciones durante los cambios de etapa a lo largo del proceso. La válvula de salida se controla mediante un sistema neumático (la válvula de salida es solidaria de un presostato que capta la presión de aire comprimido retenido en la columna), o bien mediante un sistema hidráulico (dos flotadores correspondientes a los niveles mínimo y máximo). - Columnas de lecho fijo y regeneración en contra-corriente: el principal problema técnico de estos intercambiadores está en la dificultad de establecer corrientes ascendentes sin destrozar el lecho de resinas .Este problema se ha resuelto de maneras diferentes. En la figura 10 se representa un intercambiador a contra-corriente alemán (LURGI MBH). El producto a tratar entra por la parte inferior de la columna (conducción 5) después de haber pasado por el intercambiador de calor 2 y el caudalímetro 14. A continuación se drena por una rejilla intermedia (trazo fuerte de puntos que representa las conducciones de drenaje sobre la parte intermedia cónica de la columna). El líquido tratado de esta manera sale por la conducción 6. Con el fin de evitar la subida del lecho, se retoma una parte del líquido mediante la bomba 3 que vuelve a entrar en la columna por el distribuidor superior (trazos de puntos). Al ser menor el diámetro del cilindro superior que el del cilindro

Columna de lecho fijo en contracorriente

Inferior, es suficiente un bajo caudal de líquido reciclado en la columna para mantener la contra-presión necesaria para el mantenimiento del lecho de resina. Durante la regeneración, la solución introducida por el distribuidor superior circula en corriente descendiente (entrada de los degenerantes por 8 y 9. En 7 hay una entrada de agua). En algunas fábricas húngaras se emplea otro tipo de intercambiador (Fig. 11, BMAGRYLLUS) para la descalcificación de zumo de remolacha. El espacio muerto comprendido entre el lecho y la parte superior de la columna es lo suficiente mente justo para el hinchamiento de las resinas.

Intercambiadores continuos: la primera idea que uno se plantea para la construcción de un intercambiador continuo es la de sustituir la discontinuidad en el espacio creando un aparato rotatorio compuesto por cierto de numero de columnas elementales que corresponden a cada fase del ciclo de intercambio iónico. En este sistema las columnas de resina están situadas sobre una corona circular rotatoria cuya rotación esta controlada por un programador que introduce sucesivamente cada columna a las diversas fases de tratamiento. Las columnas están unidas a un distribuidor rotatorio dividido en tantas células como, columnas hay. Los efluentes se recogen en un canal circular dividido en tantas secciones como fases existen. Un sistema muy parecido, y en apariencia más astuto, dispone las columnas en series fijas. Las columnas están equipadas con válvulas neumáticas accionada por una serie de microinterruptores dispuestos sobre un cilindro cuyo eje de rotación esta equipado con tantas levas como numero de fases tiene el tratamiento. La rotación de las levas, dirigida por un programador, provoca la apertura o el cerrado de las válvulas neumáticas mediante microinterruptores.

Intercambiador de Amalgated Sugar Company

Este tipo de intercambiadores, aunque trabaje en continuo, en realidad son de lechos fijos y mantienen los inconvenientes que ello comporta: volumen relativamente importante de agua de extracción y aclarado, trabajo con rendimientos de saturación y regeneración relativamente inferiores a los teóricos. Por todo ello aparece la idea de hacer circular la resina, al igual que el líquido a tratar, a contra-corriente. Esta idea (concebida por los japoneses) dio origen al sistema ASAHI, que luego fue adoptado y modificado por DEGREMONT. En la figura podemos ver como el aparato comprende:

- una columna de saturación (A) - una columna de separación resina-líquido bruto (AS) - una columna de regeneración (AR) - una columna de lavado (AL) Por lo tanto el intercambio iónico propiamente dicho tiene lugar en la columna (A) con llegada del líquido a tratar por la parte baja y salida por la válvula 2. En este caso la resina se mantiene compacta y sobre la rejilla de escurrido superior gracias a la velocidad del líquido. Una parte de la resina, saturada previamente, esta almacenada en el fondo de la columna (AS). El desplazamiento del líquido de entrada crea una sobre-presión suficiente para permitir el transporte de la resina saturada hacia la tolva (T2) mediante la válvula 3. El flujo de la resina se detiene automáticamente cuando se ha llenado la tolva. Un débil caudal del líquido en exceso se escapa por rebozado de T2 y vuelve a la reserva de líquido bruto. El contenido de T2 se vierte periódicamente en la columna (AS). Inyectando agua por abajo (válvula automática 6) capta progresivamente el líquido bruto contenido en la columna a través del lecho de resina compactado. El líquido sale por la válvula 7 y el rotámetro R2 y vuelve a la reserva de líquido bruto. Simultáneamente, la fracción de resina lavada anteriormente y almacenada en la parte baja de la columna se transfiere con el agua bruta mediante la válvula 8 hasta la tolva T3. Entonces, un programador provoca la apertura de la válvula de descarga 9 con el fin de extraer el agua de separación mediante escurrido. La columna de regeneración (AR) funciona según el mismo principio que la columna de saturación. El regenerante concentrado, aspirado por la bomba de dosificación (P1), es diluido mediante apertura de la válvula 14 y el rotámetro R4. La fracción de resina regenerada anteriormente se manda hasta la tolva (T4) pasando por la válvula 15. Durante este tiempo la columna se carga (válvula de descarga 16). La resina llega a la torre de lavado (AL) a través de la llave automática 18. Simultáneamente una corriente ascendente de agua recorre esta torre (válvula 19 y rotámetro R5). Después del lavado, la resina pasa por la válvula 20 y rellena la tolva T1. Antes de recargar la columna (A) con resina lavada, un programador provoca el cierre de la válvula de admisión 1 y la apertura de la válvula de descarga 4 (un dispositivo impide la fuga de resina). El liquido bruto así extraído vuelve al tanque de reserva. Entonces se descompacta la resina y rellena el espacio cónico inferior escurrido anteriormente. Este proceso relativamente complicado permite, sin embargo, un mejor uso de la resina y del regenerante, y por lo tanto un funcionamiento más económico.

Procedimiento ASAHI-DEGREMONT

TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS

Consiste en el tratamiento que se hace dentro del equipo complementario al tratamiento externo. El tratamiento externo nunca es el 100% efectivo, básicamente por limitaciones de los equipos y por razones económicas. El grado de calidad del agua es cada vez más exigente a mayores presiones de trabajo, por eso a falta de un buen tratamiento las consecuencias que se producen son:      

Fallas del equipo Alto mantenimiento Pérdida de eficacia Reposición prematura ( equipos y cañerías) Roturas Accidentes

Todas estas consecuencias son a causa, como ya dijimos de un tratamiento incorrecto que provoca inconvenientes serios o muy serios, que se clasifican en tres tipos:

1-) Incrustaciones. 2-) Corrosion (en el domo y líneas de agua) 3-) Arrastre.

Por lo visto, concluimos que entonces el principal objetivo de este tratamiento en la prevención de estos problemas. Un correcto tratamiento debe causar los siguientes efectos:  Reaccionar con la dureza del agua para evitar incrustaciones en las superficies de transferencia de calor.  Acondicionar o dispersar las partículas de lodos de dureza precipitada, óxidos metálicos, etc. De forma de producir lodos no adherentes a la superficie del metal y fácilmente removibles por las purgas.  Eliminar el oxigeno disuelto, y mantener el pH en valores de diseño, para reducir las posibilidades de corrosión.  Preservar la pureza del vapor, evitando la formación de espumas, manteniendo en niveles de diseño los sólidos disueltos y en suspensión. · Condiciones que debe cumplir el agua de alimentación: El agua de alimentación debe estar exenta de impurezas, ya que en caso contrario estas se adherirán a las paredes interiores de la caldera en forma de incrustaciones o de barros. Los gases producen corrosiones, y las sustancias orgánicas en suspensión favorecen la formación de espumas y la aparición de ruidos. Las incrustaciones empeoran la transmisión térmica y originan acumulaciones de calor. a) Dureza: Los cuerpos que forman incrustaciones son los sulfatos, carbonatos, cloruros, nitratos y silicatos de calcio y de magnesio. Los bicarbonatos solubles en agua Ca(HCO3)2 y Mg (HCO3)2 forman la dureza de carbonato o transitoria. Cuando se calienta el agua, se separan los cuerpos térreos CaCO3 Y MgCO3. La dureza que no es de carbonato o permanente, es producida por los sulfatos, cloruros, nitratos y silicatos siguientes: CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2,

Ca(NO3)2, Mg(NO3)2 y CaSiO3, que no se alteran con el caldeo. Estos son los más importantes cuerpos que transforman las incrustaciones, y especialmente en presencia del yeso (CaSO4). La dureza del agua se mide en grados alemanes de dureza (ºd); 1º dH corresponde a 10 mg de CaO (Cal) o a 7,14 mg de MgO (Magnesia) en 1 l de agua. 1º dH =1,787 grd dureza francesa = 1,25 grd. Dureza inglesa. La dureza total es la suma de las durezas de cal y magnesio. La dureza residual del agua de alimentación después del proceso de desendurecimiento puede llegar de 1º hasta 2º dH en las calderas de gran volumen en la cámara de agua, 64 at efect, la dureza residual podrá ser < 0,1º dH)

b) Densidad: La densidad es una medida del contenido en sales del agua de la caldera. Las sales no separadas en el proceso de desendurecimiento dan, junto con el exceso de sustancias empleadas en dicha operación, el contenido total de sales. Para medir la densidad se emplea el densímetro de Baume (areómetro). 1º Be corresponde a un contenido de 10gr de ClNa o a 8gr de Na2SO4 o a 7gr de Na2CO3, O a 6gr de NaOH en 1 l de agua a 20ºC. El peso específico del agua es entonces de 1,007 kg/l. Una elevada cantidad de sales origina espumas, y en los cambios de carga es causa de ruidos en la caldera y de depósitos salinos en las turbinas. El máximo contenido en sales del agua de las calderas puede llegar, en las de gran cámara de agua, hasta los 2º Be; en las de tubos de agua podrá llegar a 0,3 Be hasta las 40 at; a 0,25 Be hasta las 64 at, y a 0,2 Be cuando la presión pase las 80 at. La densidad del agua se regula mediante purgas periódicas o continuas. La cantidad de agua que se ha de purgar es, aproximadamente, X= 100.a En % de la producción de vapor A- a a= contenido de sales en el agua de alimentación, en mg/l. A= contenido de sales admisibles en el agua de la caldera, en mg/l La perdida de calor, que es inevitable se produzca con la purga, puede disminuirse utilizando el calor del agua de purga para calentar el agua bruta, para preparar el agua, etc. c) Alcalinidad: Una medida de la alcalinidad del agua de la caldera, necesaria para poderla proteger contra incrustaciones y corrosiones, es el coeficiente de sodio. Coeficiente de sodio

NZ= NaOH + Na2CO3 + Na2SO4 + Na3PO4 (crist.) en mg/l. 4.5 4.5 1.5 en vez del coeficiente de sodio, es más fácil juzgar de la dureza de un agua por el coeficiente de alcalinidad AZ, que es un valor 40 veces superior al de la alcalinidad a la fenolftaleína.

Valores de orientación para el coeficiente de alcalinidad: At efect AZ + 50%

16

25

32

40

350

250

200

150

64 75

80

>100

40

30

Además de AZ, es necesario dar el contenido de fosfato, que deberá estar comprendido entre 10 y 30 mg/l, para evitar la acción de la dureza residual que haya quedado. La adición de fosfato al agua de alimentación se realiza mediante ácido fosforito diluido H3PO4, o fosfato trisódico Na3PO4. Para comprobar si él tiene reacción ácida o alcalina, se observa la concentración de iones hidrogeno, es decir, el número de pH. En una solución neutra se tiene pH =7. En el agua acidulada, pH7. Para el agua de alimentación de calderas debe ser pH > 9.2 a los 22ºC. la medición del valor de pH se realiza mediante comparación de una prueba del liquido indicador con una escala de colores.

· Formación de incrustaciones: Las incrustaciones se deben a la precipitación de ciertas sales disueltas en el agua, cuando la concentración de las mismas, debido a la evaporación resulta mayor que su solubilidad. Las sales contenidas en el agua de alimentación de las calderas pueden subdividirse en dos grandes grupos: 1-) Las muy solubles. 2-) Las relativamente poco solubles. Las sales muy solubles raramente forman incrustaciones y solo se encuentran trozos de ellas en las incrustaciones de las calderas; Entre estas cabe citar a los cloruros y sulfatos de sodio y magnesio y algunos silicatos. Las sales poco solubles pueden subdividirse en: a-) Cuya solubilidad aumenta con la temperatura. b- ) Cuya solubilidad disminuye con la temperatura. Las primeras, también llamadas amorfas, se depositaran difícilmente en las superficies muy calientes de la caldera, encontrándose entre ellas el carbonato de calcio y el hidróxido de magnesio. En cambio se depositan en las superficies relativamente frías. El carbonato de calcio e hidróxido de magnesio, como ya dijimos tienen un pequeño pero definido aumento de la solubilidad con la temperatura, y en estos compuestos las condiciones de saturación se alcanzan en masa del agua antes de llegar a la superficie del metal y ellas se precipitan en su mayor parte como substancias en suspensión y no forman incrustaciones adheridas en el lugar. Las que forman mayor cantidad de incrustaciones son las de segunda, especialmente en las partes más calientes de la caldera y con preferencia en los tubos. El sulfato de calcio es el compuesto más importante que forma este tipo de incrustaciones adherentes y duras, con gran capacidad de aislación de calor y resistentes a mecanismos de eliminación (mecánicos o químicos).

La presencia de las incrustaciones en las calderas origina los siguientes inconvenientes: 1-) Aumenta es espesor de la pared a través de la cual debe pasar el calor, y como su conductividad es 20 veces menor que la del acero, se comprende que el paso del calor sea más dificultoso a medida que crece el espesor reduciéndose la capacidad de la caldera y el rendimiento de la misma. 2-) Como consecuencia de la dificultad que experimenta el calor para atravesar los tubos o las chapas, o siendo defectuoso su enfriamiento por la parte interna, el metal se recalienta y se debilita con el consiguiente calor. En las calderas modernas como el calor que pasa por metro cuadrado de superficie de calefacción y por hora es muy grande, el espesor de la incrustación no puede ser excesivo para que no aparezcan los inconvenientes señalados en 2. Por ejemplo, para las presiones de 25 Kg/cm2 y admitiendo que la temperatura continua de seguridad es de 480°C, puede aumentarse la temperatura de los tubos si estos son de acero y de bajo contenido de carbono, en unos 240°C. · Tratamiento químico:

-

Método del carbonatos:

La formación de las incrustaciones de sulfato de calcio puede evitarse si el agua de alimentación se trata de modo que en el periodo de evaporación en la caldera los compuestos de calcio se depositan como carbonato de calcio y no como sulfato de calcio. Esto se consigue manteniendo en el agua de caldera una concentración suficientemente alta de ion carbonato con respecto al ion sulfato, porque con concentraciones más altas del ion carbonato mayor será la probabilidad del producto de solubilidad del carbonato de calcio, alcanzándose antes que el sulfato de calcio. La concentración de CO3 respecto del SO4 requerida para evitar la deposición del sulfato de calcio a la presión de operación de la caldera depende de los productos de solubilidad de los dos compuestos a la temperatura correspondientes. Hay por eso una relación mínima CO3 la cual debe mantenerse a una presión particular y en razón de las SO4 Relaciones de solubilidad de los dos compuestos, esta relación mínima aumenta con la presión de la caldera. Para obtener esta concentración de carbonato se agrega (carbonato soluble) carbonato de sodio para calderas de baja presión. Manteniendo la relación CO3 SO4 En el agua, no ocurre acción cáustica quebradiza y tales condiciones pueden controlarse por ensayos analíticos. La cantidad de carbonato de sodio agregado además de mantener la relación debe dar una alcalinidad cáustica lo más baja posible; la alcalinidad total excederá a la dureza residual en suficiente cantidad para mantener la relación requerida CO3 - SO4 en la presión de operación de la caldera. En el caso de calderas de alta presión el método de carbonato se hace difícil, porque el valor de la relación crítica CO3 se eleva rápidamente con la presión y por la SO4 Extensión en la cual el carbonato de sodio se transforma en hidróxido de sodio cuando aumenta la presión. Al elevarse la presión de operación se hace imposible mantener la relación sin elevar la concentración del hidróxido de sodio. Una alcalinidad caustica puede desarrollar posibilidades de acción caustica quebradiza y así a altas presiones se hace imposible mantener

las condiciones para evitar las incrustaciones, sin incurrir en el riesgo de acción caustica quebradiza del metal. Las presiones donde debe tenerse en cuenta son las superiores a 225-250 libras. El método empleado para evitar esta falla del carbonato de sodio es la sustitución del CO3 por un ion capaz de formar compuestos de calcio de baja solubilidad. Hall empleo así el fosfato trisódico, con gran éxito.

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Control de incrustaciones por uso de quelantes:

Los quelantes forman complejos solubles con cationes tipo Ca;Mg;Fe;Fe. Estos complejos se mantienen en solución, y por lo tanto no precipitan las sales insolubles. Todo esto depende de la concentración de aniones que compiten con los quelantes, (CO3, SiO2, SO4, PO4, OH). Se usan fundamentalmente para mantener en solución el férrico y ferroso que pueden retornar con el condensado. Básicamente se usan EDTA y NTA (acido nitrilo triacetico)

Ca (EDTA)

Ca2 + (EDTA)4

Log Ks = log (Ca EDTA) (Ca2 ) (EDTA)4

Log Ks (EDTA) 10,6 8,7

Ca Mg

Log Ks (NTA) 6,4 5,4

Fe2

14,3

8,8

3

25,1

15,9

Fe

Para utilizar este tipo de tratamiento se deben tener en cuenta los siguientes puntos:  Dureza a tratar debe de ser menor que 12 ppm para disminuir costos.  Se deben utilizar a bajas y medias presiones ya que a altas temperaturas se degradan. EDTA se degrada a 300 psi y NTA a 900 psi. La degradación es muy rápida, por lo tanto muy peligrosa ya que si esto sucede los catines quedan libres y se producen bruscos precipitados.  Se dosifican en agua de alimentación ya que una vez formados los complejos, estos resisten hasta 1300 psi.  El agua debe de estar libres de oxigeno ya que en presencia de este, los quelantes aceleran notablemente el proceso de corrosión en las líneas de retorno del condensado. A su vez los quelantes son muy agresivos al cobre, bronce, latones. -

Eliminación de dureza por agregado de fosfatos:

El tratamiento con fosfatos ofrece el mejor tratamiento de la dureza cálcica ya que el KPS del Ca3(PO4)2 es mucho menor que la del carbonato de calcio y sulfato de calcio, a la temperatura del domo del generador. 10 Ca2 + 6PO4

Ca10(OH)2(PO4)6

El Ca2 precipita básicamente como hidroxiapatita, barro suave, no adherente, que es fácilmente removido por la purga. El Mg2 precipita como Mg(OH) 2 de las mismas características. · Corrosión: Algunas de las sales resultan perjudiciales aun cuando su presencia en el agua de la caldera sea muy pequeña. Entre ellas se encuentra el cloruro de magnesio, el sulfato de magnesio, el nitrato de magnesio y cloruro de calcio; todas estas sales inestables en las condiciones reinantes en las calderas y que, al descomponerse, producen ácidos libres. El cloruro de magnesio al hidrolizarse, por la acción del calor, produce acido clorhídrico que ataca al hierro apareciendo al cloruro de hierro que se descompone regenerándose en acido clorhídrico, iniciándose otra vez el ciclo de corrosión. Lo mismo ocurre con el nitrato de magnesio, en este caso aparece hidróxido de hierro y acido nítrico. En cambio, el sulfato de magnesio reacciona con el cloruro de sodio produciéndose cloruro de magnesio que actúa como se indico anteriormente. Los gases disueltos, particularmente el oxigeno, también son de acción corrosiva. Estos gases disueltos entran en el agua de alimentación y luego son liberados en la caldera. El CO2 desprenden CO2. Entre los gases disueltos en el agua, el oxigeno en particular, y también el dióxido de carbono son sumamente perjudiciales y atacan con energía los materiales de que están constituidos las calderas, especialmente en presencia de distintos catalizadores. La solubilidad es, entre otras cosas, una función de la tensión parcial y por lo tanto también la temperatura del agua. Un litro de agua disuelve, por ejemplo a: 0°C ……………………………. 10.19 cm de oxigeno 20°C……………………………6.36 cm de oxigeno 100°C…………………………..0.0 cm de oxigeno. Todas estas sales disueltas o los gases disueltos generan cada uno de ellos un tipo de corrosión distinto. Estos pueden ser:

Corrosión uniforme: es un ataque parejo en toda la superficie del metal, haciendo que su espesor disminuya uniformemente. Difícil que suceda en forma sostenida en el tiempo. Si así fuera, es predecible la vida útil del equipo. Corrosión localizada: es un ataque puntiforme (picado por las condiciones del domo) y puede perforar el metal en tiempos relativamente cortos. Se forman pequeños sitios de in anódicos locales altamente activos. La reducción del oxigeno en el cátodo (de mayor área) acelera la reacción. Por ejemplo:

  

El oxigeno genera una corrosión localizada, denominada ―pitting‖ pH bajos < 9: corrosión generalizada. ph altos > 13: fragilidad caustica.

Como evitar la corrosión:

La corrosión en las calderas se evita utilizando los métodos que se detallan y describen a continuación. Según el caso, podrá emplearse uno o varios a la vez de ello, dependerá del agua utilizada y de las condiciones de funcionamiento de la planta generadora de vapor. 1-) Desgasificando el agua. a-) Por vía química. Para ello se utilizan sustancias fácilmente oxidables que privan al agua de su oxigeno libre. En las plantas fijas se utiliza comúnmente el hierro en forma de virutas para que las superficies de contacto con el agua sea grande. Conviene utilizar el hierro que se oxide con facilidad, como es el que contiene menos de 1% de manganeso. El carbono grafítico reduce la actividad del hierro. Al ponerse en agua en contacto con el hierro se oxigeno libre se oxida produciéndose hidrato férrico insoluble. En los aparatos desgasificadores, que utilizan este principio, entre los que puede citarse al Kestner, todo esto está dispuesto de modo que el agua al atravesarlo oxida solo una parte del hierro mientras que la otra es regenerada. Al invertir el sentido de la corriente liquida se oxida la parte del hierro que anteriormente se regeneraba, y en cambio, se sucede el fenómeno contrario en la otra fracción del hierro. Para que el hidróxido ferroso no pase a la caldera, el aparato posee filtros adecuados que detienen estas sustancias. Con este sistema se puede obtener agua cuyo contenido de oxigeno no sea mayor de 0.5 ml por litro. b- ) Por vía mecánica Para la eliminación de gases disueltos combinaremos un proceso de tratamiento externo con uno de tratamiento interno. En el caso del tratamiento externo, esto se produce en equipos llamados, DESAIREADORES. En estos equipos se aplican tres fenómenos básicos. 1) Ley de Henry: La concentración de un gas disuelto es proporcional a la presión del gas en la atmósfera en equilibrio con la solución. p=Hx 2) Ley de Dalton La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de sus presiones parciales. P=

pi

3) La solubilidad de un gas es inversamente proporcional a T Esto es así ya que H, constante de Henry, es una constante de equilibrio y por lo tanto es H = H (T).

Efectivamente, podemos ver en la Tabla siguiente algunos valores de la constante de Henry para diferentes temperaturas para el O2 y para el N2 (H x 10-4), donde H está expresada en atmósferas de presión de soluto en la fase gaseosa por unidad de concentración del soluto en la fase líquida (moles de soluto por moles de solución).

T (°C)

H (O2)

H (N2)

0

2.55

5.29

10

3.27

6.68

20

4.01

8.04

30

4.75

9.24

40

5.35

10.4

50

5.88

11.3

60

6.29

12.0

80

6.87

12.6

100

7.01

12.6

(Fuente: Perry 5ta. Ed., tablas 3-141 y 3-139) A su vez, podemos determinar a partir de esta información, que es diferente la relación de concentraciones O2 / N2 en el aire que en el aire disuelto en agua. Mientras que en la atmósfera la relación es 21 / 79, haciendo cuentas con esos datos llegamos a la conclusión de que para el aire disuelto en agua se mantiene una proporción de 34 / 66, lo que indica que el oxígeno es más soluble en agua que el nitrógeno. Aplicando los tres principios enunciados previamente, para un correcto tratamiento del agua a desairear, debemos operar equipos en los que podamos mantener, por encima del agua a tratar, una atmósfera con ausencia del gas que queremos eliminar y trabajar a altas temperaturas. Efectivamente, si mantenemos una corriente continua de un gas, con ausencia de O2 y N2, y operamos a una alta temperatura, podemos afirmar que el O2, el N2 y el CO2, pasarán a la fase vapor, para que se mantenga el equilibrio predicho por la ley de Henry. En el caso particular del CO2, la solubilidad de éste, que es relativamente más grande que la del aire, se ve afectada, a su vez, porque éste participa de los equilibrios con HCO3- y CO3=.

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ HCO3- CO3= + H+ Si bien estos equilibrios se desplazan hacia la izquierda al aumentar la temperatura, son muy influenciadas por el pH. Por lo tanto, ningún equipo podrá remover CO2 con la misma eficiencia con que remueve O2 o N2, a menos que trabaje a muy bajos valores de pH, lo que resulta inaceptable desde el punto de vista del equipo. · Un equipo desaireador debe combinar: 1) Máximo contacto líquido-vapor para favorecer la transferencia de masa. Esta condición se logra usando torres rellenas o equipos de platos o combinaciones de ambos. En estas torres, el agua a desairear entra en contracorriente con vapor de agua que recorrió previamente el tanque de almacenamiento de agua desaireada, a los efectos de mantener ésta a una temperatura alta y arrastrar toda posible traza que haya quedado. Los tanques de almacenamiento están unidos a la torre de desaireación y reciben directamente el agua tratada en ésta. Es de fundamental importancia mantener un estricto control sobre el nivel de este tanque de almacenamiento, ya que, en el caso de que este nivel suba sin control, llene el tanque y comience a inundar la torre de desaireación, la superficie de intercambio disminuirá y caerá bruscamente la eficiencia del equipo, no lográndose una adecuada desaireación, aunque todos los parámetros básicos (caudal de vapor, temperatura) sean los correctos. Sucede con frecuencia que un equipo, que opera correctamente desde el punto de vista de la temperatura y caudales de agua a tratar y de vapor de tratamiento, no desairea correctamente porque el nivel del tanque de almacenamiento no es el correcto (falla del instrumento de control de nivel) y la torre se inunda. 2) Alta temperatura, lo más próxima posible a la temperatura de ebullición del agua. Esto se puede lograr trabajando en equipos a vacío. Estos son equipos relativamente sencillos y de baja inversión inicial. Sin embargo, se prefiere trabajar en equipos a presión, donde se pueden alcanzar temperaturas del orden de los 105 - 110 °C manteniendo el agua líquida, sin entrar en ebullición. A mayor temperatura tenemos menor viscosidad del agua, por lo que la transferencia se ve notoriamente favorecida. Deberá tenerse en cuenta que los procesos de corrosión por gases disueltos se ven notoriamente favorecidos por la temperatura, por lo que es tremendamente importante trabajar a valores cercanos al de ebullición del agua para asegurar la total eliminación de los gases.

En el caso en que el equipo trabaje a temperaturas intermedias, por mala operación o sencillamente por un deficiente control de este parámetro, el efecto logrado es altamente perjudicial, ya que, al no eliminar completamente los gases disueltos, pero teniendo una temperatura relativamente elevada, se aceleran los fenómenos de corrosión en el equipo desaireador y todos los equipos que se encuentran aguas abajo (cañerías, bombas, etc.). Este fenómeno de corrosión recién desaparece dentro del generador de vapor, ya que aquí el oxígeno disuelto es eliminado por el tratamiento interno. Por debajo de 100 °C la presión de vapor del agua varía poco con la temperatura, mientras que por encima de dicho valor esta variación es importante. En efecto:

60 - 70

80 - 90

0.11

0.22

(°C)

100 110 0.46

120 - 130 0.73

(atm)

Por lo tanto, los equipos que trabajan a vacío serán comandados por termostatos, mientras que los que trabajan a presión, serán comandados por presostatos. 3) Obtención, en la atmósfera dentro del equipo, de una presión parcial del gas a eliminar, menor que la que indica la ley de Henry como presión de equilibrio, para la concentración final que queremos obtener. La elección del vapor de agua como "gas" para desairear se justifica por las siguientes razones: 

Está fácilmente disponible en planta y a bajo costo.

 Calienta el agua y, en la medida que sigue entrando al equipo, la mantiene caliente. 

No contamina el agua tratada hasta ese momento.

 No hay pérdidas, ya que un equipo operando correctamente y con dispositivos recuperadores, condensa todo el vapor que en él ingresa, venteándose solamente los incondensables, o sea los gases disueltos que queremos eliminar (O2, N2, CO2) Los equipos que trabajan a presión son más eficientes que los que trabajan a vacío. Efectivamente, en estos se pueden obtener residuales de O2 menores que 0.005 mL/L o sea 6.5 ppb (6.5 partes por mil millones). En los equipos que trabajan a vacío se considera una eliminación aceptable cuando se logran residuales de 0.25 mL/L o sea 0.33 ppm.

· Desgasificador a vacio

Un desgasificador a vacío típico puede verse en la figura siguiente.

Estos constan, básicamente, de un recipiente cerrado, donde un relleno (1), sostenido por una parrilla y por encima de la cual una serie de pulverizadores (2) dispersan el agua, actúa como medio de intercambio líquido-vapor. En este relleno se asegura el máximo contacto agua-vapor, favorecido, a su vez, por la dispersión que se logra en los pulverizadores. Un eyector de vapor (3), o en algunos casos simplemente una bomba de vacío, mantienen el equipo a la presión correspondiente a la temperatura de ebullición del agua o muy próxima a ésta. El equipo debería funcionar a una presión total igual a la presión de vapor del agua más la suma de las presiones parciales de los gases que se están desprendiendo. El eyector debe permitir que evacuen al exterior los incondensables que se están separando del agua más el vapor en equilibrio a esa presión. Sin embargo, se inyecta vapor de agua a través de la cañería (4) ubicada debajo de la parrilla, para trabajar a mayor temperatura, lo que permite que el vacío no sea tan alto, y a su vez favorecer el desprendimiento de los incondensables. El ingreso de vapor se regula a través de una válvula, por la medida de la temperatura del equipo. A su vez, un control de nivel es el que regula el ingreso de agua a los pulverizadores. En el esquema estos controles pueden apreciarse a la derecha y a la izquierda del equipo, respectivamente.

· Desgasificador a presión:

Un modelo desgasificador a presión puede apreciarse en la figura siguiente.

Este equipo consta de un Domo o Torre de Desaireación (2), unido a un Tanque Desaireador o Tanque de Almacenamiento (12). El proceso se efectúa prácticamente en dos etapas: a) intercambio líquido-gas en el domo o torre desaireadora, entre el agua que ingresa a contracorriente con el vapor que abandona el tanque de almacenamiento b) barboteo del vapor que ingresa al tanque de almacenamiento en el agua almacenada en éste. El agua ingresa a la torre a través de pulverizadores (4) y se encuentra, a contracorriente, con el vapor que abandona el tanque de almacenamiento, luego de recorrer los platos o relleno de la torre (3). En este sector estamos prácticamente a la temperatura de ebullición del agua, en equilibrio a la presión de trabajo del equipo. Se logra el máximo contacto agua-vapor a la temperatura más alta posible, para las condiciones de trabajo del equipo. El máximo contacto se logra por la acción combinada de los pulverizadores y el relleno o platos. El último plato (8) está perforado de tal manera que el agua que abandona la torre entre al tanque de almacenamiento con un máximo contacto con el vapor que está ingresando. En este momento ya se ha logrado más del 95 % de desaireación; el resto se logrará en el barboteo de vapor en el agua almacenada en el tanque.

La salida del agua hacia el resto del proceso (generalmente alimentación al generador de vapor) se hace a través de la salida (11), en el extremo opuesto del ingreso, para evitar toda posibilidad de cortocircuitos. Los incondensables (O2, N2 , CO2) ingresan junto a posibles restos de vapor a la cabeza del domo (5) donde precalientan el agua que va a ser pulverizada en (4). En este punto los restos de vapor que pudieran escapar son condensados y devueltos como agua líquida al equipo, lográndose la máxima economía desde el punto de vista del uso del vapor. Los incondensables salen por un pequeño orificio en la cañería (7). Este orificio debe ser tal que permita la salida de los gases, pero mantenga la presión interna del equipo. Un equipo funcionando correctamente puede ser controlado cuando se siente que el equipo "sopla" por ese orificio y no se aprecia escape de vapor. El ingreso de agua está dado por el instrumento que controla el nivel del tanque de almacenamiento que comanda la válvula de alimentación (6). Este instrumento de nivel es el que puede fallar y provocar la "inundación" de la torre disminuyendo notoriamente la eficiencia del equipo. La presión interna del equipo se controla con el ingreso de vapor en la válvula (9). Puede darse el caso de que por una parada brusca haya una condensación repentina de todo el vapor en el equipo, lo que provocaría un súbito vacío. En este caso actuaría el sistema de seguridad (10) al romperse una membrana. En el caso de un aumento brusco de presión, salta el sello de agua del sifón (1), que a su vez, y en función de su altura de agua, es el que regula la presión interna en el equipo. · Prevención eléctrica de la corrosión: La teoría electroquímica enseña que la corrosión se debe a la formación de pequeñas pilas en las cuales la capa de la caldera es el polo negativo y la solución el polo positivo. Para combatir estos dos efectos eléctricos bastara hacer crear otra pila cuyo cátodo sea la chapa de la caldera. Esto se consigue introduciendo en aquella un trozo de metal anodino y haciendo circular una pequeña corriente. El agua de la caldera sigue actuando como electrolito y el metal anódico es el que se disuelve. También puede instalarse, en la caldera, una chapa de cinc, que fue por otra parte el primer método utilizado para combatir la corrosión, especialmente en la marina. En este caso, como el agua de mar contiene cloruro de sodio se origina, como ya se vio antes, acido clorhídrico, y el cinc de la pila cinc-hierro es atacado con preferencia el hierro, el acido se neutraliza y se evita el ataque de la chapa. En las instalaciones modernas no se puede contar sobre la acción dudosa del cinc para evitar la corrosión, y se prefiere casi universalmente mantener la alcalinidad del agua dentro de los limites prescriptos.

· Empleo de inhibidores: Los inhibidores son sustancias que agregadas al agua de la caldera evitan la oxidación de sus chapas. Entre los inhibidores se citan las siguientes sales de sodio: los cromatos, carbonatos, silicatos y arseniatos. Algunas de estas originan sales de hierro insolubles que se adhieren a la chapa de protegiéndola. Otras producen, sobre las regiones catódicas de las chapas, depósitos de una sustancia porosa no conductora e insoluble que evita la difusión del oxigeno hacia la chapa. Otros inhibidores son agentes oxidantes que también forman una capa protectora sobre las chapas. Los inhibidores deben utilizarse y regularse con mucho cuidado para evitar la aparición de corrosiones localizadas.

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Corrosión por O2 :

Por debajo de 1000 PSI, se usa Na2SO3 2 Na2SO3 + O2

2 Na2SO4

7,88 p.p.m. + 1 p.p.m.

La ausencia de oxigeno se controla por un exceso de SO3 en el domo del generador. La velocidad de esta reacción se ve afectada: a-) Temperatura: cada 18°F, se hace el doble; a 212°F (100°C) es instantánea. b-) pH: óptimos entre 9 y 10. Por encima de 1000 Psi, el Na2SO3 se descompone en H2S y SO3. Además a estas presiones y superiores, ya se hace intolerable el aporte de SSTT del SO3 y del SO4. En estos casos se utiliza la hidracina. N2H4

+ O2

2 H2O + N2

Los productos del esta reacción no agregan SSTT al domo del generador. El exceso se descompone en N2 y NH3. El NH3 se va con el vapor (arrastre) y puede atacar elementos de bronce y cobre en las líneas de condensado. La hidracina podría reaccionar con oxido férrico:

N2H4 +

6Fe2O3

Oxido férrico

4Fe3O4 + N2

+ 2 H2O

magnetita

Oxido cúprico:

N2H4 +

4CuO

2Cu2O

+

N2

+ 2 H2O

La magnetita y el oxido cuproso generan una capa protectora sobre la superficie de los tubos, produciéndose que estos sean menos susceptibles a la corrosión. El requerimiento de hidracina pura es: 1 p.p.m.

p.p.m. O2

0,048 p.p.m.

p.p.m. Fe3+

p.p.m. Cu2+

0,125 p.p.m.

En sistemas de alta presión la temperatura de la caldera en la alimentación de agua es usualmente alta, suficiente para permitir la efectividad del usos de hidrazina. Un catalizador orgánico fue desarrollado recientemente el cual aumento la velocidad de la reacción de la hidracina. La reacción básica de la hidracina catalizada o no catalizada es idéntica, excepto que en el caso de la hidracina, excepto que en el caso de la hidracina catalizada reacciona de 10 a 100 veces más rápido. N2H4 p.p.m.

HIDRAZINA

AMERZINE

-

50 200 500 50 200 500

% velocidad 13,5 54,4 73,0 59,5 86,5 91,5

Corrosión en la sección post-caldera:

Es el ataque del condensado a los tubos de la sección post-caldera. Así como el oxigeno, el gas carbónico se disuelve en el agua llegando a la caldera, cuando el agua es calentada, el gas carbónico es liberado con el vapor. El gas carbónico en las líneas de vapor de baja el pH del condensado, tornándose mas agresivo y provocando la corrosión de las líneas de condensado. A partir de 5 p.p.m. de dióxido de carbono ya hay severos ataques a las líneas de retorno de condensado. 1 p.p.m. CO2

pH: 5,5

4.3- Como evitarla Se evita este tipo de corrosión, adicionando aminas neutralizantes en la línea de agua de alimentación o directamente al generador de vapor. Las aminas neutralizantes son productos químicos que salen de la caldera junto con el vapor y eleva el pH del condensado cuando este se forma. La acción de las aminas impide la corrosión de las líneas de vapor neutralizando el H2CO3 y sus especies en equilibrio. Se usan mezclas de aminas neutralizantes. Cada amina tiene una diferente relación de distribución (RD) vapor-liquido. El tratamiento consiste elegir una mezcla de diferentes RD. A medida que la cantidad de condensado aumenta respecto a la cantidad de vapor, pasan a la fase liquida ―POR TURNOS‖, de manera de asegurar capacidad neutralizante en toda la línea.

Amoniaco Ciclohexilamina Bencilamina dietilaminoetanol

RD 10,0 4,7 3,5 1,7

PKb 2,25 2,65

morfolina

0,4

4,5

La elección de las aminas tienen en cuenta el factor RD entre la fase vapor y fase agua. RD es función de la presión. De la anterior tabla se deduce que la Morfolina tiene la mejor RD para neutralizar el condensado. A mayor RD , mayor concentración en el punto inicial de condensación y menor en el final. Por eso se usan mezclas. A menor PKb (basicidad de las aminas), menor la cantidad se requiere para alcanzar un mismo pH. La mezcla mas utilizada es la Ciclohexilamina-morfolina RD 4,7/0,4. Al consumirse todo el H2CO3 , el pH queda determinado por la hidrólisis de los remanentes de las aminas en solución. Este debe ser 8,0/9,0. El control y su dosificación se realizan controlando periódicamente el pH del condensado.

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Acción caustica quebradiza:

Es otro tipo de corrosión, que es la ruptura fina que comienza por agujerear remaches y de un gran debilitamiento y quebramiento del metal en la línea de los remaches. Pueden presentarse problemas de fragilización del metal, esta perdidas de elasticidad, también puede ocurrir por frecuente shocks térmicos en la caldera, al complementar si calentamiento previo el agua de repuesto para compensar las pérdidas por fugas de vapor o por purgas de la caldera. Las causas, son el carbonato de sodio, que se agrega para evitar la incrustación y por la descomposición del bicarbonato de sodio que tienen las aguas que se han ablandado con zeolitas. El bicarbonato de sodio se descompone: 2 CO3HNa

H2O +

CO2

+

CO3Na2

El carbonato de sodio resultante a temperatura y presión elevada al hidrolizarse rápidamente:

Na2CO3

+

H2O

2 NaOH

+ CO2

Se han observado que esta ruptura no ocurre en calderas con aguas que contienen NaOH y al mismo tiempo Na2 SO4 . Así la acción caustica quebradiza depende de la alcalinidad y puede evitarse parcialmente manteniendo baja la alcalinidad del agua de la caldera. Debe mantenerse una ligera alcalinidad para evitar la corrosión e incrustaciones. Se emplea como regulador de la acción caustica quebradiza el Na2SO4. THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINERING en su codex para calderas recomienda las siguientes relaciones definidas de sulfato (como Na2SO4) a alcalinidad total de hidróxido y carbonato de sodio (como Na2CO3 ); para bajas presiones (hasta 150 libras) 1:1 y 3:1 para calderas de alta presión (250 libras y mas). Otro tratamiento es el uso de un buffer de fosfatos para evitar la aparición descontrolada de OH- libres.

El buffer de fosfatos se autocontrola. Es imposible superar un pH: 12,5 en presencia de este buffer. Esto equivale a menos de un 0,1% de OH-. Para un control practico se debe verificar que en domo la relación Na/PO43- no supere el valor de 3. Debe ser 2,6 a 2,8.

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Alcalinidad

La alcalinidad de las aguas se debe a los bicarbonatos y también se puede deber al exceso de cal agregada en la corrección. La eliminación del bicarbonato de calcio y magnesio se puede hacer completamente por el proceso cal-soda, pero cuando se trata de una zeolita queda una cantidad equivalente de CO3HNa. En este caso el bicarbonato de sodio se elimina por tratamiento químico con H2SO4 y separa luego el CO2 regula el pH del agua, reduciéndose así la alcalinidad. Hoy se emplea el material sintético ― Zeo-Karb‖, que opera en el ciclo de hidrogeno o del sodio. El ion sodio se cambia por el calcio y después se regenera con acido, donde el calcio se reemplaza por el ion hidrógeno y se usa de nuevo.

ZeNa + Ca(CO3H) 2

ZeCa + 2NaCO3H

ZeCa + 2HCl

Cl2Ca + ZeH2

Ze H2 + 2 NaCO3H

2ZeNa2 + 2CO2 + 2 H2O

Así un agua con bicarbonato de calcio, se convierte en un agua con bicarbonato de sodio, este pasa a CO2 , que se elimina por calentamiento. -

Formación de espumas y arrastre de agua

La espuma en las calderas de vapor es la acumulación de burbujas estables que están cubiertas por películas liquidas de tal espesor, que el agua es llevada mecánicamente dentro de las líneas de vapor. Esto produce arrastre. Se considera arrastre a cualquier contaminante del vapor, que abandona el domo, junto con este. Estos contaminantes pueden ser sólidos, líquidos, gas. Sólidos: Sólidos en suspensión, que se formaron por precipitación de sales, en forma de barros. Liquidos: Agua líquida que sale del domo como humedad en el vapor. Esta a su vez, arrastra sólidos disueltos. Gases: O2, CO2, N2, SiO2. Estas sustancias tienen un efecto pernicioso sobre el rendimiento de la caldera puesto que el agua que pasa de la cañería no produce trabajo, habiéndose gastado calor para calentarla. Las sales que arrastra el agua en el vapor se depositan sobre las paredes de los caños, cilindros, en las hojas de la turbina y otros dispositivos (aguas abajo del generador) reduciéndose se eficiencia. También generan incrustaciones en los sobrecalentadores, haciendo que se quemen. Producen erosión en

cañerías, fundamentalmente en cambios de dirección: curvas, coso, etc. Y contaminación en procesos que utilizan vapor vivo para calentamiento. La espuma es un fenómeno de soluciones ya que los líquidos puros no hacen espuma. La formación de esta se debe a la presencia de aceites y grasas que contienen productos saponificables o a la concentración elevada de sales soluble es y/o materias solidase en suspensión. También tiene influencia sobre la formación de espuma:      

El diseño incorrecto del equipo (separadores del domo) Altos niveles de agua. Sobre carga o demandas bruscas. Alto contenido en SSTT. Excesiva alcalinidad. Vaporización selectiva de SiO2.

Si el agua no contiene sustancias en suspensión, a medida que crece la carga de la caldera, más pequeño debe ser su contenido de sólidos disuelto, para que no aparezcan espumas. En las plantas industriales modernas la concentración máxima de sustancias disuelta es de 2000 a 5000 p.p.m. En las centrales es de 500 a 1000 p.p.m. El principal medio de evitar la espuma, es regular los sólidos disueltos en el agua de la caldera. Se debe mantener la alcalinidad dentro de un mínimo para protegerlo contra la corrosión y debe reducirse la concentración de todas las sales a intervalos, separando periódicamente una parte del agua de la caldera y reemplazándola por agua de alimentación. El arrastre del agua, provocando por la presencia de excesiva espuma, puede evitarse en parte proyectando la unidad de manera que el nivel del agua se mantenga lo más bajo posible compatible con la seguridad de la caldera. Debe tenerse cuidado de no abrir súbitamente las válvulas de gran tamaño, pues la brusca salida de vapor de la caldera es una de las causa de arrastre de agua. La formación de espuma puede combatirse también agregando ciertos productos químicos que actúan disminuyendo la tensión superficial.(ácidos gálicos y tánicos y sus compuestos, el aceite de resino, a los ácidos tarticos, cítricos y sus compuestos, el colesterol y el alcohol monohidrico). 8- Evaporación selectiva de sílice La sílice empieza a evaporarse significativamente por encima de 400 psi, mientras otros componentes recién lo hacen de 2400 psi. En calderas de alta presión la única manera de evitar problemas de la evaporación de la sílice es a través de un buen tratamiento externo (desmineralización). Este tratamiento debe ser bien controlado ya que si supera el contenido de 1 p.p.b. de sílice los inconvenientes producidos pueden ser demasiados perjudiciales. En cambio en una caldera de baja o mediana presión, sería demasiado gasto desmineralizar al agua para eliminar la sílice. Entonces lo que se hace es un tratamiento alcalino. Este tratamiento consiste en trabajar con el agua de la caldera a un pH alcalino (12,5), de esta forma la sílice va a formar un barro no adherente (SiO4 Na2) es fácil eliminar a través de la purga. -

Purgas:

Remoción parcial del agua del domo, altamente concentrada, para ser sustituida por agua fresca, de menor concentración.

El propósito de las purgas es mantener los niveles de impurezas dentro de los límites aceptables. Porcentaje de purgas: (P/F) x 100 % Valores oscilan entre 1% y 20%.

Purgas manuales o de fondo: Apertura de un válvula de fondo, durante algunos segundos, permitiendo la descarga un ―pulso‖. Remueve barros de fondo, que se van acumulando, desde la purga anterior. Aplicables a bajas presiones, bajas tasas de combustión (equipos pequeños) y regulares o malos tratamientos externos. Control de purgas se hace de acuerdo a chequeos periódicos del agua del domo. Purgas continuas: Remoción continúa de agua del domo, para ser reemplazada por agua fresca. El agua se retira desde el nivel superior, mediante una conexión que tiene una regulación de caudal. Permite un mejor control de los caudales involucrados y, por lo tanto, economías en el tratamiento. La mayor ventaja económica es que permite recuperación del calor. Purgas insuficientes Con las descargas insuficientes, aumentan las impurezas en el interior de la caldera, facilitando la formación de depósitos. Los productos químicos se concentran exageradamente alterando el tratamiento. Purgas excesivas Con descargas excesivas se eleva el costo de producción de vapor porque se pierde calor que sale con el agua de purga, además de disminuir al residual de químicos en la caldera arriesgando el tratamiento. Así vemos, que precisa que las purgas sean exactamente la cantidad requerida por la caldera y de acuerdo con las recomendaciones del laboratorio. El número de purgas puede variar de caldera en caldera, así trabajen juntas. Como realizar una buena purga de fondo si la caldera dispone de una válvula de compuerta y una de cierre rápido, el procedimiento debe ser el siguiente: abcde-

Abrir totalmente la válvula de compuerta. Abrir totalmente la válvula de cierra rápido durante 10 segundos. Cerrar suavemente la válvula de cierre rápido Repetir la operación el número de veces que sea recomendado por el laboratorio. Después de esta operación, cerrar la válvula de compuerta.

Cuando la operación se realiza de esta manera se retira una gran cantidad de lodo con poca cantidad de agua. Cuando fuese necesario retirar más agua por la purga de fondo, mantenga abierto un poco más tiempo. Los niveles deben drenarse por lo menos cada 8 horas.

Purgadores:

Los purgadores van en la parte más baja de la caldera y algunas veces también en el cuerpo cilíndrico; se utilizan para sacar una cierta cantidad de agua con el fin de extraer de la caldera los lodos, sedimentos y espumas. Las impurezas de las grandes cantidades de agua vaporizada se van precipitando constantemente. En ocasiones se emplea un purgado (por el fondo) Continuo, por medio de un tubo pequeño, para sacar las impurezas a medida que se precipitan. No obstante, cuando se sigue este procedimiento, los purgadores grandes hay que abrirlos de vez en cuando para sacar más completamente los lodos acumulados. 

Superpurgadores:

Una nueva generación de superpurgadores (o válvulas) capaces de auto detectar fugas internas o externas de fluidos. Básicamente el sistema usa varias tecnologías (solar, electrónica, óptica, ultrasonido, conductividad, pirometría, transferencia de calor, etc.) para analizar en tiempo real el eficaz funcionamiento de purgadores de vapor y válvulas de seguridad, entre otras. El sistema se compone de dos elementos: 1 .Purgador (o Válvula) 2 SteamWatch SteamWatch utiliza el concepto "plug and play". Esto facilita su instalación y funcionamiento. SteamWatch: Funcionamiento SteamWatch es un dispositivo electrónico que detecta instantáneamente la pérdida de vapor vivo a través de purgadores. Puede ser también aplicado en válvulas de seguridad para detectar fugas de vapor, gas o cualquier otro fluido a través de la válvula. Este dispositivo está formado por dos elementos principales: 1. Sonda externa multifunción. 2. Analizador electrónico SteamWatch funciona de manera totalmente autónoma. Capta energía solar mediante células fotovoltaicas que alimentan los circuitos electrónicos del analizador. La sonda multifunción mide hasta cuatro parámetros (presión, temperatura, conductividad y ultrasonido), que son transmitidos al analizador (la mayor parte de las aplicaciones solo requieren dos de dichos parámetros). El analizador evalúa el funcionamiento del purgador o válvula y produce una señal de alarma cuando fuga vapor o acumula condensado. (En válvulas de seguridad sólo se produce alarma cuando existe fuga interna). SteamWatch extrae suficiente energía solar para alimentar el analizador. De esta forma inspecciona automática y satisfactoriamente purgadores y válvulas sin requerir energía auxiliar ni asistencia humana. El sistema se mantiene en perpetua vigilancia, alertando al usuario de cualquier pérdida de vapor o fuga de gas o cualquier otro fluido, justo en el mismo momento en el que se produce este hecho, mediante el parpadeo de un indicador luminoso de color rojo en tanto perdure esta situación.

Dos baterías internas suministran energía durante la noche, recargándose automáticamente durante el día. Como resultado de ello el sistema se mantiene en permanente operación sin ningún otro suministro de energía Una funda de policarbonato, resistente a las agresiones mecánicas y químicas protege el analizador y produce un efecto óptico amplificador sobre la señal de alarma del sistema. Beneficios económicos y operativos SteamWatch introduce un nuevo concepto: "El purgador (o válvula) inteligente" que produce grandes beneficios económicos y operativos en refinerías, plantas petroquímicas e industria en general, en diversos aspectos como: -Energía -Producción -Seguridad -Inspección -Mantenimiento -Contaminación SteamWatch añade a purgadores y válvulas unas elevadísimas prestaciones hasta ahora desconocidas. En efecto, el purgador "habla" cuando necesita asistencia técnica para evitar pérdidas de energía o de cualquier otra naturaleza que se traducen en dinero, o para prevenir accidentes que pueden causar daño a personas e instalaciones, o para proteger el ambiente y siempre para reducir costes de mantenimiento por evitar daños irreparables en purgadores o válvulas. Cuando SteamWatch se aplica a purgadores se obtienen los siguientes beneficios: -Importante ahorro de energía -Detección de fallos sin asistencia humana -Muy bajo coste de mantenimiento y muy larga duración. (Protección del purgador) -Prevención de presurización del colector de retorno de condensados. -Instalación sin cables. Reutilizable en caso de sustitución del purgador -Fácil montaje y desmontaje sin interrupción del servicio -No se requiere ningún otro elemento adicional anterior o posterior al purgador -Preciso control energético y mínima energía residual -Cancela costos de inspección a la vez que intensifica esta tarea -Prevención de golpes de ariete térmicos debidos a fugas de vapor

-Cuando SteamWatch se aplica a válvulas de seguridad, además de los beneficios anteriores se obtienen los siguientes beneficios: -Reducción de costos de producción. Detección de fugas de productos quemados en antorcha -Rapidez y facilidad en la localización de fugas de gases peligrosos -Mejora de las condiciones de seguridad de las instalaciones -Prevención de contaminación ambiental -Muy alta eficiencia de las instalaciones Instalación A pesar de que SteamWatch puede ser montado sin interrupción del servicio, el equipo se suministra con los accesorios de acoplamiento más idóneos para cada aplicación. Su montaje es tan simple como enroscar una bombilla. Para el montaje en válvulas de seguridad se suministra un manguito especial que se monta sobre la válvula sin ninguna modificación de la misma y durante su funcionamiento normal. A los tradicionales tipos de conexión (rosca, bridas, y soldadura) se añade la conexión entre bridas. El montaje entre bridas se realiza colocando el purgador entre dos bridas de la tubería. El montaje entre bridas es óptimo ya que disfruta de todas las ventajas de un montaje brindado y el precio de una conexión roscada. Ventajas del montaje entre bridas: -Técnicamente perfecto -Ahorra materiales -Precio similar a la conexión roscada -Reduce la presencia de fugas -Facilita y reduce el coste de mantenimiento -Evita el uso de tuercas de unión -Produce instalaciones limpias de larga duración -Eleva la rentabilidad de la instalación

· Tipos de descarga en purgadores:

Descarga de alta energía

Descarga controlada por nivel, densidad (cubeta invertida o flotador) o por diferencia de velocidad (termodinámica e impulso). Produce presurización de líneas de retorno, golpes de ariete térmicos, dificulta la recuperación de energía residual y aumenta el consumo energético. Descarga controlada de energía Descarga continua controlada por temperatura (termostático). Reduce contrapresiones y golpes de ariete térmicos, suaviza el funcionamiento de la instalación, optimiza el rendimiento energético y reduce el consumo de energía. La descarga controlada de energía es decisiva en grandes instalaciones petroquímicas y en líneas de acompañamiento donde puede lograr reducir el consumo energético hasta un 15% Selección de purgadores: Datos básicos: -Tipo de aplicación -Presión de diseño -Presión máxima del vapor -Presión diferencial máxima -Presión diferencial mínima -Caudal máximo continúo -Comportamiento frente a contrapresión -Coeficiente de seguridad -Conexiones y montaje -Rendimiento energético -Desaireación automática -Resistencia a golpes de ariete y heladas -Calidad de materiales -Eficiencia, fiabilidad y garantía -Costo de repuestos -Facilidad de mantenimiento -Vida útil

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Conservación de energía en generadores

1- ) minimizar incrustaciones mediante un adecuado tratamiento, externo e interno. 2- ) minimizar el régimen de purgas, mediante adecuado seguimiento y control. 3- ) instalación de equipos recuperadores de calor, sobre todo en las purgas continuas. -

Aceite:

La presencia del aceite en la caldera, aun en pequeñas cantidades, contribuye al arrastre de agua por el vapor. En general, los tratamientos internos para combatir la acción del aceite, que penetra en la caldera, no tiene éxito. L os coagulantes tales como el aluminato de sodio y ciertos coloides producen arrastre de pequeñas cantidades de aceites y grasas al colector de agua. Una de las soluciones, en aquellas plantas donde las maquinas que mueven los auxiliares son causa de la contaminación del condensador, es reducir al mínimo la lubricación por medio de aceites reemplazando a estos lubricantes a base de grafito, en las bombas de alimentación de velocidad reducida. Además debe proveerse a la instalación de filtros adecuados. -

Controles analíticos:

Para estar seguro de la buena calidad del agua de calderas, es necesario que se hagan pruebas analíticas diariamente. Los resultados deben estar dentro de los rangos recomendados. Es a través de estos análisis que se controlan la cantidad de purgas y dosificación de químicos. Los límites de concentración de impurezas varían de acuerdo a la presión de trabajo en la caldera. Para calderas de baja presión (hasta 300 psi), los límites son los siguientes: Ensayo PH Alcalinidad total Alcalinidad OH Dureza Fosfato Sulfito Sílice Sólidos disueltos Cloruros

Rango 10.5- 11.5 Max.-600 ppm 200-300 ppm Cero 30-50 ppm 30-50 ppm Max.-150 ppm Max.-3000 ppm Ciclos x cloruros de reposición.

Toma de muestras El resultado de los análisis de laboratorio depende de la forma en que se toma la muestra. Procedimiento: Dejar correr el agua a ser analizada por algunos minutos. Durante este periodo, lava la botella y tapón con el agua a ser analizada. Reducir el flujo de agua y tomar la muestra. Tapar bien. Cuidados: Al cerrar la botella no se debe colocar el dedo en la tapa.

Evitar que queden bolas de aire dentro de la botella. La botella de muestra debe cerrarse bien y marcarla con toda la información necesaria. · Alcalinidad Esta determinación es muy importante, lo mismo que el pH del agua, como ya se menciono antes. La alcalinidad se determina al anaranjado de metilo y a la fenolftaleína en la forma usual. La alcalinidad incluye los carbonatos e hidróxidos contenidos en el agua, determinados por titulación en 2 etapas, con acido tipo y expresado en CO3Ca. Para 100 cm3 de agua en una capsula de porcelana, se le agregan algunas gotas de fenolftaleína y se titula con acido tipo hasta decoloración. Se agregan unas gotas de anaranjado de metilo y se titula al rojo. La lectura final de la alcalinidad total se expresa en CO3Ca. Se llama T y el de fenolftaleina P. Las proporciones de los constituyentes alcalinos se deducen de estas titulaciones y en la tabla 1 de la ― merican Public Health ssociaton, Standars Methods o Water nalysis‖

TRATAMIENTO

DE AGUA PARA

TORRES DE

ENFRIAMIENTO

· ¿Que es una torre de refrigeración? Una torre de refrigeración es una instalación que extrae calor del agua mediante evaporación o conducción. Las industrias utilizan agua de refrigeración para varios procesos. Como resultado, existen distintos tipos de torres de enfriamiento. Existen torres de enfriamiento para la producción de agua de proceso que solo se puede utilizar una vez, antes de su descarga. También hay torres de enfriamiento de agua que puede reutilizarse en el proceso. Cuando el agua es reutilizada, se bombea a través de la instalación en la torre de enfriamiento. Después de que el agua se enfría, se reintroduce como agua de proceso. El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60 ˚C. El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahí fluye hacia abajo a través de tubos de plástico o madera. Esto genera la formación de gotas. Cuando el agua fluye hacia abajo, emite calor que se mezcla con el aire de arriba, provocando un enfriamiento de 10 a 20˚C. Parte del agua se evapora, causando la emisión de mas calor. Por eso se puede observar vapor de agua encima de las torres de refrigeración. Para crear flujo hacia arriba, algunas torres de enfriamiento contienen aspas en la parte superior, las cuales son similares a las de un ventilador. Estas aspas generan un flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento. El agua cae en un recipiente y se retraerá desde ahí para al proceso de producción. Existen sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados. Cuando un sistema es cerrado, el agua no entra en contacto con el aire de fuera. Como consecuencia la contaminación del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y microorganismos es insignificante. Además, los microorganismos presentes en las torres de enfriamiento no son eliminados a la atmósfera. La teoría del proceso de transferencia de calor en una torre de enfriamiento, es la que desarrolló Merkel. Este análisis se basa en la diferencia del potencial de entalpía como fuerza impulsora. Se supone que cada partícula de agua está rodeada por una película de aire y que la diferencia de entalpía entre la misma y el aire circundante proporciona la fuerza impulsora para el proceso de enfriamiento. En la figura siguiente se ilustran las relaciones del agua y el aire y el potencial impulsor que existe en una torre de contra flujo, en donde el aire fluye en sentido paralelo, pero siguiendo una dirección opuesta al flujo del agua.

La línea de operación del agua está representada por la línea AB y se especifica por medio de las temperaturas del agua de la torre en la entrada y salida. La línea de operación del aire principia en C, verticalmente por debajo de B, y en un punto que tiene una entalpía correspondiente a la temperatura de entrada de bulbo húmedo. La línea BC, representa la fuerza impulsora inicial (h’- h). El aire que sale de la torre se representa por medio del punto D y la gama de enfriamiento es la longitud proyectada de la línea CD sobre la escala de temperaturas.

· Torres de tiro mecánico: En la actualidad se emplean dos tipos de torres de tipo mecánico; el de tiro forzado y el de tiro inducido. En la torre de tiro Forzado, un ventilador se monta en la base y se hace entrar el aire y se descarga a baja velocidad por la parte superior, la ventaja de ubicar el ventilador y el motor propulsor fuera de la torre, por lo que no se somete a corrosión , pero debido a la escasa velocidad del aire de salida, la torre se somete a una recirculación . La torre de tiro inducido es el tipo que se emplea con mayor frecuencia en Estados Unidos, la cual se divide en torres de contra flujo y de flujo transversales. Desde el punto de vista termodinámico, la configuración a contra flujo es más eficaz, ya que el agua más fría entra en contacto con el aire más frío, obteniendo así el potencial máximo de entalpía. El fabricante de las torres de flujo transversal puede reducir con eficacia la característica de torre a acercamientos muy bajos incrementando la cantidad de aire para proporcionar una razón L/G más baja. El aumento en el flujo de aire no se logra necesariamente incrementando la velocidad del mismo, sino sobre todo alargando la torre para aumentar el área de corte transversal para el flujo de aire. El tiempo de contacto entre el agua y el aire se dictamina en mayor grado por el tiempo

necesario para que el agua se descargue por las boquillas y caiga a través de la torre hasta el depósito. Si el tiempo de contacto es insuficiente, ningún incremento en la relación aire agua generará el enfriamiento deseado. El funcionamiento de enfriamiento de cualquier torre que tiene una profundidad dada varía con la concentración del agua. El problema de calcular el tamaño de una torre de enfriamiento, consiste en determinar la concentración apropiada de agua que se necesita para alcanzar los resultados deseados. Después de determinar la concentración de agua necesaria, el área de la torre se calcula dividiendo los gal/min. Que circulan, entre la concentración del agua expresada en gal/ (min.)(ft2). · Operación de una torre de enfriamiento: Acondicionamiento del agua.- Los requisitos de acondicionamiento para una torre de enfriamiento consisten en la suma de las pérdidas de evaporación, pérdidas por arrastre y pérdidas a causa del viento. Potencia del ventilador.- Cuando se lleva a cabo un análisis del costo de una torre de enfriamiento y los costos de operación de la misma, uno de los factores más significativos debe ser el establecimiento de la potencia del ventilador. La potencia del ventilador de la torre de enfriamiento puede sufrir una reducción sustancial a causa de un decrecimiento en la temperatura de bulbo húmedo del ambiente, cuando se emplean motores de doble velocidad en los ventiladores. Potencia de bombeo.- Otro factor importante en el análisis de la torre de enfriamiento, en especial para torres de tamaño mediano y grande, es la parte de la potencia de la bomba atribuida directamente a la torre de enfriamiento. Cuando se trata de torres de enfriamiento con boquillas de aspersión, la carga estática de bombeo será igual a la ascensión estática más la pérdida de presión de las boquillas. Abatimiento de neblina y bruma.- Un fenómeno que ocurre con frecuencia en la operación de una torre de enfriamiento es la formación de neblina, que produce una bruma muy visible y con posibilidades muy altas de formación de hielo. La formación de neblina es ocasionada como resultado de la mezcla de aire caliente que abandona la torre, con aire ambiente de enfriamiento. En algunas ocasiones utilizan chimeneas en los ventiladores para reducir la neblina en la parte inferior de la torre. En los últimos tiempos el aspecto ambiental ha recibido mayor atención, aunque aún existen personas que creen, en forma equivocada, que las descargas de las torres de enfriamiento son dañinas. · Torres De Tiro Natural: Las torres de tiro natural comenzaron a utilizarse en Europa en 1916. Estas son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento y las estructuras de concreto reforzado que se acostumbra utilizar llegan a tener diámetros del orden de 80.7 m y alturas de 103.6. Tanques De Roció Los tanques de rocío constituyen un medio para reducir la temperatura del agua mediante el enfriamiento por evaporación y, al hacerlo, reducen enormemente la superficie de enfriamiento necesaria en comparación con un estanque de enfriamiento. El tanque de rocío emplea varias boquillas para rociar el agua y establecer contacto entre esta y el aire del ambiente. Una boquilla de rocío bien diseñada debe suministrar gotas finas de agua, pero sin producir un rocío que el viento arrastre con facilidad, ya que esto equivale a una pérdida excesiva de flujo.

Algunos ejemplos:

· Condensadores:

El condensador tiene la función de poner en contacto los gases que provienen del compresor con un medio para licuarlo. Una parte de condensador tiene la función de quitar el calor sensible (1/6 parte), cuando llegamos a la temperatura de condensación ya no podemos enfriar más y empezamos a condensar. (4/6). El condensador suele ser un 30% más grande que el evaporador. Para poder condensar ha de haber 10ºC de D t entre la temperatura de condensación y el medio condensable. Un buen subenfriamiento es de 6 8ºC por debajo de la temperatura de condensación. Si el condensador fuera demasiado grande no tendríamos suficiente presión de alta y no podríamos empujar el líquido hacia el evaporador. La presión ideal de condensación es la mínima que podamos mantener todo el año. En el momento que cesa el medio condensable aumentaría la temperatura de condensación y la presión.

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Capacidad del condensador:

La capacidad del condensador es la cantidad de calor que el condensador es capaz de extraer al refrigerante. Si disminuimos la temperatura de condensación el condensador podrá ser más pequeño. También nos modifica la capacidad del condensador la relación de compresión, o la diferencia de presión entre la baja y el alta. Cuando más alta sea la temperatura de condensación más grande deberá ser el condensador para la misma potencia frigorífica. Por ejemplo si tenemos dos cámaras de la misma potencia frigorífica pero de diferentes temperaturas aumentaría la capacidad del condensador al aumentar la relación de compresión. La diferencia de temperatura entre el invierno y el verano afecta negativamente en los condensadores de aire, ya que en invierno tendremos menos presión de alta. Para compensar esto es necesaria una regulación de condensación (ventiladores, etc.).

El D t de condensador es la diferencia de temperatura entre el medio condensante y la temperatura de condensación. El problema de todos los condensadores es la suciedad que se acumula que hace de aislante impidiendo que salga el calor. 5.2- Condensador de aire Los condensadores que tienen como medio enfriador el aire ambiente pueden ser estáticos o de tiro forzado:  Estáticos: Suelen ser de tubo liso, como la velocidad del aire es lenta se acumula mucha suciedad. Suelen ser bastante largos y se usa sólo en el entorno doméstico.



Tiro forzado: Utilizan ventiladores para aumentar la velocidad del aire, por lo tanto reducimos superficie de tubo. Exteriormente es bastante parecido a un evaporador.

Cuando está instalado junto con el compresor el condensador a de tomar el aire en el lado contrario de este para evitar tomar el aire ya caliente.

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Condensador de agua:

Son aquellos que usan el agua como medio condensable. Para asegurar un buen funcionamiento y limitar el consumo de agua, las temperaturas idóneas del agua a la salida del condensador con respecto a la temperatura de entrada han de ser:  

Temperatura de entrada hasta 15ºC, la salida ha de ser 10ºC más que la entrada. Temperatura de entrada a partir de 16ºC, la salida ha de ser 9ºC más que la entrada.  Temperatura de entrada a partir de 21ºC, la salida ha de ser 8ºC más que la entrada. Se deben instalar torres de recuperación de agua a partir de las siguientes potencias frigoríficas: En sistemas de refrigeración, a partir de 18.000frg/h. En aire acondicionado, a partir de 6.000frg/h. Estas torres de recuperación deben de recuperar hasta el 75 % del agua. -

Condensador de doble tubo:

Es un serpentín formado por dos tubos concéntricos, por el tubo interior circula el agua y por el exterior el refrigerante, se hace circular a contracorriente para robar mejor el calor al refrigerante. Se instala junto con el serpentín una válvula presostática para controlar la presión del agua según la presión de alta de la instalación de manera que cuando la instalación está parada no circule agua. Son condensadores pequeños y se usa como refuerzo.

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Condensador multitubular:

Se utiliza como bancada del compresor y hace de recipiente en los equipos medianos. Circula agua por los tubos interiores y condensa el refrigerante contenido en el recipiente. Llevan un tapón fusible de seguridad y una válvula de purga para extraer los gases incondensables.

- Condensador evaporativo: Está formado por un serpentín por el cual circula el refrigerante, este serpentín es mojado por unas duchas de agua de manera que al hacer circular una corriente de aire el agua que moja los tubos se evapora extrayendo calor. Tiene un rendimiento muy bueno.

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Condensador multitubular vertical:

Son parecidos a los horizontales pero mucho más grandes y suelen ser de obra. Por el mismo tubo circula agua y aire a contracorriente, al agua va lamiendo la pared del tubo y el aire va por el centro del tubo que está en contacto con el refrigerante.

Tiene una especie de corona para que el agua circule de esta manera. Tiene el mismo rendimiento o más que el evaporativo.

· Problemas operativos: Los sistemas de enfriamiento de agua están sujetos a varios problemas operativos, los que comprenden 1. Depósitos microbiológicos. 2. Depósitos de sales. 3. Corrosión. 4. Barros y otros depósitos. 5. Espuma. 6. Deterioro de la madera. -

Depósitos microbiológicos:

La contaminación de torres de enfriamiento, superficies de transferencia térmica y otras partes del sistema, con depósitos microbiológicos se debe al desarrollo de bacteria, hongos, algas y otros microorganismos. Las bacterias formadoras de lógarno, así como los hongos, son responsables, por lo general, del lógamo microbiológico que hay en tuberías y en partes cerradas del sistema, incluyendo las importantes superficies de transferencia térmica. En la superficie de la torre de enfriamiento expuesta a la luz solar las algas son, harto frecuentemente, la causa de la contaminación microbiología de las superficies. En los sistemas con agua marina pequeños moluscos tales como almejas, lapas y ostras también pueden ocasionar una contaminación

especialmente problemática. Los depósitos biológicos pueden volverse tan abundantes en los sistemas de enfriamiento que obstruyen el libre flujo del agua y del aire, y forman peso muerto sobre los miembros estructurales de las torres de enfriamiento hasta llegar, a veces al punto de ruptura. Además, a películas muy delgadas de lágamo, sobre superficies de transferencias térmica, ejercen un pronunciado efecto adverso sobre la eficacia de los sistemas de enfriamiento. Las algas difieren de las bacterias y de los hongos en que, por lo normal, producen su propio nutrimento mediante la fotosíntesis; en consecuencia, deben estar expuestas al sol, así como el agua y el aire. Las algas pueden florecer en el agua tibia de estanques de rociado y en las bandejas abiertas distribución de agua, en las torres de enfriamiento, expuestas al sol. Las masas algales pueden bloquear el flujo que pasa por las tuberías, así como las aberturas en las bandejas de distribución, y también atorar los filtros. Las algas más molestas de los sistemas de torre de enfriamiento son las azulverdosas (cianóficeas) y las verdes (clorofíceas), pero las diatmeas (crisoficeas) y otros tipos también se encuentran en depósitos de las torres de enfriamiento. Dado que, salvo raras excepciones, las bacterias y los hongos no utilizan la fotosíntesis para su desarrollo, no precisan luz solar y pueden florecer en las partes cerradas de los sistemas de agua de enfriamiento. Algunas de las bacterias más molestas son las encapsuladas, que forman una cápsula gelatinosa que atrapa deshechos, protege las bacterias del ataque físico y químico y ayuda a mantener unidas las masas de légamo. Los hongos contribuyen en grado principal a la contaminación microbiológica son los filamentosos, del tipo de los mohos, y los parecidos a levaduras, estos y otros hongos están relacionados con el deterioro de la madera que se usa en la estructura de la torre de enfriamiento. Al analizar la contaminación microbiológica debe hacerse mención especial de las bacterias de hierro, de las del azufre y de las reductoras de sulfatos. Las bacterias del hierro, son organismos dulceacuícolas que utilizan hierro en su metabolismo y que, por lo normal, dejan depósitos de óxido de hierro en las paredes de cañerías y del equipo. De ordinario son filamentosas y las células están rodeadas por una vaina gelatinosa. Forman extremadamente voluminosos que pueden restringir de modo severo el flujo de agua. Las bacterias de azufre poseen la capacidad de oxidar el azufre y reducir los compuestos de este elemento, y a menudo, estos organismos están presentes en el agua que contiene sulfuro de hidrógeno u otros compuestos sulfurosos. Los tipos filamentosos son los principales que contribuyen a la contaminación, pero algunas especies de bacterias del azufre pueden ocasionar problemas de corrosión debido a que producen cantidades considerables de ácido sulfúrico. Tanto las bacterias del hierro como las del azufre así como la mayoría de los demás organismos contaminantes, son aeróbicos y prosperan muy bien en el agua sumamente aireada de los sistemas recirculantes abiertos. Por otro lado, las bacterias reductoras de sulfatos son organismos anaeróbicos y exigen un medio carente de oxígeno para crecer. En consecuencia, en sistemas de agua de refrigeración de enfriamiento aireados solo crecen en regiones desprovistas de oxígeno, por debajo de otros depósitos microbiológicos o no microbiológicos. Los reductores de sulfatos forman sulfuro de hidrógeno, que no sólo causa olores sino que también es corrosivo para el acero y para otros metales.

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Depósitos de sales:

Estos pueden producirse cuando la concentración de una subsistencia disuelta en un agua de enfriamiento se vuelve mayor que su solubilidad en el agua. En especial, puede ser un problema con una susstancia que posea una curva de solubilidad inversa esto es, un material cuya solubilidad disminuya a medida que la temperatura aumente. Como las temperaturas del agua en, y cerca de las superficies de transferencia térmica son mayores que las que hay en todo el

sistema, la solubilidad de esos materiales es menor en estas regiones. En consecuencia, tienden a precipitar y forman depósitos que reducen la eficiencia de la transferencia térmica. El principal material formador de incrustaciones que se encuentra en los sistemas de agua de enfriamiento, es el carbonato de calcio forma por la descomposición del bicarbonato de calcio. Este compuesto no sólo presenta una curva de solubilidad inversa sino que su solubilidad es en el mejor de los casos, muy inferior en la mayoría de las aguas de enfriamiento típicas en casi todos los demás formadores potenciales de incrustaciones que podrían estar presentes en esta agua. Naturalmente, el carbonato de calcio es soluble en soluciones ácidas y, a medida que el agua de enfriamiento disminuye, la incrustación, por lo general, se vuelve menos problemática. Empero, a la mayoría de las aguas de enfriamiento se las mantiene alcalinas para reducir la corrosión y por eso, la incrustación de carbonato de calcio sigue siendo un problema potencial. El sulfato de calcio, el fosfato de calcio y otras sales cálcicas, así como, en ocasiones, sales de magnesio y de bario, también pueden producir incrustaciones, Otros materiales en elevadas concentraciones, tales como silice y silicatos, son posibles fuentes de problemas de incrustaciones, y las bacterias que utilizan hierros pueden producir una incrustación de hierro. La descomposición de bicarbonato de calcio a carbonato de calcio tiene lugar debido a los efectos de calentamiento y concentración en el sistema de agua de enfriamiento, que desplazan el equilibrio expresado por la ecuación: Ca (HCO3)2

CO3Ca + CO2 + H20

Durante muchos años se uso el índice de saturación para carbonato de calcio Langelier, para predecir las tendencias formadoras de incrustaciones que hay en el agua. Este índice se basa en la regla: pHS = pCa + pALK + C Donde:  pHS es el pH de saturación a una temperatura específica.  pCa es un factor logarítmico de la dureza de calcio (expresado como p.p.m. de CaCO3)  pALK es un factor logarítmico de la alcalinidad total (también en p.p.m. CaCO3)  C es un factor del tenor total de sólidos en p.p.m., a la temperatura del agua, en el punto de formación de depósito El índice de saturación es igual al pH real del agua menos el pH saturación calculado, o sea: Índice de saturación = pH (real) – pHS (calculado) Otra forma de evaluar las tendencias formadoras de incrustaciones y corrosivas es mediante el uso del índice de estabilidad RYZNAR, que es una modificación del de saturación de Langelier.

Es importante destacar que a estos índices se los debe usar, únicamente, como una guía gruesa de las tendencias del agua porque los equilibrios íntimamente controlados no existen en los sistemas acuosos de enfriamiento prácticos, en los que las temperaturas y las concentraciones de los materiales disueltos están en constante cambio. Además y, por supuesto, las tendencias incrustantes o corrosivas pueden controlarse mediante el tratamiento adecuado al agua.

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Corrosión:

La corrosión es un problema potencial en cualquier sistema que opere con agua, en el que hasta se ponga en contacto con metales. En sistemas abiertos recirculantes de agua de enfriamiento, la concentración de electrolitos, por evaporación y saturación del agua con el aire en el pasaje sobre la torre de enfriamiento aumenta la corrosividad del agua. Por añadidura, el mantenimiento de valores reducidos de pH, como medio para controlar los procesos incrustantes pueden acelerar la corrosión especialmente del hierro y del acero y a valores altos de pH, existe el riesgo de picar las aleaciones de zinc o de aluminio, sí se las en el sistema. En cualesquiera superficies mecánicas en las que hay presentes depósitos las picaduras por debajo de los mismos pueden ser especialmente destructivas. Los efectos galvánicos que surgen del contacto entre metales diferentes también pueden contribuir a crear problemas de corrosión, en aguas salinas, particularmente. En general, la intensidad de la corrosión galvánica aumenta a medida que lo hacen la diferencia de potencial entre los dos metales, la conductividad del agua y del área relativa del metal catódico, y a medida que disminuye la distancia entre las áreas catódica y anódica. La siguiente es una lista de los materiales usados en los sistemas de agua de enfriamiento, dispuestos en orden de carácter catódico creciente; con cualquier par dado de metales el material superior, o más anódico, se corroe más rápido:  Zinc  Aleaciones de aluminio y aluminio en sí  Acero dulce, aceros de aleación pobre, hierro de fundición  Plomo  Níquel  Aleaciones de Cobre  Aceros resistentes a la corrosión  Grafito Tal como se menciona en el análisis de la contaminación microbiológica, algunos organismos también pueden contribuir a la corrosión. De particular interés son las bacterias del azufre, organismos aeróbicos que están presentes con frecuencia en el agua que contiene sulfuros, y las bacterias reductoras de sulfatos, organismos anaeróbicos que crecen por debajo de los depósitos. Las mencionadas en primer término producen ácido sulfúrico mientras que las reductoras de sulfatos dan sulfuro de hidrógeno, en sus respectivos procesos metabólicos.

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Lodos y otros depósitos:

A menudo, los sistemas con enfriamiento por agua se contaminan con desechos transportados por el aire, materiales del proceso, contaminantes en el agua de composición y otras materias extrañas. El agua puede arrastrar estos contaminantes, los que, subsiguientemente, pueden afectar la torre de enfriamiento o formar depósitos perjudiciales en las superficies de transferencia térmica o en otras partes del sistema. Algunos de los materiales que se encuentran con más frecuencia incluyen polvo y hojas transportador por aire, y aceite, limo, llevados por el agua y otros escombros. Con frecuencia, a esos depósitos se los clasifica, en conjunto, bajo el nombre de lodo al que se define como la combinación de materia orgánica e inorgánica en parte ingresa en el sistema por el agua de composición, a través de filtración del sistema y/o desde el aire.

En cuanto a la consistencia, el lodo puede ir desde pastas pegajosas hasta arenilla muy fina. Puede ocasionar problemas operativos serios, que incluyen el atoramiento de los intercambiadores de calor, la formación de capas aislantes en las superficies de transferencia térmica y la acumulación de cieno en zonas en las que la velocidad de caudal es baja. También puede contribuir a la corrosión debido a la aireación resultante diferencial, y a la erosión de metales y de otros materiales estructurales.

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Espuma:

En algunos sistemas de enfriamiento por agua, la espuma puede ser un problema, la caída en cascada del agua en la torre de enfriamiento produce el entrampamiento de burbujas de aire en el agua circulante y el recirculado continuo de contaminantes puede proveer una elevada concentración de estabilizadores de espuma. El resultado puede ser el desbordamiento de espuma desde el sumidero de la torre de enfriamiento, o el soplado de espuma hecho por los ventiladores, desde la parte superior de la torre. En los casos graves, la espuma hasta que puede causar bolsas de aire en las bombas que desplazan agua a través del sistema. Sin embargo, es probable que el afecto adverso corriente de la espuma sea en su tendencia a concentrar materiales formadores de depósitos y, de este modo, aumentar la contaminación del sistema con diversas deposiciones. La lixiviación de los preservadores y de otros materiales provenientes del maderamen nuevo puede producir espumación, pero esta tendencia espumante se detiene, de ordinario, después de unas pocas sananas.

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Deterioro de la madera:

La madera que se usa corrientemente en las estructuras de torres de enfriamiento está sujeta a deterioro físico, químico y microbiológico, la erosión por parte del agua que golpea el maderamen, la lixiviación de los componentes solubles y la deslignificación de los productos químicos en el agua, y los hongos que atacan la celulosa de la lignina están entre las fuentes principales de deterioro microbiológico. Los resultados pueden ser, tanto una pérdida de superficie de enfriamiento como de fuerza estructural. A la deslignificación química de la madera la aceleran los residuos en cantidad elevada de cloro libre y la gran alcalinidad de hidratos del agua circulante, cuando se pone en práctica la cloración continua del agua de composición, el cloro libre no se debe permitir que supere a 1 p.p.m. El tratamiento químico del agua de enfriamiento no evita la descomposición microbiológica de la madera de las torres de enfriamiento, ya que la descomposición se produce, principalmente, en secciones de la torre que no están continuamente sumergidas en el agua. Empero, el tratamiento microbicida del agua puede ayudar a la reducción de la descomposición. Además, el uso de microbicidas en lugar de cloro o de otros productos químicos que degradan madera ayuda a la protección en los componentes de madera.

· Programa coordinado para sistema de agua de enfriamiento:

La operación eficaz de sistemas de enfriamiento por agua con un mínimo de las dificultades descriptas en la sección anterior requiere un enfoque coordinado, que puede comprender a todos, o a parte, de los siguientes:

1. 2. 3.

Diseño del sistema Materiales de construcción Tratamiento del agua

El sistema de diseño, por ejemplo, puede incluir filtros de corriente lateral o de corriente de deslizamiento, a través de los cuales se haga pasar una parte del agua circulante para extraer los sólidos en suspensión, el aceite y otros contaminantes. Se pueden utilizar materiales de construcción que resistan al ataque químico, físico y microbiológico y tal como se hace normalmente, a la madera que se use en la torre se la puede impregnar con productos químicos que demoren la descomposición. Los procedimientos operativos importantes en este sentido comprenden los que determinan la magnitud y la uniformidad de la carga térmica aplicada al sistema, las velocidades de evacuación del agua o de purgación, y la frecuencia y el método de limpieza e irrigación del sistema. El análisis siguiente rige, fundamentalmente, para el desarrollo de programas coordinados para el alivio de los problemas previamente descriptos a través del tratamiento con aditivos químicos efectivos en el control de algunos de los procedimientos operativos importantes. Los principios delineados se basan sobre las exigencias de los sistemas recirculantes abiertos, pero con las modificaciones apropiadas para que se los pueda aplicar a los recirculantes cerrados y a los de paso continúo.

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Principios generales:

Los objetivos de los programas coordinados para los sistemas de enfriamiento por agua son: 1. Inhibir el desarrollo de microorganismos perjudiciales 2. Prevenir la formación de incrustaciones y eliminar la ya existente 3. Reducir la corrosión de los metales 4. Mantener las materias extrañas adecuadamente dispersas 5. Prevenir la espuma excesiva 6. Reducir el deterioro de la madera y de otros materiales empleados en la construcción de las torres de enfriamiento Generalmente, estos objetivos se alcanzan a través de un enfoque coordinado que incluye el control del tenor total de sólidos disueltos en el sistema, más el uso adecuado de microbicidas, inhibidores de incrustaciones de corrosión, dispersantes y desespumadores. También se incluye, en forma general, la limpieza y/o el lavado periódico del sistema. El primer paso a desarrollar un programa coordinado, es recoger un conjunto completo de informaciones sobre el sistema, estas abarcan datos sobre el tipo de sistema, materiales de construcción, capacidad, velocidades de circulación, cargas térmicas, fuentes del agua,

composición, velocidades de evacuación o de purgación y problemas con los que se tropiece en la operación del sistema. Deben hacerse análisis químicos del agua de composición y de la circulante. Deben revisarse la torre de enfriamiento y otras de las partes del sistema para determinar si hay contaminación e identificar de que tipo es. También puede requerirse el examen microbiológico del agua de composición cuando haya alguna cuestión inherente a su calidad. Las pruebas químicas sobre el agua de composición y la circulante deben incluir pH, dureza del calcio, dureza total, alcalinidad del naranja de metilo (M), y alcalinidad de fenolftaleína (P), cloruros. En algunos casos también es aconsejable determinar otros componentes, tales como sílice, fosfatos, o hierro, si es que existe la posibilidad de que estas sustancias pudieran contribuir a la incrustación o a la contaminación del sistema. A partir de estos análisis puede determinarse la existencia de tendencias incrustantes y/o corrosivas del agua y pueden calcularse los ciclos de concentración. Las pruebas deben repetirse con periodicidad y tanto como se precisen, para mantener control de la condición del sistema. Para el examen microbiológico del agua de composición o de la circulante, se recomienda la técnica de filtro – membrana: Comprende el uso de filtros de membrana micro porosa hechos de acetato de celulosa o de otros materiales poliméricos. Al hacer pasar un volumen de agua relativamente grande a través de estas membranas, se retienen bacterias, hongos, algas, y otros materiales a los microorganismos se los pueden concentrar lo suficiente para el examen microscópico, sin necesidad de seguir procedimiento de cultivo. A los organismos recogidos en la membrana se los puede colorear para hacerlos visibles y ya que en la película de acetato de celulosa seca posee el mismo índice de refracción que el aceite de inmersión, se vuelve transparente cuando se la coloca en un portaobjetos y sobre ella se coloca una gota de aceite.

Los datos reunidos en el sistema pueden usarse para desarrollar un programa coordinado de tratamiento basado sobre los principios delineados arriba y en secciones posteriores de la presente. El programa coordinado incluye:

1. Los productos a usarse para tratar el sistema. 2. Cantidad y método de adición y horario de tratamiento de cada aditivo. 3. Los análisis y pruebas. 4. Los límites de control para parámetros críticos, tales como ciclos de concentración, pH, dureza de carbonatas, etc. 5. Procedimientos operativos recomendados para mantener los parámetros dentro de los límites de control, tales como el control de la purga o de la evacuación del agua y el del pH. 6. Procedimientos recomendados para la limpieza y el lavado del sistema. Este programa de tratamiento se lo debe reevaluar y revisar en forma periódica, si fuera necesario, para conservar la eficiencia máxima. Por supuesto, la comprobación verdadera del programa es si el sistema de enfriamiento por agua realiza el enfriamiento necesario en forma eficiente, tanto en el proceso como en la torre de enfriamiento, y si la contaminación, la incrustación, la corrosión y otros problemas están adecuadamente controlados.

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Control de microorganismos:

Para inhibir el crecimiento de algas, bacterias y hongos, y para evitar los problemas que estos organismos ocasionan en los sistemas de agua de enfriamiento, es necesario usar un microbicida eficaz como parte del programa coordinado de tratamiento. También se recomienda que, si fuera factible, a la torre de enfriamiento y a las demás partes del sistema se las tenga limpias cuando se inicie el programa de tratamiento: todos los antiguos residuos algales, de légamo y los demás depósitos se deben drenar y lavar por irrigación con agua tan dulce. Después, cuando al sistema se lo vuelve a llenar, es aconsejable tratarlo inicialmente con una dosis relativamente elevada de microbicida para higienizar el sistema. Aunque con frecuencia no es práctico detener un sistema de enfriamiento para limpiarlo, antes de empezar el programa coordinado de tratamiento, si tal limpieza pudiera hacerse, por cierto habrá de simplificar el control de la contaminación y de otros depósitos. Naturalmente, si la torre está sumamente contaminada será necesario efectuar por lo menos, algo de limpieza para mantener al sistema en operación El agregado regular de microbicida puede hacerse en una de tres maneras: 1. Suministro continuo en concentraciones, pero eficaces, durante todos los períodos operativos. 2. Tratamientos intermitentes que brinden concentraciones efectivas durante lapsos prolongados de varias horas, en intervalos regulares. 3. Dosificación lenta concentraciones relativamente elevadas, durante intervalos regulares. Cuando el agua de composición está sumamente contaminada debe usarse, por lo general, el primer o el segundo método, especialmente si el sistema opera a menos de 5 ciclos de concentración: en casos puede usarse la dosificación lenta, pero hay que repetirla a intervalos más frecuentes que cuando la contaminación no es tan grande, o cuando los ciclos de concentración son mayores. En los sistemas en los que la contaminación proveniente de fuentes externas no es un factor de principal cuantía, la dosificación lenta es, de ordinario, satisfactoria a menos que el sistema tenga una alta velocidad de evacuación. Sin embargo, durante lapsos prolongados, con el recurso de bombas contadoras de productos químicos, ya que las bombas se las puede contar automáticamente por medio de entrecierres eléctricos o de dispositivos de tiempo. La cantidad de microbicida a usarse depende de la cantidad de agua perdida por deriva y evacuación o purgación, la capacidad del sistema y la gravedad de los problemas de contaminación microbiológica. También debe considerarse la necesidad tanto de una concentración eficaz de microbicida, como un tiempo adecuado de contacto. Las concentraciones que son demasiado bajas no sólo serán ineficaces sino que, realmente, pueden estimar el crecimiento de algunos microorganismos. El tiempo adecuado de contacto es necesario porque muchos organismos no son rápidamente aniquilados por los microbicidas orgánicos y no metálicos empleados en los programas modernos de tratamiento de agua. Tal como se los usa normalmente, los microbicidas de amplio espectro no esterilizan el sistema sino que meramente reducen la población microbiológica al tiempo que mantienen una competencia biológica. Sin embargo, si el tiempo de contacto es insuficiente, puede trastocarse el equilibrio biológico normal y los organismos más resistentes, proliferar debido a la reducida competencia. Este efecto es, con frecuencia, responsable por los sucesos en los que parece que los organismos se han vuelto inmunes o aclimatados a un microbicida. También puede ser causado por no llegar a usar un microbicida de amplio espectro.

En algunos sistemas de agua de enfriamiento se usa la cloración continua o intermitente del agua como método para controlar la contaminación microbiológica. Empero, en muchos de estos sistemas es, a menudo, imposible mantener un control adecuado del crecimiento de microorganismos sin el uso de cantidades de cloro intolerables o antieconómicas en estos casos, los tratamientos con microbicidas de amplio espectro deben hacerse para reemplazar, o para como el tratamiento con cloro. En contraste con el cloro, estos microbicidas no son agentes oxidantes ni producen la degradación de la madera ni de otros materiales estructurales. Si se utiliza cloro en un sistema de agua de enfriamiento se recomienda que el pH no exceda de 7,5 y de que la concentración de cloro libre no se mantenga continuamente en valores superiores a 1 p.p.m.: elevada alcalinidad, junto con un elevado tenor de cloro residual, acelera la deslignificación y el consiguiente deterioro de la mac que se usa en las torres de enfriamiento.

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Control de la incrustación:

Para reducir a lo mínimo la formación de incrustación en un sistema de agua de enfriamiento se precisa enfoque coordinado que combine el uso de inhibidor eficaz de incrustaciones con medidas para mantener bajo el potencial incrustante del agua. Esto último incluye el ajuste de la velocidad de evacuación, o de la de purgado, para mantener los ciclos de concentración en un nivel razonable y para conservar la concentración de los sólidos dentro de los límites controlables. El tratamiento regular del agua circulante con un inhibidor o con una combinación de inhibidor de incrustaciones y corrosión, posibilita operar a regímenes de evacuación más bajos y a valores más altos de pH, sin toparse con problemas. El tipo principal de depósito que se encuentra en los sistemas de agua de enfriamiento, es el de carbonato de calcio, pero, a veces, también puede formarse sulfato de calcio en sistemas recirculantes abiertos. Cuando se usan polifosfatos en el tratamiento del agua, la incrustación básica de fosfato de calcio puede ser un problema debido a la hidrólisis de los polisfosfatos a ortisfosfatos. El empleo de inhibidores de corrosión e incrustaciones no fosfatadas puede eliminar los fosfatos como fuente de problemas de incrustación. De ordinario, el sulfato de calcio no es un problema si las concentraciones de iones calcio y sulfato se mantienen suficientemente bajas. Empero, la solubilidad del sulfato de calcio declina considerablemente por encima de los 40ºC y, por eso, la temperatura del agua también es un factor a considerar. Si el depósito de sulfato de calcio es un problema posible, por cierto que no se debe utilizar ácido sulfúrico para el control del pH, si es que ese control es necesario. Naturalmente, el uso de inhibidores de incrustación ayuda a aliviar el depósito de calcio, así como otras formas de incrustación. Sin embargo, si el agua de enfriamiento se pone en contacto con estructuras de concreto, aún es aconsejable mantener las concentraciones de sulfato por debajo de las 1.000 p.p.m para evitar daños al concreto, que elevadas con concentraciones de estos iones pueden infligir. Para el tratamiento del agua de enfriamiento, a los inhibidores de incrustación generalmente se los emplea en un tratamiento tipo umbral, en el que al inhibidor se lo usa en concentraciones muy bajas. Actúa para inhibir la cristalización del carbonato de calcio y de inhibidores de incrustación también son eficaces dispersantes y ayudan, de esta manera, a mantener los sólidos en suspensión dispersos, de modo que no formen depósitos. Para obtener los mejores resultado, el inhibidor debe agregarse al sistema en forma continua, por medio de una bomba contadora de productos químicos o por un dispositivo cuentagotas. Si no se puede evitar el suministro lento, entonces la cantidad de inhibidor agregado y la frecuencia de tratamiento deben ser tales que la concentración se mantenga dentro del ámbito recomendado.

El buen control del depósito se pone en evidencia por la prevención de su formación en intercambiadores térmicos, en la eliminación de incrustaciones antiguas y por la eficiencia continua en la transferencia térmica, en la operación de enfriamiento del proceso.

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Control de la corrosión:

Para controlar la corrosión en los sistemas de enfriamiento por agua, el programa coordinado recomendado para tratamiento puede incluir el uso de inhibidores de corrosión y la regulación del pH del agua circulante. Para proteger el acero es aconsejable operar con valores de pH relativamente elevados, pero con las aleaciones de aluminio y de zinc existe el riesgo de picaduras en esos niveles de pH. Los inhibidores convencionales de corrosión frecuentemente precisan un control severo del pH para lograr la efectividad. Sin embargo, el uso de un inhibidor adecuado, o de una combinación de inhibidor de corrosión e incrustación posibilita controlar la corrosión sin necesidad de ajustar el pH. El programa coordinado consigue buen control de corrosión al mantener las superficies metálicas limpias durante el control de las deposiciones, y al proteger dichas superficies con una película muy delgada, a través del uso de un inhibidor de corrosión. Si todos los componentes metálicos con los que se pone en contacto el agua son de hierro o de acero, también se recomienda que el pH del agua circulante se mantenga por encima de 7,5. Empero, en la mayoría de los sistemas recirculantes abiertos, el pH del agua permanece naturalmente por encima de este valor, sin procedimiento de control alguno, a menos que el agua circulante se contaminase accidentalmente con materiales ácidos. Si el sistema tuviera aluminio, cobre o latón en sus componentes, en contacto con el agua circulante, es aconsejable mantener el pH por debajo de 9,5 aproximadamente. Al aplicar los inhibidores de corrosión se recomienda que la adición se haga en forma continua por medio de una bomba dosificadora de productos químicos, o de un cuentagotas para mantener una concentración efectiva en el sistema. De todos modos, el agregado del inhibidor, inicialmente, debe ser una dosis lenta suficiente para brindar una concentración de partida, en el sistema, que sea varias veces la concentración que normalmente se emplea para el tratamiento continuo: esto permite la formación de una película protectora sobre todas las superficies metálicas y después un tratamiento regular, a regímenes bajos, debe mantener esta película. El control de la corrosión en los sistemas de enfriamiento por agua puede vigilarse con el uso de muestras metálicas de pruebas taradas, insertas en el sistema de agua circulante a través del pesado y examen periódico de estas muestras pueden determinarse el tipo y la velocidad de corrosión. Si bien el empleo de tales muestras no duplica por completo las condiciones en las superficies de transferencia térmica, brinda una medida relativa de la corrosión que esté produciéndose en el sistema. Para lograr los mejores resultados a las muestras se las debe situar en puntos en los que se pongan en contacto con el agua a la temperatura máxima del sistema. En algunos casos, puede ser aconsejable usar pequeños intercambiadores térmicos de prueba para evaluar la corrosión

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Control de lodo y de otros depósitos:

Para controlar el lodo y otros depósitos producidos por materia extraña introducida en el sistema desde el proceso, desde el aire o con el agua de composición, a veces se debe requerir el uso de un dispersante para contemplar los inhibidores de incrustación y de corrosión empleados en el programa coordinado regular de tratamiento. La elección del dispersante depende de la naturaleza de los depósitos, en particular, si son, primordialmente, orgánicos e inorgánicos.

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Control de la espuma:

Si la espuma es un problema en un sistema de agua de enfriamiento, el programa debe incluir el empleo de un agente antiespumante. Pero los desespumadores son eficaces en concentraciones muy bajas y no contienen sustancias que produzcan depósitos problemáticos. Si fuera necesario, puede agregarse un desespumador en forma continua, pero los problemas de espumación de menor cuantía pueden precisar sólo una pequeña dosis lenta para mantener la espuma bajo control.