STS Proyectos de ingeniería le ofrece una explicación teórica básica del proceso más común de descalificación del agua para consumo humano, basado en el intercambio iónico de calcio y magnesio por sodio, mediante un catalizador de resinas sintéticas (descalcificación por ablandamiento).
EL PROCESO QUÍMICO
La presencia de sales carbonatadas en el agua eleva su dureza. Si estas son de naturaleza incrustante (sales de calcio y de magnesio), causan molestias y averías. Para reducirlas se empleará un procedimiento de descalcificación por ablandamiento en lecho de resinas sintéticas granuladas.
Reacción de ablandamiento
El proceso se basa en la disociación por disolución en agua tanto del bicarbonato cálcico como del bicarbonato magnésico:
(disolución de bicarbonatos)
Existen resinas sintéticas (R- ) que en medio acuoso se comportan como aniones capaces de secuestrar cationes como el sodio del cloruro sódico:
(resinas activas)
Estas resinas así activadas se pueden combinar con las sales carbonatadas disueltas en el agua produciéndose un interesante intercambio iónico de esta manera:
(interc. iónico)
El resultado es bicarbonato de sodio disuelto, que no añade ya dureza al agua, no precipita, no se incrusta, y no da ninguno de los problemas derivados del alto grado de calcio y magnesio inicial. El agua ha sido ablandada y resulta mucho más adecuada para el consumo humano.
Reacción de regeneración
Las resinas permanecen en el depósito de ablandamiento, y progresivamente van perdiendo su eficacia, conforme se van recombinando todas con los cationes a retirar del agua. Para recuperar la capacidad de tratamiento es preciso regenerarlas, lo que se hace aportando más sodio a la disolución:
(regeneración de resinas)
Los cationes responsables de la dureza del agua son liberados de las resinas y, los cloruros que forman, en disolución acuosa, son eliminados mediante uno o varios enjuagues que se vierten al desagüe. El resultado es un equipo tratante en óptimas condiciones, de nuevo, para un nuevo ciclo de ablandamiento.
(eliminación de cloruros)
Este mecanismo de intercambio iónico depende de la concentración relativa de cationes Na+, Ca++, Mg++, por lo que, para la regeneración, basta con que los Na+ sean más abundantes que el resto, para que las resinas se liberen de ellos.
El aporte de Na+ es proporcional a la cantidad de cationes eliminados. La fuente de Na+ debe ser, por tanto, abundante y barata, y por ello se utiliza el NaCl (cloruro sódico o sal común) como aporte de sal. La regeneración se hace, pues, a partir de un tanque de salmuera en el que resulta crítico mantener una concentración de sal muy elevada (disolución siempre saturada).
Precauciones para alargar la vida del sistema
El intercambio iónico depende de que se den las condiciones adecuadas y de que las resinas no pierdan su capacidad recombinatoria.
• El agua debe tener una composición neutra, que no dañe la capacidad recombinatoria de las resinas. En particular, se evitará la presencia de iones metálicos pesados, que inhiben de forma irreversible el proceso y obligan a sustituir el relleno de resina.
• No deben estar presentes impurezas que colmaten los intersticios en el lecho de resinas e impidan el paso del agua.
• El agua debe venir limpia de grasas y aceites, que se depositan en la superficie de los granitos de resina, reducen su capacidad de intercambio y bloquean el proceso de ablandamiento.
EL PROCESO TÉCNICO
Primera fase: ablandamiento
Un filtro de resinas bien diseñado puede estar funcionando varias horas antes de necesitar una regeneración. Durante este tiempo proporcionará agua ablandada, en la que las sales duras e incrustrantes son sustituidas por sales más blandas y muy solubles (no incrustantes), gracias al aporte de cationes de bajo coste.
El resultado, sin embargo, es un progresivo agotamiento de la capacidad de intercambio iónico y una compactación de las resinas, factores que eliminan, al final la eficacia del sistema.
Segunda fase: contralavado
La descompactación de las resinas, o esponjamiento, se consigue mediante la inyección de agua (no tratada) a contracorriente. El agua se lleva, además, las partículas que pudieran haber quedado retenidas al principio del lecho resinoso, que también actúa en parte como filtro mecánico.
Suelen recomendarse contralavados de 5-10 minutos para lograr aumentos de volumen del 50% respecto del lecho apelmazado.
Tercera fase: regeneración
A continuación del contralavado se inyecta una salmuera rica en el catión regenerante, normalmente sodio (Na+) al 10-20%, procedente de sal común.
El caudal regenerante oscila entre 4 y 10 volúmenes del depósito de resinas por hora, aunque el proceso dura entre 20 y 30 minutos. La inyección es, pues, más lenta que en el contralavado, y se produce en el sentido del flujo en la fase de ablandamiento.
Los cloruros en disolución resultantes se eliminan directamente al desagüe.
Cuarta fase: lavado
Al final del tiempo de regeneración se inyecta, de nuevo en el sentido del ablandamiento, un caudal abundante de agua no tratada, que elimine el exceso de sal (Na+) y deje activadas de nuevo a las resinas.
El agua de lavado se elimina directamente al desagüe. El proceso termina cuando esta agua no lleva apenas sal.
EL SISTEMA DESCALCIFICADOR
Elementos fundamentales y tipos de sistemas
Un sistema descalcificador completo requiere:
• Aparatos filtrantes: para garantizar una adecuada calidad del agua introducida en los lechos de resinas y alargar la vida del sistema.
• Columnas de intercambio: depósitos, normalmente verticales, donde se encuentran las resinas y tienen lugar las 4 fases del ciclo de tratamiento.
• Depósito de salmuera: almacén de una disolución saturada de una sal que garantice el aporte ininterrumpido del catión de sustitución (normalmente sal común).
• Válvulas automáticas: sistema de llaves de tres o cuatro vías capaces de alternar los flujos en función de la fase del ciclo correspondiente.
• Bombas recirculadoras: proporcionan el caudal y presión mínimos que necesitan los procesos para asegurar su eficacia.
Los sistemas automáticos disponibles en el mercado son de los siguientes tipos:
SÍMPLEX: una sola columna de intercambio, que pasa por alguna de las fases cada vez. En consecuencia, solo proporcionará agua tratada en determinados momentos (fase de ablandamiento), y el resto del tiempo (contralavado, regeneración, enjuague) no deja pasar agua hacia la red de consumo.
DÚPLEX: dos columnas de intercambio, con funcionamiento alternado de forma que siempre haya una ablandando (proporcionando agua tratada) mientras la otra se regenera o está parada.
CARRUSEL: tres o más columnas de intercambio funcionando como las dúplex, de manera que solo una esté regenerando mientras las demás están produciendo o están paradas.
Métodos de control
En cuanto al sistema de control existen dos tipos de sistemas:
CRONOMÉTRICO: la regeneración tiene lugar en momentos determinados del día o de la semana, con independencia del uso del sistema. Es aconsejado para modelos símplex, para evitar su parada en los momentos de demanda.
VOLUMÉTRICO: la regeneración tiene lugar al cabo de un determinado número de unidades de volumen tratadas. Es el característico de los modelos dúplex y carrusel, pues optimiza la cantidad de sal gastada.