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La descalcificación con resinas de intercambio iónico Análisis químico y matemático de un prototipo propio

Andrés Ramírez Martínez Coordinadora: Paloma Pérez Marchamalo http://www.telefonica.net/web2/andresramirez/


La descalcificaci贸n con resinas de intercambio i贸nico

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Índice 1.

Introducción ...................................................................................................... 5 1.1 Elección del trabajo ....................................................................................................5 1.2 Objetivos ...................................................................................................................6 1.2.1 Uso de las nuevas tecnologías .................................................................................................... 7

1.3 Hipótesis ....................................................................................................................8

2.

Fundamento teórico ........................................................................................ 11 2.1 El agua ..................................................................................................................... 11 2.1.1 Estructura ................................................................................................................................. 11 2.1.2 Parámetros que determinan su calidad .................................................................................... 12  Parámetros físicos ................................................................................................................ 12  Parámetros químicos ............................................................................................................ 12

2.2 La descalcificación: ................................................................................................... 16 2.2.1 Resinas de intercambio iónico .................................................................................................. 16 2.2.2 Osmosis inversa ........................................................................................................................ 17 2.2.3 Métodos eléctricos ................................................................................................................... 18  Electrodiálisis ........................................................................................................................ 18  Electrodiálisis inversa ........................................................................................................... 19  Electrodesionización ............................................................................................................. 19 2.2.4 Inhibidores electrónicos ........................................................................................................... 19

3.

Construcción y análisis de un prototipo de intercambiador iónico ..................... 20 3.1 Principios ................................................................................................................. 20 3.2 Fase tecnológica ....................................................................................................... 21 3.2.1 Precedentes .............................................................................................................................. 21 3.2.2 Anteproyecto ............................................................................................................................ 21 3.2.3 Construcción 1 .......................................................................................................................... 23  Materiales ............................................................................................................................. 23  Procedimiento ...................................................................................................................... 23 3.2.4 Revisión ..................................................................................................................................... 23 3.2.5 Construcción 2 .......................................................................................................................... 25  Materiales ............................................................................................................................. 25  Procedimiento ...................................................................................................................... 25 3.2.6 Revisión 2 .................................................................................................................................. 25

3.3 Fase científica .......................................................................................................... 26 3.3.1 Metodología ............................................................................................................................. 26  Manipulación de los parámetros del descalcificador ........................................................... 26  Factores a considerar ........................................................................................................... 27  Intervalos utilizados .............................................................................................................. 29  Análisis de la dureza ............................................................................................................. 29  Cálculos ................................................................................................................................. 32 3.3.2 Resultados ................................................................................................................................ 35 3


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3.3.3 Tratamiento matemático .......................................................................................................... 42  Variables ............................................................................................................................... 42  Función logística ................................................................................................................... 44  Resultados (dureza) .............................................................................................................. 46  Representación gráfica ........................................................................................................ 50 3.3.4 Interpretación ........................................................................................................................... 54 3.3.5 Discusión ................................................................................................................................... 55  Contrastar los resultados teóricos con los prácticos ............................................................ 55  Extrapolar y predecir el comportamiento de la resina ......................................................... 55

4.

Conclusiones .................................................................................................... 57

5. Bibliografía......................................................................................................... 62 5.1 Libros consultados .................................................................................................... 62 5.2 Páginas web ............................................................................................................. 63

6. Agradecimientos................................................................................................. 65 7.

Anexos ............................................................................................................ 67

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1. Introducción 1.1 Elección del trabajo La primera pregunta que me hice al pensar sobre la investigación fue: ¿de qué la hago? No era una pregunta de fácil respuesta. Ahora bien ¿Por qué me decidí a redactar un estudio sobre la evolución de las resinas de intercambio iónico con su uso en el campo de la descalcificación? La explicación es extensa. Al principio de todo sólo tenía una idea clara: quería hacer un trabajo científico: quería aplicar todos mis conocimientos en un tema nuevo, donde pudiera extraer mis propias conclusiones. Pero la ciencia es muy amplia, y yo me sentía abrumado ante todas las opciones disponibles. Deseaba que mi trabajo constara de una parte práctica, de trabajo en el laboratorio, porque tenía la intención de aprender como se trabajaba allí. Pero tampoco quería que mi estudio se limitara a hacer pruebas y pruebas: quería hacer un análisis profundo de los resultados. Igualmente, prefería que el campo a estudiar fuera accesible, que tuviera una gran variedad de fuentes de información. De la misma manera, mi objetivo era aportar algo mínimamente nuevo, pretendía innovar dentro de lo posible. Por último, tenia como objetivo que mi trabajo resultara interesante y cercando a quien lo leyera. Lleno de dudas, decidí pedir consejo a todo el mundo. Finalmente fue mi coordinadora (Paloma Pérez) quien me dio la idea definitiva: la descalcificación. La descalcificación es el proceso que permite eliminar o reducir la dureza del agua, es decir, la concentración de calcio y magnesio. La dureza del agua es una problemática común en la provincia de Tarragona: tenemos un agua muy dura producto de su extracción subterránea en zonas calcáreas. Este era un tema cercano, con mucha información disponible y, a la vez, ofrecía la posibilidad de innovar: es un tema que ha evolucionado con el tiempo, y todavía se presta a mejoras y nuevos descubrimientos. Desgraciadamente, el campo de la descalcificación aún era demasiado extenso; necesitaba concretar cual de los métodos de descalcificación existentes escogería para mi estudio. Inicialmente, la coordinadora me recomendó que me centrara en el uso de las resinas, una sustancia sintética que elimina la dureza. Yo, en cambio, no acababa de estar del todo convencido de su potencial. Por eso, aposté por el uso de la electricidad (imitando los métodos eléctricos actuales). Calculé que en cuatro meses (de mayo a agosto) tendría tiempo más que suficiente para construir un descalcificador eléctrico, experimentar con él y llegar a unas conclusiones finales. Muy a mi pesar, ninguno de mis intentos (que se recogen extensamente en los anexos) consiguió los resultados esperados. Llegué a principios de curso únicamente con la parte teórica completa: tenía que hacer otro proyecto práctico. Como es evidente, necesitaba un nuevo método de descalcificación que me ofreciera plenas garantías de éxito. Por este motivo, acabé siguiendo el consejo de la coordinadora y estudiar el tratamiento con resinas. La elección del tema ya estaba resuelta. Ahora tenía que plantearme los objetivos del estudio. 5


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1.2 Objetivos Un tema por sí mismo no es nada sin unas pautas de trabajo, unos objetivos y unas metas a cumplir. Quería estudiar el tratamiento con resinas, sí, pero necesitaba plantearme como lo quería hacer. Si quería estudiar la descalcificación con resinas, lo primero que necesitaba era un descalcificador. Ya que tenía cierta experiencia después de cuatro meses de construcción de prototipos eléctricos, quise crear un descalcificador propio. Puedo decir, por lo tanto, que el primer objetivo de la investigación era: 

Construir un descalcificador con resinas eficiente.

Después de construirlo, debería realizar el estudio en sí mismo: tendría, por lo tanto, analizar su funcionamiento para poder darle un uso óptimo. Para analizarlo, haría falta que estableciera previamente las hipótesis sobre la evolución de los diversos parámetros de las resinas a lo largo de su uso.

Dichas hipótesis parten de un conocimiento mínimo sobre el funcionamiento de las resinas, conocimiento que se puede adquirir consultando la parte teórica del trabajo o, si se quiere una perspectiva mucho más profunda, mirando los anexos, que incluyen una ampliación de los conceptos teóricos que resultará muy interesante a los lectores curiosos. En caso de querer más información, recomiendo empezar por la extensa bibliografía consultada, que incluye un gran número de libros con acceso parcialmente libre a través de internet.

Ilustración 1 - Esquema de la investigación

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1.2.1 Uso de las nuevas tecnologías Tras leer algunas investigaciones de alumnos del centro, me percaté de que en la gran mayoría había un aspecto que se podía explotar más: el uso de las nuevas aplicaciones informáticas. Estas herramientas han tenido una doble función en la investigación: 

Por un lado, me han facilitado el análisis de les resultados obtenidos, ya que los programas que utilizaba me proponían multitud de modelos matemáticos que podía seguir la dureza del agua tratada por las resinas. Igualmente, he querido incorporar animaciones, vídeos e hipervínculos en el trabajo, de manera que resulte mucho más interactivo y, sobretodo, accesible.

Por este motivo, recomiendo activamente que este trabajo de visualice, por lo menos una vez, por ordenador. Si no, el lector se perderá numerosos contenidos que le amenizarían la lectura y contribuirían a mejorar la comprensión de ésta. Para acceder a la versión virtual de la investigación se pueden utilizar dos vías: abrir la copia del trabajo en el DVD interactivo que se adjunta, o bien consultar mi página web1, que contiene una copia íntegra del trabajo para todo aquel que lo necesite y tenga interés en verlo.

Se puede acceder al contenido multimedia haciendo CRT + Clic Izquierdo sobre las imágenes con el título Animación o Vídeo, o bien sobre las palabras en azul subrayadas. També se puede visualizar desde el DVD de la investigación, aunque se pierde el contexto del contenido. La versión .pdf no incluye esta posibilidad.

Para realizar el trabajo he utilizado, aparte de los programas típicos (word, excel, etc):         

CurveExpert 1.3 & FindGraph 1.960: Programas de tratamiento matemático. Macromedia Flash Professional 8: Para crear animaciones. Chemoffice 2005: Para incorporar fórmulas químicas. ACDLabs products (ChemSketch & 3D Viewer): Para añadir moléculas en movimiento. OrCAD 15.7: Programa de creación de esquemas eléctricos. AutoCAD 2008: Programa de diseño 3D, para los esbozos de los prototipos. Pinnacle Studio Ultimate 12: Editor de vídeo. Autoplay Media Studio 7.1: Creador de menús interactivos para CD/DVD. Microsoft Expression Web: Para diseñar la página web de la investigación.

Recomiendo ver el trabajo en formato .docx y .xlsx (Office 2007) para poder ver los vídeos y otros contenidos interactivos. En todo caso, el trabajo consta de una versión en .pdf para facilitar su lectura desde cualquier equipo. 1

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1.3 Hipótesis  Hipótesis iniciales Al empezar el trabajo decidí plantearme un conjunto de parámetros a estudiar, así como las hipótesis sobre su comportamiento.

La resina no es eterna, se agota. Este agotamiento progresivo de la resina se llama saturación. Quería que una parte de mi estudio tratara de analizar la evolución de la saturación a lo largo del ciclo de uso de la resina. Era difícil determinar una hipótesis sobre el comportamiento de las resinas: éstas podían imitar muchos tipos de comportamientos: lineal, donde la resina se satura uniformemente; exponencial o logarítmica (donde se satura de golpe), etc. Finalmente, pensé que la respuesta más probable sería la más sencilla (es decir, que la saturación fuera constante), de manera que mi hipótesis inicial fue que: 

Lo más probable es que la resina se sature uniformemente, por lo que el modelo que describa la variación de la dureza debería corresponder a una función lineal.

Para saber la dureza a lo largo del cicle de uso de la resina, realizaría pruebas químicas una vez que la resina hubiera tratado una cierta cantidad de agua. La resina tiende a eliminar tota la dureza que puede. A pesar de eso, un agua con una dureza muy baja (un agua blanda), tampoco resultaría beneficiosa para ingesta (sí en cambio para otros campos domésticos), hace falta encontrar un equilibrio, una dureza ideal. Ese valor de dureza corresponde a 225mlCaCO3/l. Por eso creí necesario encontrar la cantidad de resina que necesitaba para dotar a un determinado volumen de agua de una dureza ideal. Esta cantidad de resina se encuentra muy relacionada con la hipótesis anterior, ya que: 

Si consideramos que la resina sigue una evolución lineal en su rendimiento, entonces, la cantidad de resina necesaria per obtener una dureza ideal aumentará proporcionalmente al volumen de agua tratado.

Para comprobar esta hipótesis no era necesaria ninguna prueba adicional (aparte de para comprobar la hipótesis anterior): cuando supiera la evolución de las resinas a lo largo de su uso, podría predecir qué dureza tendría el agua en todo momento, por lo que sabría cuando de acercaba este valor al de la dureza ideal.

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Cuando la dureza se elimina, pueden suceder dos cosas con el agua tratada: se puede volver más ácida o bien puede aumentar su nivel de sodio. Estos dos factores afectan negativamente a la calidad del agua, de manera que es posible que el agua que haya tratado la resina, pese a no tener tanta dureza, no sea apta para su consumo o uso. Un nivel de sodio demasiado elevado es perjudicial para personas con la tensión alta, y puede dañar los electrodomésticos. Un agua ácida tiene un sabor desagradable, y es mala para la salud y las tuberías. Si quería hacer un estudio en profundidad sobre el tratamiento con resinas, también debía analizar sus consecuencias negativas. Si los inconvenientes superaban las ventajas, entonces su uso no compensaba. Con todo esto pensé en dos hipótesis:  

Es posible que el agua tratada tenga una calidad final aceptable. Probablemente, el agua tratada tenga un descenso en su calidad final demasiado elevado como para poder ser utilizada.

Ahora bien, el análisis de estos parámetros suponía un problema: tenía que hacer una gran cantidad de pruebas ya sólo para comprobar las dos primeras hipótesis (llegué a hacer más de 400 análisis). Si además de analizar la dureza, tenía que mediar el nivel de sodio y acidez, no acabaría nunca. Como se verá más adelante, preferí calcular estos parámetros indirectamente utilizando la dureza.

 Hipótesis posteriores Durante la confección del trabajo surgieron otros interrogantes, los cuales traté de responder.

Las resinas se utilizan en dos grandes ámbitos: doméstico (tratamiento de piscinas, consumo humano...) e industrial (casi todas las industrias utilizan un método de descalcificación u otro). Estos dos tipos de resinas no son iguales: así, por ejemplo, el agua no destinada a consumo humana tratada por les resinas descalcificadoras domésticas tiene más sodio, y la tratada por las industriales es más ácida. Pero ¿qué otras diferencias hay entre los dos tipos de resinas? ¿Cuál es mejor? ¿Cuál trata más agua? Las resinas domésticas pasan por unos controles de calidad más estrictos, por eso, mi hipótesis inicial era: 

Las resinas domésticas e industriales se utilizan en ámbitos diferentes; por lo tanto, es razonable que presenten una evolución diferente de la dureza que eliminan a lo largo de su uso.

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Para corroborar la hipótesis tendría que trabajar con dos tipos de resina, esto es, debería realizar todas las pruebas y análisis posteriores por duplicado, a una resinas industrial y una doméstica: sólo así vería las diferencias entre ellas. A lo largo del trabajo me planteé otra cuestión a estudiar: ¿qué determina la calidad de una resina? Las resinas están constituías por pequeños componentes químicos (polímeros), un mayor porcentaje de uno u otro componente da a la resina diferentes propiedades. Quise centrarme en la variación de la calidad de la resina en función del porcentaje de divinilbenceno (un polímero común en casi todas las resinas). Según esto, existen dos posibles hipótesis:  

El divinilbenceno aumenta la calidad de la resina. El divinilbenceno disminuye la calidad de la resina.

Estas hipótesis suponen un problema, y es que no tengo manera alguna de cuantificar el porcentaje de divinilbenceno de la resina. Afortunadamente puede basarme en otro concepto para esclarecer estas hipótesis: el divinilbenceno disminuye la capacidad de intercambio de la resina, por lo que una resina con más divinilbenceno se saturará antes.  

Si la resina que se satura más tarde tiene mayor calidad, entonces el divinilbenceno aumentará la calidad de la resina. Por contra, si sucede lo contrario, el divinilbenceno afectará negativamente en la calidad de la resina.

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2. Fundamento teórico 2.1 El agua El agua es un compuesto de vital importancia: es el componente mayoritario de nuestro cuerpo, y presenta un conjunto de características que la hacen única. Para iniciar este trabajo hay que hacer unas breves consideraciones sobre el agua.

2.1.1 Estructura El agua es un compuesto conformado por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxigeno (O) unidos por enlaces covalente y dispuestos en una estructura triangular plana de 104.45o. El átomo de oxigeno atrae más intensamente los electrones que no los de hidrógeno, ya que estos son menos electronegativos. Este hecho crea un enlace con dipolo, lo cual, unido a la presencia de fuerzas de repulsión de dos pares de electrones no enlazantes, confiere al agua una estructura polar. Dicha estructura la convierte en un disolvente universal (disuelve todas las substancias polares). Además, presenta interacciones intermoleculares con puentes de hidrógeno (entre átomos de hidrógeno y oxigeno de moléculas diferentes), lo que le otorga una mayor cohesión interna (puntos de fusión y ebullición más elevados). El agua pura es líquida, insípida inodora y no conduce la electricidad. Pero el agua pura no existe en la naturaleza: es un gran disolvente, por lo que acostumbra a incorporar otras substancias: cationes, aniones, pesticidas, microorganismos, etc. Animación 1 - Estructura del agua

Estos factores dan a las diferentes aguas propiedades diversas.

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2.1.2 ParĂĄmetros que determinan su calidad Existen un conjunto de caracterĂ­sticas fĂ­sicas, quĂ­micas y biolĂłgicas que nos dan informaciĂłn sobre la calidad del agua. Las propiedades que se describen ahora son tan sĂłlo las que tienen relaciĂłn con el tratamiento con resinas, eje que vertebra el trabajo.

ďƒ˜ ParĂĄmetros fĂ­sicos Sabor y olor El sabor y el olor no pueden medirse objetivamente: dependen de los Ăłrganos de quien los analiza. Por norma general, el agua suele tener un sabor refrescante y es inodora. Por otro lado, concentraciones elevadas de cloro, sulfatos o fenoles le dan un sabor y olor salado, amargo o desagradable. El CO2 libre en el agua le proporciona un toque picante: por eso se utiliza en muchas bebidas y refrescos.

Color El color del agua viene determinado por el espectro visible que absorbe. El agua pura tiene un color azulado tĂ­pico exclusivamente a grandes profundidades. La composiciĂłn del suelo suele marcar su color; el hierro, por ejemplo le da un color mĂĄs rojizo. El color del agua es tambiĂŠn un factor estĂŠtico que afecta su potabilidad. Para tratarlo normalmente se utiliza la cloraciĂłn, la filtraciĂłn, la coagulaciĂłn y los filtros de carbĂłn activado2, entre otros.

ďƒ˜ ParĂĄmetros quĂ­micos pH Las soluciones acuosas contienen iones H+ y OH-. SegĂşn su concentraciĂłn, la la soluciĂłn tendrĂĄ un carĂĄcter ĂĄcido o bĂĄsico. Esto confiere ciertas propiedades a la disoluciĂłn. El pH (potencial de hidrĂłgeno) expresa la concentraciĂłn de iones H+ que se encuentran en disoluciĂłn acuosa. Podemos definir el pH como el logaritmo inverso de la concentraciĂłn de iones: đ?‘?đ??ť = đ?‘™đ?‘œđ?‘”

1 = −đ?‘™đ?‘œđ?‘” đ??ť + đ??ť+

AsĂ­, una concentraciĂłn de 10-5 H+ M se expresarĂĄ como: đ?‘?đ??ť = đ?‘™đ?‘œđ?‘”

1 = −đ?‘™đ?‘œđ?‘” 10−5 10−5 đ?‘?đ??ť = 5

En funciĂłn de su pH, distinguimos tres tipos de soluciones. 2

CarbĂłn activado: Conjunto de materiales carbonosos con gran capacidad gran capacidad de adsorciĂłn. 12


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Tabla 1 - Tipos de soluciones segĂşn pH

El agua potable tiene un pH que oscila entre 6 y 8, mientras que el de la pura es de 7. Cuando un ĂĄcido y una base reaccionan, se forma una sal y agua. Por ejemplo: đ??ťđ??śđ?‘™ + đ?‘ đ?‘Žđ?‘‚đ??ť → đ?‘ đ?‘Žđ??śđ?‘™ + đ??ť2 đ?‘‚ SegĂşn la teorĂ­a de Lewis, definimos un ĂĄcido como aquella substancia que puede recibir un par de electrones. Las substancias ĂĄcidas se caracterizan por tener un sabor ĂĄcido, disolver metales, conducir la electricidad en soluciĂłn y cambiar el color de ciertos indicadores. Por otro lado, las bases son substancias capaces de ceder un par de electrones. Las bases tienen sabor amargo, conducen la electricidad en soluciĂłn, son de tacto lechoso, no reaccionan con los metales y acostumbran a ser corrosivas para la piel. Como es evidente, a medida que el agua se aleje de pH = 7 presentarĂĄ una peor calidad.

Dureza Definimos la dureza como la cantidad total de iones multivalentes presentes en el agua. Estos iones substituyen los iones de sodio y potasio de los jabones, formando precipitados. AdemĂĄs, reaccionan con ciertos iones provocando incrustaciones que afectan a las caĂąerĂ­as. Los iones multivalentes de magnesio y calcio son los mĂĄs abundantes con diferencia: es por eso que su concentraciĂłn (expresada bĂĄsicamente en mgCaCO3/l o en grados hidromĂŠtricos) es equivalente a la dureza total. La dureza cĂĄlcica serĂĄ la concentraciĂłn de iones calcio, y la magnĂŠsica, la del magnesio. En funciĂłn del nivel de dureza se distinguen 4 tipos de agua.

Tabla 2 - Tipos de agua segĂşn dureza

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Asimismo, podemos clasificar la dureza en:

Dureza temporal o carbonatada -

Formada por las sales bicarbonatadas de magnesio y calcio. A temperatura elevada, el bicarbonato se descompone en diĂłxido de carbono y carbonato cĂĄlcico, insoluble, y precipita formando incrustaciones. đ??śđ?‘Ž đ??ťđ??śđ?‘‚3 o o

2

→ đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 + đ??śđ?‘‚2 + đ??ť2 đ?‘‚

Esta dureza se puede eliminar por ebulliciĂłn. Deja los tĂ­picos fondos blancos de las teteras y otros utensilios de cocina.

IlustraciĂłn 2 - Incrustaciones de dureza

Dureza permanente o no carbonatada -

Aquella dureza debida a sales no bicarbonatadas como ahora sulfatos, cloruros o nitratos (principalmenteđ?‘’ đ??śđ?‘Žđ?‘†đ?‘‚4 ); esto es, sales solubles. Se llama permanente porque no se elimina por ebulliciĂłn.

Aguas excesivamente duras pueden provocar problemas en el ĂĄmbito industrial debido a su carĂĄcter incrustante. Un agua demasiado blanda, en cambio, presenta una gran agresividad: ataca sĂłlidos como, por ejemplo, cemento y derivados. Aunque la OrganizaciĂłn Mundial de la Salud no establece ningĂşn valor orientativo, ciertas investigaciones3 apuntan a un agua idĂłnea para el consumo de entorno a 225mgCaCO3/L:

Tabla 3 - Dureza recomendada

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La misma OMS hace referencia en su informe: http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/nutrientschap12.pdf 14


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Es por estos motivos que la descalcificación, el conjunto de tratamientos físicos y/o químicos para disminuir la dureza (o ablandar el agua), son una necesidad. A pesar de que expresaré la dureza mayoritariamente en mgCaCO3/l y algunas veces en grados franceses (ºHf), he creído conveniente mostrar una tabla de conversiones a otras unidades, siendo las más importantes las dos que utilizo.4

Tabla 4 - Unidades de dureza y equivalencia entre ellas

Sodio El sodio es un elemento muy abundante en el agua. Tiene una gran importancia tanto para los seres humanos (ayuda a mantener la composición de fluidos internos y permite el funcionamiento de nervios y músculos), como en la agricultura (afecta al suelo). El sodio, junto con el cloro, es lo que confiere al agua su gusto salado. La OMS recomienda un máximo de 200mg/l.

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Tabla extraída de ATH. 15


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2.2 La descalcificación: Los anexos incluyen información mucho más ampliada sobre la descalcificación. Lo que se muestra a continuación es un breve resumen de todo lo esencial para entender el trabajo. Hay una gran variedad de métodos que actualmente se utilizan per evitar los efectos nocivos de la dureza. Generalmente, los métodos de descalcificación eliminan los iones de calcio y magnesio, aunque existen excepciones. Los métodos más importantes son las resinas de intercambio iónico y las membranas semipermeables de la osmosis inversa.

2.2.1 Resinas de intercambio iónico Como su nombre indica, el intercambio iónico consiste en el paso de iones de un lugar a otro: las resinas iónicas retienen el calcio y el magnesio y liberan H+ o Na+. Un vez se han intercambiado todos los iones H+ o Na+ de la resina por los Ca2+ y Mg2+ del agua, la resina se satura, es decir, deja de tener capacidad de intercambio. Para reiniciar el proceso hace falta iniciar un procedimiento inverso de regeneración: añadir una solución con sal (o un ácido en ciertas resinas) llamada salmuera. Durante la fase de salmuera la resina retiene el sodio y libera el calcio y magnesio que retenía: la fuga de dureza resultante provoca que durante este proceso el agua no sea apta para su uso.

Animación 2 - Esquema de l intercambio iónico

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Las resinas actuales acostumbran a estar compuestas por divinilbenceno y estireno. Según su proporción, existen diversos tipos de resinas con diferente capacidad de intercambio, selectividad y otras características físicas y químicas; así, una resina con mayor divinilbenceno tiene una menor capacidad de intercambio pero no se infla tanto con el agua. Les resinas se utilizan en ámbito doméstico e industrial de diferentes maneras: en el ámbito doméstico de cara a usos no vinculados con el consumo se utilizan resinas que liberan sodio para ablandar el agua; para el consumo humano se hace uso de resinas con grupos hidrógeno (como las de las conocidas jarras Brita), que comportan un aumento de acidez; este aumento puede equilibrarse con otra resina de diferente naturaleza (aniónica). En el ámbito industrial se suele optar por el uso simultáneo de resinas aniónicas y catiónicas para desionizar el agua. El soporte para la resina (dispositivo donde se depositan) para su utilización es siempre el mismo: un lugar donde almacenar las resinas, otro en el que preparar la salmuera y una válvula que regula el equipo. No obstante, los montajes particulares no profesionales pueden ser más simples; sólo se necesita un tanque con la resina y un grifo en la parte inferior por donde salga el agua tratada.

Ilustración 3 - Resina

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2.2.2 Osmosis inversa El fenómeno de la osmosis es simple: dado un fluido separado por una membrana semipermeable, este tiende a desplazarse de la solución más diluida a la más concentrada para así igualar la concentración en ambos lados. Si aplicamos una determinada presión (llamada presión osmótica) se puede impedir este proceso o incluso invertirlo en la que se conoce como osmosis inversa. Con la osmosis inversa, se acumula un volumen de agua purificada en uno de los extremos de la membrana. Esta agua puede utilizarse tanto en la industria como en el hogar.

Animación 3 - Esquema de la osmosis inversa

Las membranas utilizadas en todos estos procesos son muy sensibles a la contaminación orgánica. Por esta razón, los tratamientos de osmosis inversa van precedidos de otros que eviten la rápida degradación de la membrana (como ahora el carbón activado). Homólogamente a les resinas, existe una gran variedad de membranas de diferente composición y forma presentan diferentes características (presión soportable, volumen de agua tratado, etc.)

2.2.3 Métodos eléctricos Los iones tienen carga eléctrica. Si los hacemos circular a través de un campo eléctrico, los cationes de desplazaran hacia el cátodo y los aniones hacia el cátodo. Este es el principio de los siguientes métodos:

 Electrodiálisis Los iones se acumulan en ciertas regiones de la tubería debido a la presencia de membranas iónicas. Estas membranas pueden ser de naturaleza catiónica o aniónica y tan sólo permiten que circulen por ellas cationes o aniones respectivamente. Con esta redistribución de las cargas se consiguen compartimientos desionizados.

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Animación 4 - Esquema de la electrodiálisis

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 Electrodiálisis inversa Con tal de facilitar el mantenimiento de los equipos de electrodiálisis, en la electrodiálisis inversa se invierte cada cierto la polaridad de los electrodos causantes del campo: los propios iones mantienen el sistema.

 Electrodesionización Se incorporan resinas de intercambio iónico entre las diferentes membranas; así el tratamiento es mucho más efectivo. Los métodos eléctricos requieren de un espacio considerable (están limitados a la industria) y han perdido importancia en los últimos años.

2.2.4 Inhibidores electrónicos Los inhibidores electrónicos no eliminan la dureza, pero evitan sus efectos perjudiciales. El carbonato cálcico (CaCO3) se forma a causa de la energía calorífica aportada por las resistencias de los sistemas eléctricos (de lavadoras, por ejemplo), el carbonato cálcico acaba incrustándose en el sistema, disminuyendo así su rendimiento y suponiendo un problema a largo plazo. Los inhibidores aportan energía a los iones calcio, magnesio, bicarbonatos y carbonatos. Esta aportación energética forma un CaCO3 con una estructura tridimensional diferente que evita que se incruste.

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Por problemas informáticos, ésta es la única animación que no ha podido ser traducida al castellano. De todos modos, puede entenderse perfectamente. 19


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3. Construcción y análisis de un prototipo de intercambiador iónico Proyecto científico-tecnológico

En un principio, quise centrar mi parte práctica del trabajo en los tratamientos eléctricos: primero quería crear un aparato que produjera un alto voltaje, y después analizar su impacto en el tratamiento de la dureza. Tras numerosas tentativas sin éxito, opté por un proyecto más seguro, las resinas de intercambio iónico.

3.1 Principios El tratamiento doméstico de agua con resinas incluye campos tan diversos como las piscinas y el consumo humano. Ciertos datos de les resinas pertenecen al ámbito científico, por lo que muchas veces desconocemos exactamente sus especificaciones y nos limitamos a utilizarlas de manera intuitiva, sin llegar a su rendimiento máximo, o bien simplemente seguimos las directrices de los proveedores sin saber del todo por qué. En este proyecto quiero romper ese esquema. Como su nombre indica, el objetivo del proyecte científico-tecnológico es doble: 1. Tiene una vertiente tecnológica, en la que explicaré cómo he construido el descalcificador doméstico para la resina. 2. También está constituido por una parte científica. Experimentalmente trataré de encontrar ciertos parámetros de la resina adquirida, para mejorar su uso.

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.2 Fase tecnológica 3.2.1 Precedentes Los descalcificadores domésticos son muy sencillos de construir: simplemente es necesario disponer de un recipiente acoplado a un grifo. Es decir, un orificio de entrada y uno regulable de salida. Después, el usuario deposita la resina en el recipiente, añade agua, espera un tiempo prudencial, abre el grifo y recoge el agua tratada. La regeneración de la resina se hace en una única dirección y en dos fases: incorporación de la salmuera y lavado rápido (aportar un flujo rápido de agua para eliminar restos de sal). A pesar de ello, es posible mi descalcificador, que ha de cumplir ciertos requisitos especiales (para facilitar su análisis), sea ligeramente diferente.

3.2.2 Anteproyecto Con las premisas de los precedentes, imaginé las características del soporte donde utilizar las resinas. 1. Con el propósito de distribuir homogéneamente la resina, manipulación sencilla y una razón práctica y estética, quería un descalcificador de forma cilíndrica. 2. Por motivos económicos y de tiempo, no deseaba tener que tratar grandes volúmenes de agua. El soporte debería ser relativamente pequeño. Sin embargo, era necesario que el agua no impactara directamente sobre la resina (puesto que la desplazaría, y al hacerlo que alteraría su disposición en el descalcificador por lo que podría variar los resultados) sino que tenia que caer en un pequeño depósito de agua previo; por lo tanto, el diseño debía ser alargado. 3. Ya que mi objetivo era establecer relaciones entre volúmenes de resina y agua, necesitaba que el agua recorriera toda la resina antes de salir al exterior. Es por eso que el conducto de salida tenía que estar justamente al final de toda la resina. Decidí incorporar un grifo en la base. 4. La resina podría salir por el grifo por efecto de la gravedad. Hacía falta incorporar una capa permeable que la aislara del exterior. Así el agua podría salir, pero la resina no. Con todo esto elaboré un esbozo de lo que debería ser mi prototipo descalcificador:

21


La descalcificaci贸n con resinas de intercambio i贸nico

Dibujo 1 - Primer prototipo

En la parte superior, la perspectiva externa del soporte: Rojo: Tubo

Azul: Grifo

En la parte inferior, una secci贸n del soporte: Gris: Tubo

Amarilla: Capa permeable

Rojo: Grifo

Naranja: Resina 22


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.2.3 Construcción 1 La construcción del soporte no presentó excesivos problemas. De hecho, disponía de gran diversidad y cantidad de material acumulado en proyectos anteriores.

 Materiales 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tubo de PVC de 50mm. Unión de 50mm. Filtro de cafetera. Rejilla de metal. Reducción de tubo de 50mm a tubo de 32mm. Transición de tubo de 32mm a rosca macho de ¾’’. Tapón de ¾’’.

 Procedimiento 1. Cortar unos 25cm del tubo de PVC 2. Empalmar la transición con la reducción utilizando pegamento para plástico. 3. Empalmar la parte anterior con la unión de 50mm. Para rellenar el espacio vacio entre los dos componentes, llenar con plástico y sellar con cola. 4. Empalmar el tubo de 50mm con el resto. 5. Cortar la rejilla y el papel de filtre en forma circular con un diámetro de 50mm. 6. Introducirlos (primero la rejilla y después el filtro).

3.2.4 Revisión Tras su construcción se observó un inconveniente: esporádicamente, cuando había un movimiento brusco, el papel de filtro se desplazaba, produciendo grandes pérdidas de resina imposibles de evitar. Por este motivo, se hacía necesario encontrar alguna forma de aislar mejor la resina del exterior. Inspirándome en proyectos anteriores, concebí otro tubo extraíble introducido dentro del soporte inicial: este tubo tendría un recubrimiento de tela ajustado a su parte inferior, por lo que sería virtualmente imposible que la resina escapara.

23


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Dibujo 2 – Segundo prototipo

En la parte superior, la perspectiva externa del soporte: Verde: Tubo extraíble Rojo: Tubo inicial

Azul: Grifo

En la parte inferior, una sección del soporte: Gris: Tubo

Amarillo: Tejido permeable

Naranja: Resina 24


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.2.5 Construcción 2  Materiales 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Tubo de PVC de 50mm. Tubo de 32mm. Unión de 50mm. Reducción de tubo de 50mm a tubo de 32mm Transición de tubo de 32mm a tuerca rosca macho de ¾’’. Tapón de ¾’’. Tela sintética permeable. Gomas elásticas o similares. Tapón de ¾’’.

 Procedimiento 1. 2. 3. 4.

Repetir los pasos 1 a 4 del procedimiento anterior. Cortar 30cm del tubo de 32mm. Recubrir la parte inferior con la tela. Atar fuertemente la tela al tubo utilizando las goma elásticas.

3.2.6 Revisión 2 Construido el nuevo descalcificador, hacía falta comprobar que su construcción era correcta. Después de uso continuado, no se detectó ninguna fuga de agua o resina. Así pues, podía pasar a la fase científica.

Vídeo 1 - Construcción del descalcificador por resinas 25


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.3 Fase científica Una vez construido el soporte para las resinas, hacia falta iniciar la fase científica del proyecto; esto es, buscar las relaciones entre ciertos parámetros del agua y las resinas para poder extraer el máximo provecho.

3.3.1 Metodología  Manipulación de los parámetros del descalcificador Para corroborar o refutar mis hipótesis, tenía que alterar ordenadamente los diferentes parámetros que afectan a la dureza del agua. Si los estudiaba así, podría saber quál era el impacto que tenía cada uno.

Curva de evolución del rendimiento de la resina con su uso Para saber la capacidad real de la resina después de haber tratado cierto volumen de agua, debería realizar análisis periódicos del agua saliente: su dureza mostraría la efectividad actual de la resina, y consecuentemente, la certeza de mis hipótesis.

Cantidad óptima de resina para tratar cierta cantidad de agua Tendría que probar diferentes volúmenes de resina totalmente no saturada con una cantidad de agua concreta, comprobar el nivel de dureza, repetir el experimento con diversos volúmenes de agua y extrapolarlo. Ya que también estudiaba la evolución de la resina con el uso, los valores de dureza con agua tratada nula (es decir, resina que todavía no ha intercambiado ningún ión) también servirían para esta parte del proyecto.

Calidad del agua resultante Si quería determinar la calidad del agua, únicamente tendría que comparar los valores de sodio y pH iníciales con los finales.

Diferencias entre resinas domésticas e industriales Para encontrar diferencias entre las 2 resinas tendría que comparar sus resultados.

Calidad de la resina No podía alterar la calidad de la resina, pero con el resto de datos podría deducir cuál era la mejor.

26


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Factores a considerar Mus experimentos dependían de diversos factores:

Dureza inicial del agua El agua a tratar seria el agua corriente, por lo que tenía que determinar su dureza utilizando el procedimiento explicado en el próximo apartado. Aun así, para contrastar mis resultados, solicité una copia de los análisis efectuados por al agua corriente por Aigües de Reus empresa municipal S.A. Igualmente, comparé los resultados obtenidos con los de la web del Consorcio de aguas de Tarragona6. Los valores de los análisis oficiales daban una dureza de 38ºHf-40ºHf. Realicé unas cuantas pruebas de dureza con el agua del grifo para ver si los resultados coincidían: mis análisis la situaban entorno a 40ºHf; esto confirmaba mis resultados y procedimientos como correctos. Para evitar errores en el experimento, realizaría análisis de dureza al agua corriente antes y después de cada sesión para asegurar su valor constante; en caso contrario utilizaría como valor de referencia la media aritmética entre los dos valores. Sin embargo, durante casi todas las pruebas el valor se mantuvo en 40ºHf.

Volumen de agua Los volúmenes de agua que se trataran se irían añadiendo con una probeta de 500ml.

Cantidad de resina Pesaría la resina antes de introducirla en el descalcificador.

Tipo de resina Pude tener acceso a 2 tipos diferentes de resina; una de uso industrial y otra doméstica.

Resina doméstica: Ecowater (proveedor de ATH)  

Regeneración: Cloruro de sodio. Forma iónica: Na+

Resina industrial Picopure 650 (utilizada a BASF)  

6

Resina de ácido fuerte. Composición o Matriz  Estireno y 10% DVB  Grupo funcional: Ácido sulfónico. o Forma iónica: H+. Regeneración: Ácido clorhídrico o sulfúrico.

Consorcio de Aguas de Tarragona: http://www.ccaait.com/ 27


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Nivel de sodio y pH La resina doméstica expulsa iones sodio durante el intercambio iónico; la industrial, protones. A partir del EDTA utilizado en la prueba de la dureza, también se pueden obtener los nuevos niveles de sodio y pH (de manera indirecta) y determinar si el agua es apta para el consumo. Con todo eso creé una plantilla: planificación de la experiencia. Esta plantilla me ayudaría a estandarizar los procedimientos.

Planificación de la experiencia M

0,01M

Dureza del agua Tipo de resina Cantidad de resina (g) Agua entre análisis (l) Volumen de agua

EDTA (ml)

Tabla 5 – Planificación de la experiencia

28


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

ďƒ˜ Intervalos utilizados DespuĂŠs de unas pruebas preliminares, determinĂŠ que los anĂĄlisis se llevarĂ­an a cabo: 



Con incrementos de 10mg de resina en cada experiencia: de 10, 20, 40 y 50 para la domĂŠstica y 10, 20 y 30 para la industrial. Posteriormente aĂąadirĂ­a dos experiencias mĂĄs (30g de resina domĂŠstica y 50g de industrial) con el propĂłsito de verificar las predicciones hechas tras los anĂĄlisis de las primeras cantidades. AnĂĄlisis por cada litro y, posteriormente, cuando la resina perdiera efectividad, cada 0.5l.

En ciertos casos se hicieron anĂĄlisis a los 2 o 2.5l debido a la invariaciĂłn del rendimiento de la resina.

ďƒ˜ AnĂĄlisis de la dureza Para medir la dureza del agua utilicĂŠ una valoraciĂłn complejomĂŠtrica con EDTA.

Principio teĂłrico El negro de eriocromo T es una substancia indicadora que al asociarse con iones metĂĄlicos cambia su color, dando a la soluciĂłn un tono vi rosado. La sal disĂłdica de ĂĄcido etilendiaminotetraacĂŠtico (EDTA) forma complejos mĂĄs estables con los iones metĂĄlicos. Es por eso que al aĂąadirla a la soluciĂłn, los iones metĂĄlicos se disocian del negro de eriocromo T y se unen al EDTA. Esto provoca otro cambio del color en la soluciĂłn, que se vuelve de un azul claro intenso. La formaciĂłn de complejos de EDTA con iones metĂĄlicos es mol a mol. AdemĂĄs, bajo ciertas condiciones de pH, se puede regular su selectividad verso respecto a ciertos elementos. La reacciĂłn que tiene ligar entre el EDTA y los iones de calcio y magnesio es la siguiente:

đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 +

đ??śđ?‘Ž2+ đ??śđ?‘Ž2+ → đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ + 2đ?‘ đ?‘Ž+ đ?‘€đ?‘”2+ đ?‘€đ?‘”2+

Gracias a esto, podrĂŠ determinar la dureza de les muestras de agua, asĂ­ como el incremento de sodio o de dureza. Durante el intercambio iĂłnico, segĂşn si el grupo iĂłnico de la resina tiene sodio o hidrĂłgeno, se produce la siguiente reacciĂłn entre los iones de la resina y el calcio y el magnesio. 2đ?‘…1

đ?‘ đ?‘Ž+ đ??śđ?‘Ž2+ đ??śđ?‘Ž2+ đ?‘ đ?‘Ž+ + → đ?‘… + 2 2 đ??ť+ đ?‘€đ?‘”2+ đ?‘€đ?‘”2+ đ??ť+

Por lo tanto, si calculo la dureza extraĂ­da, podrĂŠ deducir el sodio/hidrĂłgeno aportado. 29


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Reactivos -

Solución EDTA 0.01M Complejo de magnesio Disolución reguladora de pH 10 (tampón) Negro de eriocromo T

Materiales -

Matraz de Erlenmeyer de 100ml Vaso de precipitados de 100ml Pipeta aforada de 10ml Pipeta de 1ml Bureta, soporte y nuez (también puede utilizarse la pipeta de 1ml para valorar). 2 tubos de ensayo (para poder comparar los colores de una valoración con un ensayo previo). Embudo Pipeta de seguridad

Procedimiento Preparación de las soluciones Solución tampón Disolver 67.5g de NH4Cl en 570ml de NH3 concentrado y aforar a 1l. Negro de eriocromo T Disolver 0.15g de negro sólido en 25ml de etanol.

Valoración/Titulación 1. Añadir al matraz de Erlenmeyer 10ml de la muestra con la pipeta aforada y la pipeta de seguridad. 2. Agregar al matraz 0.2ml de solución tampón de pH 10 y homogeneizar la solución. 3. Añadir 0.1ml de complejo de magnesio. 4. Introducir 1 gota de negro de eriocromo T y mover el matraz hasta obtener un color de vino rosado homogéneo. 5. Proceder a valorar con EDTA 6. Titular hasta observar un cambio hacia un color azul puro. 7. En las últimas fases de la valoración, la muestra adquiere un tono lila; en este punto es conveniente un intervalo de tiempo de unos 2 o 4 segundos entre gota y gota.  Las primeras veces me resultó útil comparar el color inicial y final con el de una valoración previa que antes había introducido en los dos tubos de ensayo. Una vez el ojo se ha acostumbrado ya no hace falta. 8. Repetir un mínimo de 2 veces para evitar errores y precisar la medida haciendo una media. 30


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Ilustración 4 - Esquema de la valoración

Vídeo 2 - Análisis de la dureza

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La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

ďƒ˜ CĂĄlculos Dureza Una vegada finalicĂŠ las valoraciones, me servĂ­ factores de conversiĂłn para determinar la dureza: đ?‘‹đ?‘šđ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 103 đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 0.01đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘’đ?‘  đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž 2+/đ?‘€đ?‘” 2+ ¡ ¡ 3 ¡ ¡ 10đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 10 đ?‘šđ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 1đ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 3 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Žđ??ś đ?‘‚3 100.09đ?‘” đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 10 đ?‘šđ?‘” Âşđ??ťđ?‘“ ¡ ¡ ¡ ¡ = 10đ?‘ĽÂşđ??ťđ?‘“ 10đ?‘šđ?‘” 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž 2+/đ?‘€đ?‘” 2+ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 1đ?‘” đ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž Por lo tanto, utilizarĂŠ la expresiĂłn đ?‘Ťđ?’–đ?’“đ?’†đ?’›đ?’‚ = đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?’™Âşđ?‘Żđ?’‡; donde x son los ml de EDTA que he utilizados para cada valoraciĂłn. đ?‘‹đ?‘šđ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 103 đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 0.01đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘’đ?‘  đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž 2+/đ?‘€đ?‘” 2+ ¡ ¡ 3 ¡ ¡ 10đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘šđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 10 đ?‘šđ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 1đ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 3 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Žđ??ś đ?‘‚3 100.09đ?‘” đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 10 đ?‘šđ?‘” ¡ ¡ ¡ = 100đ?‘Ľđ?‘šđ?‘”đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 /đ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž 2+/đ?‘€đ?‘” 2+ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 1đ?‘” Es decir, utilizarĂŠ la expresiĂłn đ?‘Ťđ?’–đ?’“đ?’†đ?’›đ?’‚ = đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?’™đ?’Žđ?’ˆđ?‘Şđ?’‚đ?‘Şđ?‘śđ?&#x;‘ /đ?’? đ?’Žđ?’?đ?’”đ?’•đ?’“đ?’‚ donde x son los ml de EDTA que habĂ­a utilizada para la valoraciĂłn. La dureza la expresarĂŠ mayoritariamente en mgCaCO3/l; y en las conclusiones finales, en grados franceses, mĂĄs usuales en el ĂĄmbito domĂŠstico.

Una alternativa TambiĂŠn se podrĂ­a haber utilizado otro procedimiento para medir la dureza: la variaciĂłn de conductividad. Desgraciadamente, esta alternativa no sirve para resinas domĂŠsticas, puesto que intercambien otro catiĂłn: el sodio. En las resinas con el grupo iĂłnico H+, en cambio, sĂ­ que se podrĂ­a haber llegado a considerar esta alternativa, ya que el incremento del iĂłn hidrĂłgeno sĂłlo comporta un aumento de acidez. Por su mayor complejidad (ya que otros factores podrĂ­an alterar la conductividad del agua) optĂŠ por el procedimiento quĂ­mica. procedimiento quĂ­mico.

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La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

Nivel de sodio A partir de la dureza eliminada puede calcularse el incremento de sodio de manera indirecta. Si sabemos que: 2đ?‘…1

đ?‘ đ?‘Ž+ đ??śđ?‘Ž2+ đ??śđ?‘Ž2+ đ?‘ đ?‘Ž+ + → đ?‘… + 2 2 đ??ť+ đ?‘€đ?‘”2+ đ?‘€đ?‘”2+ đ??ť+

đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 +

đ??śđ?‘Ž2+ đ??śđ?‘Ž2+ → đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ + 2đ?‘ đ?‘Ž+ đ?‘€đ?‘”2+ đ?‘€đ?‘”2+

Entonces:

4 − đ?‘‹ đ?‘šđ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 103 đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 0.01đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘’đ?‘  đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 ¡ ¡ 3 ¡ 10đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘šđ?‘˘đ?‘’đ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 10 đ?‘šđ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 3 + 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž2+ /đ?‘€đ?‘”2+ 2 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘ đ?‘Ž+ 23đ?‘”đ?‘ đ?‘Ž 10 đ?‘šđ?‘” ¡ ¡ ¡ ¡ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž2+/đ?‘€đ?‘”2+ 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘ đ?‘Ž+ 1đ?‘” = 184 − 46đ?‘Ľ đ?‘šđ?‘”đ?‘ đ?‘Ž+/đ??ż

El valor de 4ml de DTA corresponde a la dureza total (40ÂşHf), por tanto, al efectuar la diferencia calculo la dureza eliminada.

Solamente hay que aĂąadir el sodio inicial7 para tener la concentraciĂłn de sodio; donde x son los ml de EDTA utilizados.

đ?‘ đ?‘Ž

+

đ?‘šđ?‘”đ?‘ đ?‘Ž+ đ?’Žđ?’ˆđ?‘ľđ?’‚+ = 130 + 232 − 46đ?‘‹ = đ?&#x;‘đ?&#x;”đ?&#x;? − đ?&#x;’đ?&#x;”đ?‘ż đ?‘™ đ?’?

pH UtilicĂŠ el mismo procedimiento que antes. Considerando que el pH es el logaritmo inverso de la concentraciĂłn molar de hidrĂłgeno:

7

El sodio se cuantifica mediante una fotometrĂ­a de llama, o bien haciendo balance entre aniones y cationes finales. Debido a la complejidad de estos procedimientos, resultĂł mĂĄs sencillo utilizar los valores proporcionados por AigĂźes de Reus empresa municipal S.A. 33


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

∆ đ??ť+ =

4 − đ?‘‹ đ?‘šđ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 103 đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 0.01đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘  đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž2 ¡ ¡ 3 ¡ 10đ?‘šđ?‘™ đ?‘šđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘šđ?‘œđ?‘ đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Ž 1đ?‘™ đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 10 đ?‘šđ?‘™đ?‘ đ?‘œđ?‘™.đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´ 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž2+/đ?‘€đ?‘”2+ 2 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??ť+ ¡ ¡ = 0.008 − 0.002đ?‘‹ đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ?‘  đ??ť +/đ??ż 1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??¸đ??ˇđ?‘‡đ??´đ?‘ đ?‘Ž 2 1đ?‘šđ?‘œđ?‘™đ??śđ?‘Ž2+ /đ?‘€đ?‘”2+

Finalmente, encontrĂŠ la concentraciĂłn de hidrĂłgeno final y, consecuentemente, el pH resultante, aĂąadiendo la concentraciĂłn de iones H+ inicial:

đ?‘?đ??ť = − đ??Ľđ??¨đ??  đ?&#x;?đ?&#x;Ž

−đ?&#x;•.đ?&#x;–đ?&#x;–

+ đ?&#x;Ž. đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?&#x;– − đ?&#x;Ž. đ?&#x;Žđ?&#x;Žđ?&#x;?đ?’™

Estos cĂĄlculos tambiĂŠn se podrĂ­an llevar a cabo calculando la dureza extraĂ­da y sumando el sodio/hidrĂłgeno correspondiente con factores de conversiĂłn. Aun asĂ­, la primera manera resulta mĂĄs inmediata, una vegada se ha llegado a la fĂłrmula, que la segunda, ya que no es necesario hacer ningĂşn cĂĄlculo previo (dureza extraĂ­da), sĂłlo aplicar la fĂłrmula.

34


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.3.2 Resultados Hice más de 400 análisis con las diferentes combinaciones de tipo y masa de la resina y volumen de agua. Las tablas que se muestran a continuación recogen la dureza del agua, el nivel de sodio y el pH a lo largo del ciclo de uso de la resina. La versión informática de los resultados incluye ciertos indicadores gráficos que permiten visualizarlos mejor. Se puede acceder a ellos a través del DVD del trabajo. Los resultados fueron los siguientes:

Doméstica

Resina (g) 10g

20g

Agua (l) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 5 6 7 8

EDTA (ml) 2,3 2,32 2,32 2,65 2,7 3,28 3,5 3,7 4 4 0,78 0,9 1 1,23 1,53 1,9 1 1,7 1,75 2,93 3,7 4 4

EDTA (ml) 2,3 2,3 2,32 2,58 2,75 3,4 3,5 4 3,98 4 0,71 0,9 0,95 1,3 1,52 1,9 0,35 1,7 1,75 2,93 3,7 4 4

EDTA (ml) 2,33 2,3 2,33 2,6 2,76 3,36 3,5 3,7 4 4 0,72 0,9 0,99 1,2 1,52 1,91 0,35 1,7 1,75 2,93 3,7 4 4

Media 2,31 2,31 2,32 2,61 2,74 3,35 3,50 3,80 3,99 4,00 0,74 0,90 0,98 1,24 1,52 1,90 0,57 1,70 1,75 2,93 3,70 4,00 4,00

Dureza (mgCaCO3/l) 231,00 230,67 232,33 261,00 273,67 334,67 350,00 380,00 399,33 400,00 73,67 90,00 98,00 124,33 152,33 190,33 56,67 170,00 175,00 293,00 370,00 400,00 400,00

Sodio (mg/l) 255,74 255,89 255,13 241,94 236,11 208,05 201,00 187,20 178,31 178,00 328,11 320,60 316,92 304,81 291,93 274,45 335,93 283,80 281,50 227,22 191,80 178,00 178,00

Los resultados en rojo han de corresponder a errores de procedimiento, por lo que no se han utilizado en ciertas partes del tratamiento matemático. 35


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Doméstica

Resina (g) 40g

50g

Agua (l) 0 1 2 3 4 5 6 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 11 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11,5 12 13 14

EDTA (ml) 0,2 0,2 0,25 0,25 0,4 0,6 1 1,55 1,79 2,05 2,55 2,87 3,15 3,58 3,95 4 0,08 0,07 0,07 0,1 0,1 0,12 0,35 0,45 0,7 1 1,8 2,55 3,06 3,52 4 4

EDTA (ml) 0,2 0,2 0,25 0,25 0,45 0,6 1 1,5 1,8 2,05 2,55 2,9 3,17 3,57 4 4 0,07 0,07 0,07 0,1 0,09 0,15 0,35 0,45 0,7 1 1,8 2,45 3,07 3,45 4 4

EDTA (ml) 0,2 0,2 0,23 0,25 0,43 0,6 1,05 1,55 1,77 2,1 2,53 3 3,17 3,62 4,02 4,05 0,08 0,07 0,07 0,08 0,1 0,13 0,35 0,45 0,7 1 1,8 2,6 3,07 3,46 4 4

Media 0,20 0,20 0,24 0,25 0,43 0,60 1,02 1,53 1,79 2,07 2,54 2,92 3,16 3,59 3,99 4,02 0,08 0,07 0,07 0,09 0,10 0,13 0,35 0,45 0,70 1,00 1,80 2,53 3,07 3,48 4,00 4,00

Dureza (mgCaCO3/l) 20,00 20,00 24,33 25,00 42,67 60,00 101,67 153,33 178,67 206,67 254,33 292,33 316,33 359,00 399,00 401,67 7,67 7,00 7,00 9,33 9,67 13,33 35,00 45,00 70,00 100,00 180,00 253,33 306,67 347,67 400,00 400,00

Sodio (mg/l) 352,80 352,80 350,81 350,50 342,37 334,40 315,23 291,47 279,81 266,93 245,01 227,53 216,49 196,86 178,46 177,23 358,47 358,78 358,78 357,71 357,55 355,87 345,90 341,30 329,80 316,00 279,20 245,47 220,93 202,07 178,00 178,00

Tabla 6 – Resultados de los análisis con resina industrial

36


La descalcificaci贸n con resinas de intercambio i贸nico

Resina Agua (g) (l) 10g

Industrial

20g

30g

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 7,5 8 8,5 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11,5 12 13

EDTA (ml)

EDTA (ml)

EDTA (ml)

Media

Dureza (mgCaCO3/l)

pH

1,2 1,2 1,6 2,18 2,1 2,6 3,2 3,6 3,8 4 4 0,25 0,3 0,28 0,35 0,35 0,45 2,3 2,54 3,26 3,75 3,9 4 0,07 0,07 0,1 0,08 0,1 0,1 0,1 0,1 0,45 1,1 1,9 3,1 3,75 3,93 4

1,12 1,17 1,63 1,13 2,1 2,55 3,15 3,6 3,8 4 4 0,24 0,3 0,3 0,35 0,32 0,47 2,29 2,5 3,3 3,8 4 4 0,07 0,08 0,07 0,1 0,08 0,1 0,1 0,09 0,45 1,08 1,95 3,1 3,8 4 4

1,12 1,18 1,6 2,15 2,14 2,55 3,2 3,6 3,82 4 4 0,25 0,3 0,3 0,35 0,36 0,46 2,3 2,52 3,3 3,8 3,9 3,9 0,07 0,07 0,08 0,09 0,07 0,09 0,1 0,1 0,46 1,15 1,95 3,05 3,8 3,95 4

1,15 1,18 1,61 1,82 2,11 2,57 3,18 3,60 3,81 4,00 4,00 0,25 0,30 0,29 0,35 0,34 0,46 2,30 2,52 3,29 3,78 3,93 3,97 0,07 0,07 0,08 0,09 0,08 0,10 0,10 0,10 0,45 1,11 1,93 3,08 3,78 3,96 4,00

114,67 118,33 161,00 182,00 211,33 256,67 318,33 360,00 380,67 400,00 400,00 24,67 30,00 29,33 35,00 34,33 46,00 229,67 252,00 328,67 378,33 393,33 396,67 7,00 7,33 8,33 9,00 8,33 9,67 10,00 9,67 45,33 111,00 193,33 308,33 378,33 396,00 400,00

2,24 2,25 2,32 2,36 2,42 2,54 2,79 3,01 3,41 7,88 7,88 2,12 2,13 2,13 2,14 2,14 2,15 2,47 2,53 2,85 3,36 3,88 4,18 2,10 2,10 2,11 2,11 2,11 2,11 2,11 2,11 2,15 2,24 2,38 2,74 3,36 4,1 7,88

Tabla 7 - Resultados de los an谩lisis con resina industrial

37


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Sodio - 10g - Doméstica mg Na+/l

300 250 200 Sodio obtenido 150

Límite recomendado

100 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

litros tratados Gráfico 1 - Evolución del nivel de sodio con 50g de resina doméstica

Sodio - 20g - Doméstica mg Na+/l

350 300 250 200

Sodio obtenido

150

Límite recomendado

100 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

5

6

7

8

litros tratados Gráfico 2 - Evolución del nivel de sodio con 20g de resina doméstica

38


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Sodio - 40g - Doméstica mg Na+/l

400 350 300 250 200

Sodio obtenido

150

Límite recomendado

100 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

litros tratados Gráfico 3 - Evolución del nivel de sodio con 40g de resina doméstica

400 350 300 250 200 150 100

Sodio obtenido Límite recomendado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 11,5 12 13 14

mg Na+/l

Sodio - 50g - Doméstica

litros tratados Gráfico 4 - Evolución del nivel de sodio con 50g de resina doméstica

39


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

pH - 10g - Industrial 10 8

pH

6 4 pH calculado

2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

litros tratados Gráfico 5 - Evolución del pH con 10g de resina industrial

pH - 20g - Industrial 5

pH

4 3 2 pH calculado

1 0 0

1

2

3

4

5

7,5

8

8,5

9

10

11

litros tratados Gráfico 6 - Evolución del pH con 20g de resina industrial

40


La descalcificaci贸n con resinas de intercambio i贸nico

pH - 30g - Industrial 10

pH

8 6 4 pH calculado

2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 11,5 12 13

litrso tratados Gr谩fico 7 - Evoluci贸n del pH con 30g de resina industrial

41


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

3.3.3 Tratamiento matemĂĄtico Los resultados por sĂ­ mismos no muestran nada, es necesario interpretarlos. Pero antes de llegar a las conclusiones, quise dar un tratamiento matemĂĄtico a los resultados: querĂ­a estandarizarlos e intentar crear un modelo matemĂĄtico lo mĂĄs universal posible que reprodujera su evoluciĂłn. Por tanto, me propuse como objetivo final del tratamiento matemĂĄtico encontrar una Ăşnica funciĂłn para cada tipo de resina. Para hacerlo, inicialmente utilicĂŠ el programa el programa CurveExpert 1.3: con esta aplicaciĂłn gratuita puede encontrarse la funciĂłn aproximada que describen los diferentes parĂĄmetros de las resinas (dureza/sodio/pH) segĂşn el agua tratada. Tras cierto tiempo, me encontrĂŠ con ciertas limitaciones, por lo que recurrĂ­ a una versiĂłn de prueba de FindGraph 1.960. Ver el documento.

ďƒ˜ Variables Dureza con el tiempo Para estudiar este factor adecuadamente es preciso considerar las siguientes variables: ď ś Tipo de resina CalcularĂ­a una funciĂłn para cada tipo de resina. ď ś Dureza del ’agua Este factor trajo diversas complicaciones: Si hubiera hecho el anĂĄlisis matemĂĄtico utilizando los litros de agua aĂąadidos, esa funciĂłn sĂłlo hubiera sido aplicable a un agua de dureza 40ÂşHf, lo que le restarĂ­a versatilidad. DecidĂ­ cambiar el volumen de agua tratada por los miligramos de CaCO3 que habĂ­an pasado por la resina. Pensaba que asĂ­ podrĂ­a utilizar la funciĂłn con cualquier dureza: sĂłlo harĂ­a falta aplicar un factor de conversiĂłn para pasar de volumen a dureza y de dureza a volumen. Es a decir: đ?‘‹đ?‘šđ?‘”đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3 đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œđ?‘  ¡

1đ?‘™ đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘–đ?‘›đ?‘–đ?‘?đ?‘–đ?‘Žđ?‘™ = đ?‘‰đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘šđ?‘’đ?‘› đ?‘‘đ?‘’ đ?‘Žđ?‘”đ?‘˘đ?‘Ž đ?‘Ąđ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘‘đ?‘œ đ?‘?đ?‘šđ?‘”đ??śđ?‘Žđ??śđ?‘‚3

Siendo x los mg de carbonato de calcio pasados por la resina y Z los mg iniciales por litro de agua. Pero todavĂ­a existĂ­a otro problema: la curva de esta funciĂłn tendrĂ­a dos asĂ­ntotas: una en 0 (cuando la resina extrae toda la dureza) y otra en 400 (resina saturada). Cuando la dureza inicial cambiara, tambiĂŠn lo harĂ­a la asĂ­ntota horizontal superior (un agua de 150mg/l nunca tendrĂĄ 400mg/l). Por este motivo, resultaba importante interpretar los resultados obtenidos: si la dureza inicial fuera menor de 40ÂşHf, los resultados que sobrepasaran la dureza inicial serĂ­an equivalentes a la dureza inicial; si la dureza inicial fuera mayor de 40ÂşHf, los resultados mayores a 40ÂşHf (resina saturada) equivaldrĂ­an a la dureza inicial.

42


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Tras realizar buena parte del tratamiento matemático, llegué a una nueva conclusión que refutaba el razonamiento anterior: utilizando los mg de carbonato de calcio que habían pasado por el descalcificador no podría extrapolar los resultados a cualquier dureza porque no se tiene en cuenta la velocidad a la que estos pasan por el aparato; es decir, un agua más dura aporta más dureza, pero también es cierto que la resina que la trata se encontrará con una mayor concentración de iones, lo cual afectará al rendimiento de ésta. Llegué a esta conclusión después de realizar la discusión del modelo: cuando utilicé un agua más blanda. Debido a la gran cantidad de tiempo dedicado a este aspecto, decidí continuar utilizando los mg de carbonato de calcio que habían pasado por el descalcificador como una variable, y no los litros de agua. Todo y con eso; el procedimiento de realizar un factor de conversión no es del todo impreciso: si el usuario utiliza el modelo propuesto en un agua de dureza diferente a 40ºHf, tendrá una función parecida pero desplazada en el espacio (hacia la derecha si el agua es más blanda y hacia la izquierda si es más dura), con unos resultados que, aun no ser del todo correctos, sí que pueden servir como unas primeras cifras orientativas. Simplemente hay que utilizarlo con precaución.

Sodio/pH con el tiempo Consideré que sabiendo la dureza la dureza final con las funciones que se mostrarán a continuación, el usuario ya podría calcular el sodio y pH consecuentes utilizando como base los cálculos ya detallados. Además, como ya he comentado, calcular la función de la dureza ya resultaba por sí mismo un procedimiento complicado, por lo que prefería concentrarme únicamente en la dureza.

43


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Función logística Después de observar los diferentes modelos que los programas me ofrecían para reproducir la evolución de la resina, me decidí por una función logística: esta función era precisa (coeficientes de correlación cercanos a 1) y se acercaba conceptualmente a su comportamiento. La función logística se utiliza en fenómenos en los que un crecimiento exponencial (en este caso, la progresiva saturación de la resina), se acaba deteniendo (completa saturación); suele utilizarse en economía y el crecimiento poblacional. La función logística es8:

Gráfico 8 - Función logística

Los parámetros a; b; c; d; son los que trataré de encontrar con el tratamiento matemático.

8

http://patoral.umayor.cl/anestbas/rl01.jpg 44


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Herramientas informáticas de tratamiento matemático Curve Expert 1.3 Curve Expert 1.3 es un programa muy sencillo de utilizar. Puede descargarse gratuitamente desde su página web oficial (http://curveexpert.webhop.net/). Una vez hayamos abierto el programa, tan sólo hemos de introducir las variables en la tabla. Mientras introduzcamos los datos veremos el gráfico correspondiente. Finalmente, podremos obtener diversas funciones (más o menos aproximadas) haciendo clic a Run CurveFinder. De todas la funciones calculadas, hemos de escoger la que más se adapte a nuestras necesidades.

FindGraph 1.960 FindGraph 1.960 no es un programa gratuito, aunque tiene un período de prueba de 30 días con parte de sus funciones. Es un programa más extenso que permite realizar cálculos más complejos, aunque sólo lo utilicé superficialmente. Para encontrar la función de una tabla de valores hay que introducir los valores y escoger la función deseada (en este caso, la logística). Este programa también permite el proceso inverso: representar una determinada función. Esto me permitió representar gráficamente mis predicciones.

45


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Resultados (dureza) Pasados los resultados por el programa, se obtuvieron las siguientes funciones:

Resina doméstica Resina (g)

Función

Coef. Correl

10

0,9889

20

0,9920

40

0,9816

50

0,9924

Tabla 8 - Funciones que determinan el comportamiento de la resina doméstica

Estandarización Como se aprecia en la imagen anterior, cada función está compuesta por 4 parámetros: a, b, c, y d. Pensé que si quería encontrar una fórmula para cualquier cantidad de resina, tenía que encontrar una función que determinara el valor de cada parámetro: así, uniría las funciones de los 4 parámetros en una sola, obteniendo una función universal. De esta manera, pasé cada parámetro de la resina por el programa (siendo la variable la masa de resina y no la dureza): los resultados del programa fueron satisfactorios, porque todas las funciones tenían un coeficiente de correlación muy cercano a 1.

46


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

ParĂĄmetro

FunciĂłn

Tipus de funciĂł Capacidad calorĂ­fica9

A

B

Capacidad calorĂ­fica

C

RegresiĂłn

D

RegresiĂłn

Tabla 9 - Funciones de los parĂĄmetros de las resinas domĂŠsticas

Por lo tanto, integrando estas funciones en la funciĂłn inicial:

đ?‘Ś

= 40.86 − 0.834đ?‘Ž + +

19816.98 đ?‘Ž2 359.13 + 0.834đ?‘Ž −

1 + 1018.31−1.71đ?‘Ž+0.059đ?‘Ž

2 −0.000595 đ?‘Ž 3 −đ?‘Ľ

19816.98 đ?‘Ž2

0.00705 −0.0005156 đ?‘Ž+1.4175¡10 −5 5đ?‘Ž 2 −1.857¡10 −5 5đ?‘Ž 3

Donde: y: mg finales de CaCO3 por litro x: mg de CaCO3 pasados per la resina a: cantidad de resina (en gramos)

9

Capacidad calorĂ­fica: EnergĂ­a necesaria para aumentar en 1K la temperatura de un curpo. 47


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Industrial Resina (g)

Función

Coef. Correl

10

0,9950

20

0,9846

30

0,9949

Tabla 10 - Funciones que determinan el comportamiento de la resina industrial

Estandarización

Parámetro

Función

Tipo de función

A

Capacidad calorífica

B

Capacidad calorífica

C

Capacidad calorífica

D

Capacidad calorífica Tabla 3 - Funciones de los parámetros de la resina industrial

48


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

Con todo esto puedo expresar que:

đ?‘Ś

12058.36 = 6.29 − 0.0407đ?‘Ž + + đ?‘Ž2

392.47 − 0.36đ?‘Ž −

11078.18 đ?‘Ž2

522.99 0.0648 7.25−0.625đ?‘Ž+ −đ?‘Ľ 0.000769 +7.58¡10 −5 đ?‘Ž+ đ?‘Ž2

�2 1 + 10 Per veure la comparativa entre resultats y funció es pot consultar l’annex.

Donde: y: mg finales de CaCO3 por litro en agua finales x: mg de CaCO3 pasados per la resina a: cantidad de resina (en gramos)

La realizaciĂłn de este modelo matemĂĄtico me permitiĂł realizar una interpretaciĂłn mĂĄs profunda de los resultados. Pero todavĂ­a tenĂ­a que verificar la exactitud de este modelo, en el apartado de discusiĂłn.

49


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Representación gráfica Para valorar visualmente la exactitud del modelo matemático, adjunto las comparativas entre las dos funciones obtenidas y los resultados prácticos.

10g Doméstica 450,00

Dureza (mg CaCO3 /l)

400,00 350,00 300,00 250,00 200,00

Teoría

150,00

Práctica

100,00 50,00 0,00 0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

mg CaCO3 tratados Gráfico 9 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 10g de resina doméstica

20g Domèstica 450,00

Dureza (mg CaCO3/l)

400,00 350,00 300,00 250,00 200,00

Teoría

150,00

Práctica

100,00 50,00 0,00 0

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2000 2400 2800 3200 mg CaCO3 tratados

Gráfico 10 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 20g de resina doméstica

50


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Dureza (mg CaCO3/l)

40g Doméstica 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00

Teoría Práctica

mg CaCO3 tratados Gráfico 11- Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 30g de resina doméstica

Dureza (mg CaCO3/l)

50g Doméstica 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00

Teoría Práctica

mg CaCO3 tratados Gráfico 12 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 50g de resina doméstica

51


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

10g Industrial 450,00

Dureza (mg CaCO3/l)

400,00 350,00 300,00 250,00 200,00

Teoría

150,00

Práctica

100,00 50,00 0,00 0

400

800

1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 mg CaCO3 tratados

Gráfico 13 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 10g de resina industrial

20g Industrial 450,00 Dureza (mg CaCO3/3l)

400,00 350,00 300,00 250,00 200,00

Teoría

150,00

Práctica

100,00 50,00 0,00 0

400

800 1200 1600 2000 3000 3200 3400 3600 4000 4400 mg CaCO3 tratados

Gráfico 14 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 20g de resina industrial

52


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

30g Industrial 450,00 400,00

Dureza (mg CaCO3/l)

350,00 300,00 250,00

Teoría

200,00

Práctica

150,00 100,00 50,00 0,00 0

400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4600 4800 5200 mg CaCO3 tratados

Gráfico 15 - Comparativa teoría - práctica del comportamiento de 30g de resina industrial

53


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

3.3.4 Interpretación La función logística puede dividirse en tres fases: una inicial de latencia, una de crecimiento exponencial y, finalmente, una de estancamiento. Este crecimiento exponencial es menor en la resina doméstica Esto significa que una vez se ha llegado a un punto de inflexión, la resina pierde efectividad rápidamente. En les resinas domésticas, esta pérdida es menos radical. El coeficiente de correlación se aleja de 1 a medida que la cantidad de resina disminuye. Esto es mas patente en las domésticas, con un coeficiente global 0.01 menor. Este hecho también tiene explicación: la curva de dureza del agua tratada por la resina doméstica es más estable (el crecimiento no es tan exponencial), por tanto, es lógico que se aleje del modelo logístico. Igualmente, la resina doméstica es más densa y ocupa un menor espacio en el descalcificador. Por ello, variaciones puntuales de las condiciones de la resina en ciertas regiones (más o menos saturadas) así como la misma circulación de agua (que inevitablemente siempre desplaza la resina) provocan pequeños cambios que debido a la poca cantidad de resina, tienen alta influencia en la dureza final. En cantidades mayores de resinas, esto no sucede: esas pequeñas variaciones circunstanciales de la resina se compensan por el volumen de resina restante, que minimiza su efecto. Por lo tanto: la efectividad de las resinas varía cuando se utilizan en pequeñas cantidades. En mayores volúmenes, en cambio, su comportamiento es más previsible.

54


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

3.3.5 DiscusiĂłn Para verificar el modelo matemĂĄtico propuesto, hice dos cosas:

ďƒ˜ Contrastar los resultados teĂłricos con los prĂĄcticos CalculĂŠ el tanto por ciento de error cometido al utilizar los valores de las fĂłrmulas a la prĂĄctica. Para hacerlo operĂŠ: đ??ˇđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘§đ?‘Ž đ?‘?đ?‘&#x;ĂĄđ?‘?đ?‘Ąđ?‘–đ?‘?đ?‘Ž − đ??ˇđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘§đ?‘Ž đ?‘Ąđ?‘’Ăłđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž ¡ 100 đ??ˇđ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘§đ?‘Ž đ?‘Ąđ?‘’Ăłđ?‘&#x;đ?‘–đ?‘?đ?‘Ž

Obtuve una media de error de 12.55%. Pero como es evidente, no todas las resinas tenĂ­an la misma fiabilidad, y dentro de una misma resina, no todos los tramos eran igual de exactos (la fase de crecimiento exponencial era la mĂĄs problemĂĄtica la mĂĄs problemĂĄtica).

ďƒ˜ Extrapolar y predecir el comportamiento de la resina La manera definitiva de asegurar la consistencia del modelo matemĂĄtico era observar si era capaz de pronosticar el comportamiento de otras cantidades de resina. Los resultados fueron medianamente satisfactorios:  

El modelo de la resina industrial no fue lo suficientemente exacto: la real no tenĂ­a el crecimiento exponencial tan marcado de la teĂłrica. Por otro lado, la curva prĂĄctica y teĂłrica de la resina de 30g domĂŠstica sĂ­ que era lo suficientemente exacta.

PodrĂ­a parecer que el tratamiento matemĂĄtico estaba equivocado en un 50%, pero no es asĂ­: durante la realizaciĂłn de las valoraciones de estas dos curvas, detectĂŠ un hecho inusual; la dureza habĂ­a bajado hasta 35-36ÂşHf, un 10% menos del normal. No podĂ­a aumentar la dureza del agua, por lo que tuve que hacer las pruebas con este nuevo valor. Este hecho hace que la funciĂłn utilizada no sea la ideal para la dureza inicial utilizada. Considerando este hecho, puede concluirse que el modelo respondiĂł favorablemente a unas circunstancias desfavorables (sobretodo los 30g de resina domĂŠstica). Estoy seguro, aun no poderlo demostrar, que unas nuevos anĂĄlisis con la dureza inicial adecuada se ajustarĂ­an mĂĄs al modelo calculado. TambiĂŠn podrĂ­a haber intentado encontrar una funciĂłn que tambiĂŠn se ajustara a las diferentes composiciones inĂ­ciales del agua. Sin embargo, esto hubiera supuesto una enorme cantidad de anĂĄlisis y de tiempo del que no disponĂ­a (cada masa de resina implica unos 45 anĂĄlisis, por un mĂ­nimo de 4-5 cantidades de resina, se convertirĂ­an de 180, por al menos 5 durezas inĂ­ciales diferentes, 900 anĂĄlisis para la resina industrial y 900 para la domĂŠstica: 1800 anĂĄlisis totales), asĂ­ como una mayor complejidad matemĂĄtica. Tanta profundidad escapa del objetivo de mi trabajo.

55


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

En resumen: el modelo se muestra suficientemente satisfactorio: es posible que no sea del todo exacto; pero cumple sobradamente los requisitos para sustentar mis conclusiones, de un carácter más cualitativo: así, por ejemplo, el comportamiento logístico de la dureza es un hecho evidente y sólido, aun y tener matices en su análisis matemático al detalle.

Predicción - 50g Industrial 450,00

Dureza (mg CaCO3/l)

400,00 350,00 300,00 250,00 200,00

Teoría

150,00

Práctica

100,00 50,00 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 5950 6300 6475 6650 6825 7000 7175 7350 7525 7700 8050

0,00

mg CaCO3 tratados Gráfico 16 - Comparativa predicción - práctica de 50g de resina industrial

Dureza (mg CaCO3/l)

Predicción - 30g Doméstica 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00

Teoría Práctica

mg CaCO3 tratados Gráfico 17 - Comparativa predicción - práctica de 30g de resina doméstica

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La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

4. Conclusiones En esta investigaciĂłn, he estudiado las resinas de intercambio iĂłnico, he realizado valoraciones complejomĂŠtricas de la dureza del agua mediante EDTA a lo largo del ciclo de uso de la resina para poder establecer un modelo matemĂĄtico de su comportamiento y he determinado un conjunto de pautas para hacer un uso mĂĄs eficiente del producto. DespuĂŠs de realizar las pruebas de la dureza y aplicarles el tratamiento matemĂĄtico, lleguĂŠ a as siguientes conclusiones. Mi primera hipĂłtesis se constatĂł como incorrecta: tal y como puede observarse en el apartado de tratamiento matemĂĄtico, la funciĂłn que determina la dureza que he calculado corresponde a una funciĂłn logĂ­stica:

FunciĂłn de la resina domĂŠstica con agua de dureza 40ÂşHf

đ?‘Ś

= 40.86 − 0.834đ?‘Ž + +

19816.98 đ?‘Ž2 359.13 − 0.834đ?‘Ž −

1 + 1018.31−1.71đ?‘Ž+0.059đ?‘Ž

2 −0.000595 đ?‘Ž 3 −đ?‘Ľ

19816.98 đ?‘Ž2

0.00705 −0.0005156 đ?‘Ž+1.4175¡10 −5 5đ?‘Ž 2 −1.857¡10 −5 5đ?‘Ž 3

FunciĂłn de la resina industrial con agua de dureza 40ÂşHf

đ?‘Ś

12058.36 = 6.29 − 0.0407đ?‘Ž + + đ?‘Ž2

392.47 − 0.36đ?‘Ž − 1 + 10

11078.18 đ?‘Ž2

522.99 0.0648 7.25−0.625đ?‘Ž+ −đ?‘Ľ 0.000769 +7.58¡10 −5 đ?‘Ž+ đ?‘Ž2 đ?‘Ž2

Donde: y: mg finales de CaCO3 por litro en agua finales x: mg de CaCO3 pasados per la resina a: cantidad de resina (en gramos)

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

La variación de la dureza final del agua no corresponde a una función lineal, por tanto, la resina no se satura uniformemente. La variación de la dureza se ajusta a una función logística.

Ahora bien ¿qué explicación tiene esto? Para entenderlo he dividido el ciclo de funcionamiento de la resina en tres partes. Primero, la dureza experimenta una fase de latencia: cuando el agua baja a través del descalcificador, se encuentra inicialmente con las primeras capas de resina. Estas capas superiores eliminan casi toda la dureza del agua, por lo que empiezan a agotarse. Cuando el agua baja por las siguientes capas de la resina, es ya muy dura, por lo que la resina inferior se satura lentamente. En esta fase de latencia se llega a un punto en el cual las capas superiores se saturan del todo. Durante cierta cantidad de agua (mayor a más cantidad de resina) el resto de la resina puede eliminar toda la dureza del agua. Pero la misma resina tiene que tratar la misma dureza, por lo que es lógico que se sature rápidamente. Esto no lleva una fase de crecimiento exponencial: como la resina no saturada que todavía queda se satura rápidamente, la dureza experimenta un enorme aumento en poca en un poco margen de agua tratada. Finalmente la resina acaba saturándose del todo, por lo que no se elimina dureza. Esta es la llamada fase de estancamiento, durante la que la dureza permanece en su valor máximo. Pero esta conclusión tiene un problema: 

El modelo logístico no se ajusta tanto a pequeñas cantidades de resina.

Esto también tiene una explicación: con pequeñas cantidades de resina, las capas superiores no pueden eliminar toda la dureza, por lo que toda ella se satura rápidamente. Además, pequeñas variaciones en las condiciones de una parte de la resina (más o menos saturada, sin tanto contacto con el agua, etc.), tienen un mayor impacto en la dureza final, ya que hay menos resina que pueda compensar las anomalías. Esto provoca que función logística no se ajuste tan bien. Otro de mis objetivos era saber la cantidad de resina que tenía que poner en el descalcificador para obtener una dureza idónea. 

Si quería que los primeros litros de agua tuvieran una dureza ideal para el consumo (22.5ºHf), tenía que utilizar una masa de resina muy pequeña (menos de 10g).

Pero el uso de resinas en pequeñas cantidades supone dos problemas: el primero, que se saturará; el segundo, que se pueden producir fugas de dureza puntuales (por anomalías en ciertas regiones de la resina). Estos hechos, en cambio, no suceden con mayores cantidades de resina (40g de resina doméstica y 30g de industrial).

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Por lo tanto, la manera más provechosa de utilizar el descalcificador para obtener agua para el consumo es utilizarlo con una cantidad de resina elevada: el agua resultante, en cambio, será demasiado blanda, por lo que hará falta mezclarla con agua inicial para incrementar la dureza hasta el punto óptimo.

Utilizando el modelo matemático que establecido anteriormente, el usuario podrá saber aproximadamente cuando comenzará el crecimiento exponencial de la dureza y consecuentemente, cuando efectuar la regeneración de la resina. 

Si, en cambio, el usuario simplemente quiere eliminar toda la dureza posible, no tendrá ningún problema, no tendrá que hacer nada con el agua tratada. Eso sí, deberá considerar la calidad del agua tratada.

En cuanto a la calidad del agua resultante, las conclusiones no fueron las que me esperaba: 

El nivel de sodio máximo obtenido durante el tratamiento es de 310mg/l; esto supone un 55% más de lo recomendable para el consumo.

Este hecho tiene consecuencias en el gusto del agua, así como un efecto perjudicial en los electrodomésticos. Igualmente, puede resultar perjudicial para personas con tensión alta. 

Debido a eso, considero poco recomendable beber un agua muy dura tratada por la resina doméstica, ya que puede resultar más perjudicial. Además, existe la posibilidad de que el afecto de sodio sea perjudicial porque ataque los electrodomésticos o las tuberías.

Si quiere descalcificarse una agua con poca dureza, en cambio, este hecho no debería ser tan significativo: al ser menor la dureza eliminada, también la seria el incremento de sodio. Por lo tanto, se podría consumir el agua tratada. 

El pH puede llegar a disminuir hasta 2, esto es, 5 unidades más de lo recomendable.

Esto origina una acidez muy perjudicial para el consumo humano, desagradable y que puede tener una peor apariencia (el agua ácida puede tener cierto color amarillento) y que también puede afectar a los electrodomésticas y las cañerías. 

Las aguas duras tratadas con resina industrial presentan una acidez demasiado elevada alta como para ser consumidas.

Como antes, las aguas blandas tratadas experimentan un descenso menos grave de pH, por lo que son más aptas para el consumo. Pero las resinas se utilizan actualmente, por lo que esta problemática está solucionada. ¿Pero cómo se evita un descenso tan notable en la calidad como el que ha experimentado el agua que ha tratado mi descalcificador? Existen diversos métodos que pueden solucionar estos problemas:

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Mezclar aguas o Como en el apartado cantidad óptima de resina, el usuario puede optar por mezclar aguas. En este caso, no sólo para incrementar un poco la dureza del agua (no tener un agua tan blanda) sino para restaurar los niveles de sodio o pH. Así, aumenta la calidad de agua mediante el aumento de dureza.  Utilizar las 2 resinas o Si se utilizan las dos resinas conjuntamente, las dos eliminarán dureza aun extraer la misma que una sola: el agua aumentara en sodio y acidez, pero no como si sólo actuara una resina. Con este procedimiento se obtienen todos los beneficios del tratamiento y se minimizan los inconvenientes.  Uso combinado resinas catiónicas y aniónicas o Este método es el que se utiliza en la actualidad puesto que es el más factible de los tres: si el usuario ni quiere ninguna disminución en la calidad del agua, deberá utilizar tanto resina catiónica (que desprenda H+) como aniónica (que desprenda OH-). Utilizando este procedimiento, el H+ expulsado por la resina provoca una disminución del pH; pero cuando el agua pasa por la resina catiónica, esta acidificación se compensa: la resina aniónica expulsa OH-, que se combina con el H+, formando agua y volviendo a nivelar el pH. La fase exponencial de las resinas domésticas no es tan acentuada como la de les industriales, esto significa que: 

En las resinas domésticas es menos probable que el usuario se encuentre con una fuga de dureza. En la resina industrial, en cambio, la saturación es mucho más rápida, por lo que sin un control exhaustivo, nos podemos encontrar con agua muy dura.

Esta conclusión es consecuente con el campo en que se utiliza cada una: las resinas domésticas se pueden utilizar para el consumo humano, cosa que hace que deban evitar incrementos de dureza excesivamente bruscos. En las industriales, en cambio, esto no pasa, e incluso es probable que sea rentable prescindir de esta saturación más progresiva. Además, el sector industrial cuenta con precisos instrumentos de medición que permiten saber con exactitud cuando regenerar la resina, por lo que las fugas puntuales tampoco son un problema. También podemos decir que:  

Las resinas domésticas, aun siendo más fiables, se saturan antes que las industriales. Las resinas industriales tienen un punto de saturación más brusco, pero tratan más agua y eliminan más dureza.

Lo cual me serviré de soporte para mi última conclusión:

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Sabiendo que las resinas domésticas tardan menos en saturarse que las industriales, y que un mayor porcentaje de divinilbenceno resta capacidad de intercambio, y en consecuencia hace que la resina se sature completamente antes; deduzco que, teóricamente, las resinas domésticas deberían tener, teóricamente, mayor proporción de polímeros de divinilbenceno. De ello de desprende que:  

El divinilbenceno proporciona menor capacidad de intercambio, por lo que la resina puede eliminar menos dureza. Esto le resta calidad en el ámbito industrial. El divinilbenceno da a la resina una mayor fiabilidad, en tanto el paso del agua de no saturada a saturada es menos brusco. El divinilbenceno, por lo tanto, aporta calidad en el ámbito doméstico.

Ilustración 5 - Esquema-resumen de las conclusiones

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

5. Bibliografía 5.1 Libros consultados Adame S. Cáceres C. De la Lanza G. Hernández S. Diccionario de hidrología y ciencias afines. Ed.Plaza y Valdes (1999) . American society of civil engineers; American water works association; Baruth E. Water Treatment Plant Design. Ed. McGraw-Hill (2005). American water works association Electrodialysis and Electrodialysis Reversal. Ed. AWWA (American Water Works Association) (1996) Aragón P. Gómez C. Marín L.L. Análisis químico de suelos y aguas. Ed. Universidad Poltécnica de Valencia (2002). Baker R.W. Membrane Technology and Applications. Ed. Willey (2004). Batalla R.J. Rovira A. Sala M. Úbeda X. Guia pràctica per a l'estudi de l'aigua. Ed.Universitat Barcelona (2002). Billmeyer F.W. Ciencia de los polímeros. Ed. Reverté (2004). Borchardt J.A. Weber W.J. Walter W.J. Control de la calidad del Agua. Ed. Reverté (2003). Cheremisinoff N.P. Handbook of Water and Wastewater Treatment Technologies. Ed. Butterworth-Heinemann (2002). Costa J.M. Diccionario de química física, Ed. Díaz de Santos (2005). Davis J.E. Manual de laboratorio para química: Experimentos y teoría. Ed. Reverté (1975). Harland C.E. Grimshaw R.W. Ion Exchange: Theory and Practice. Ed. Royal Society of Chemistry (1994). Harris D. C. Análisis químico cuantitativo. Ed. Reverté Barcelona (2006). Hendriks D.W. Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical. Ed. CRC Press (2006). Hung Y. Shammas N.K. Wang L.K. Advanced Physicochemical Treatment Technologies. Ed. Humana Press (2007). King, C.J. Costa J. Procesos de separación. Ed. Reverté (2003) Laitinen H.A. Harris W.E. Análisis químico: Texto avanzado y de referencia. Ed. Reverté (1982). Leidinger O. Procesos industriales. Ed. Fondo Editorial PUCP (1997). Marín R. Rodríguez J.M. Fisicoquímica de aguas. Ed. Díaz de Santos (1999). 62


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Muscroft S. Plumbing: For Level 2 Technical Certificate and NVQ, Ed.Newnes (2007) Nemerow N. L Dasgupta A. Tratamiento de vertidos industriales y peligrosos. Ed. Díaz de Santos (1998). Peinemann K. Pereira S. Inc NetLibrary Membrane Technology: In the Chemical Industry, 2nd, Revised and Enlarged Edition. Ed.Willey-VHC (2007). Porter M.C. Handbook of Industrial Membrane Technology. Ed. Noyes publications (1990) Primo E. Química orgánica básica y aplicada: De la molécula a la industria. Ed. Reverté (2003). Ramôa F. Zeolites: Science and Technology, Ed. Springer (1983). Rigola M. Tratamiento de aguas industriales: Aguas de proceso y residuales. Ed. Macombo (1989). Sincero A.P. Sincero G.A. Physical-Chemical Treatment of Water and Wastewate., Ed. IWA Publishing (2002). Skoog, D.A. West D.N Fundamentos de química analítica. Ed. Reverté Barcelona(2005)

Los libros sin lugar de edición han sido consultados mediante Internet.

5.2 Páginas web AGUAPURA [en línea] <http://aguapura.ecodeter.com/> [consulta: 01.07.2008] CITY OF NEW YORK [en línea] <http://nyc.gov/html/dep/html/drinking_water/index.shtml> [consulta: 25.10.2008] CONSORCIO DE AGUAS (Bilbao) [en línea] <https://www.consorciodeaguas.com/Web/cicloAgua/calidad_agua.aspx> [consulta: 23.10.2008] EMPRESA MUNICIPAL DE AGUAS Y SANEAMIENTO DE MURCIA [en línea] <http://www.emuasa.es/empresa/analiticas.html> [consulta: 29.10.2008] GOOGLE INC. [en línea] <http://books.google.es> [consulta: 15.06.2008] INDAGUA [en línea] <http://www.induagua.com/articulos/osmosis_inversa_membrana_filtracion.asp> [consulta: 15.07.2008] IONCAL TECHNOLOGIES [consulta: 30.07.2008]

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

LENNTECH [en línea] <http://www.lenntech.com> [consulta: 20.06.2008] OCU [en línea] <http://www.ocu.org> [consulta: 20.10.2008] UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO [en línea] http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina17.htm [consulta: 01.07.2008] WEB ELECTRÓNICA [en línea] <http://www.clubse.com.ar/download/pdf/notasrevistas19/nota03.htm> [consulta: 01.07.2008] WHO [en línea] <http://www.who.int/en/> [consulta: 21.10.2008]

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

6. Agradecimientos Antes de concluir este trabajo querría agradecer la labor de: Mi coordinadora de investigación, Paloma Pérez, así como el resto de profesores que me han ayudado en todo momento. La directora del centro, Immaculada Arias, por facilitarme el acceso a más fuentes de información. Mi tío, Andrés Martínez, sin quien gran parte del trabajo con resinas no hubiera sido posible. Mi padre y el resto de mi familia, por apoyarme en el trabajo y contribuir en el primer prototipo eléctrico. Josep María Sabaté, de LyondellBasell, por concederme una entrevista. Rubén Gordillo, por su ayuda en uso de AutoCAD. La empresa A2 y Aquamania, por facilitarme acceso a resina e información sobre esta.

¡Muchas gracias!

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La descalcificaci贸n con resinas de intercambio i贸nico

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

7.

Anexos

Índice de los anexos 7.1 Tratamiento del agua: Descalcificación ..................................................................... 68 7.1.1 Intercambio iónico con resinas ................................................................................................. 68 7.1.2 Osmosis inversa ........................................................................................................................ 76 7.1.3 Métodos eléctricos: Electrodiálisis - Electrodiálisis inversa – Electrodesionización ................. 80 7.1.4 Inhibidores de incrustación ...................................................................................................... 85

7.2 Proyectos adicionales ............................................................................................... 86 7.2.1 Los campos eléctricos como eje central ................................................................................. 86 7.2.2 Prototipo de tuberías con alto voltaje ...................................................................................... 86 7.2.3 Prototipo de “separador” de dureza ....................................................................................... 94 7.2.4 Ideas no llevadas a término ...................................................................................................... 96 7.2.5 Conclusión final ......................................................................................................................... 97

7.3 Trabajo teórico ........................................................................................................ 98 7.3.1 Entrevista ................................................................................................................................. 98 7.3.2 Comparativa de aguas ............................................................................................................ 101

7.4 Documentación adicional ....................................................................................... 106 7.4.1 Marco legislativo en España ................................................................................................... 106 7.4.2 Analítica del agua de Reus ...................................................................................................... 108

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Inicialmente, concebí este apartado como la introducción teórica del trabajo. Tras consultarlo con la tutora, pensamos que era demasiado específico y extenso. Puesto que no quería eliminar toda esta recopilación de información de diversas fuentes (como se observa en la bibliografía), decidí incluirla en los anexos.

7.1 Tratamiento del agua: Descalcificación Los principales métodos descalcificadores son:

7.1.1 Intercambio iónico con resinas A causa de su economía y rendimiento, el método más utilizado para disminuir la dureza de las aguas es el del intercambio iónico con resinas.10 El intercambio iónico es un proceso en el que los iones de una disolución que entra en contacto con un determinado sólido poroso, se transfieren a este último, recibiendo a cambio otros iones. Podemos deducir, por tanto, que se trata de una transferencia de materia líquidosólido, en el que los iones se difunden en los dos sentidos. Este intercambio es reversible. Factores más avanzados como el equilibrio del intercambio iónico o la transferencia de materia afectan al rendimiento del proceso. Los sólidos son, en la mayoría de los casos, resinas sintéticas. Aun así, hay ciertos materiales naturales que presenten estas características, como las arcillas y las zeolitas. Estas resinas son de alto peso molecular, resistencia física y química, insolubles y de aspecto granular. Están compuestas por polímeros sintéticos de hidrocarburos con ciertos grupos funcionales iónicos: contra-iones (como iones H+, Na+ o OH-). La resina, sin embargo, es eléctricamente neutra, esto se debe a la presencia de co-iones, de carga opuesta a la de los grupos funcionales anteriores. Los hidrocarburos dan tenacidad y insolubilidad a la resina. Están compuestos mayoritariamente por copolímeros de estireno con ciertas unidades de divinilbenceno. También existen otros con un copolímero de ácido acrílico en vez del de estireno, pero debido a su carácter poco ácido, solo se utiliza en resinas aniónicas. El polímero también puede estar formado por otros grupos polimerizantes, como el epoxi11. Las proporciones de los diferentes polímeros de las resinas determinan sus características. Un mayo porcentaje de divinilbenceno (normalmente entre 4 y 12%) da más rigidez y menos 10

En cambio, no es recomendable un uso exclusivo en el ámbito de la purificación: no capta componentes orgánicos. 11 Epoxi: Básicamente un poliéster. Formada por la condensación de difeniol propano. 68


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

porosidad (no se infla tanto con el agua); más resistencia eléctrica y menor capacidad de intercambio12. De la misma manera, el grado de reticulación13 de la resina permite evitar el paso de iones de midas concretas, siendo más selectiva para iones pequeños a mayor cantidad de divinilbendeno (DVB). Los efectos contrarios se aplican en caso de disminuir el porcentaje de DVB.

 Clasificación Podemos dividir les resinas según 2 características.

Tipo de ión Según la carga de los iones captados por las resinas, existen.  

Resinas catiónicas: Que captan iones positivos (Mg2+, Ca2+, Fe2/3+...). Sus grupos funcionales son ácidos. Resinas aniónicas: Que captan aniones. Sus grupos funcionales son básicos

Carácter Según el carácter podemos diferenciarlos entre resinas fuertes o débiles. 

12 13

Las resinas fuertes actúan en cualquier pH y pueden atrapar todo tipo de cationes/aniones; por contrapartida, tienen una regeneración más costosa y su capacidad limitada ( se necesita regenerarla más a menudo) Las resinas débiles solo actúan en ciertos niveles de pH y son selectivas: solo retienen ciertas substancias. Presentan mayor capacidad y rendimiento de regeneración.

Capacidad de intercambio: Grupos iónicos por unidad de peso. Reticulación: Grado de interconexión, conexión en forma de red. 69


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Ilustración 6 - Estructura del polímero de estireno y divinilbenceno

Por esto, existen los siguientes tipos de resinas:

Resinas catiónicas fuertes o

o o o

Polímeros de estireno con ciertas unidades de divinilbenceno. Aproximadamente cada grupo de benceno tiene un radical sulfoni (-SO3H; SO3Na) o derivados de otro ácido fuerte (como SO4H2 ). La selectividad aumenta con el número de posibles valencias del catión, siendo las trivalentes las que presentan la máxima selectividad y las monovalentes la inferior. Son muy estables y duraderas. Tienen poca fuga de iones y suportan temperaturas de más de 100ºC Estas resinas son utilizadas en la descalcificación, utilizando una columna con resina que es regenera con sodio.

Las resinas de uso industrial buscan una purificación en el agua, por lo que utilizan resinas que desprenden H+, no Na+. Estas resinas, combinadas con las anicónicos, desionizan totalmente el agua. Por contra, su regeneración no puede ser efectuada con Na+ (ya que no es su grupo 70


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

funcional), sino que hace falta la aplicación de ácidos (sulfúrico o clorhídrico, entre otros) en el caso de les catiónicas y bases como el hidróxido de sodio en les aniónicas.

Resinas catiónicas débiles o

o o

Los radicales de estas son ácidos carboxílicos, ácido fosfónico, fenólico y otros ácidos débiles. Sus hidrogeniones se combinan por otros cationes que pueden estar unidos a aniones como carbonatos, pero no cloruros ni nitratos (han de ser siempre más débiles que el ácido acético, que es de fuerza similar a los primeros radicales nombrados). Tan solo actúan con pH superior a 4. A valores menores el grupo carboxilo se protona y no se une a los cationes del líquido. Presentan una fuga de Na+ alta.

Resinas aniónicas fuertes o o o o o

Tienen radicales de amonio cuaternario (-N(CH3)3+OH-). El OH- se intercambia por aniones del fluido. Son más selectivas con aniones divalentes que no los monovalentes. Se pueden utilizar con cualquier pH. Duran menos que las catiónicas fuertes y resisten menor temperatura. Pierden capacidad progresivamente al absorber ácidos húmicos.

Resinas aniónicas débiles o

o o

Tienen radicales básicos débiles, como el grupo amino. Por eso, como las catiónicas débiles, intercambian sus aniones (OH-) por los de los ácidos débiles (como el carbónico o el silícico). Con valores superiores a pH 6 el grupo carboxilo se desprotona y no se produce captación de aniones. Tienen el doble de capacidad que las aniónicas fuertes. No se ven afectadas por los ácidos húmicos y otras substancias orgánicas.

 Aplicación en la descalcificación Como se observo en secciones anteriores, los iones de calcio y magnesio son los que afectan a la dureza del agua, originando todo un conjunto de problemas. La dureza temporal se elimina utilizando las resinas catiónicas de ácido fuerte (con DVB entre 8-12%), normalmente en forma de gel, excepto cuando tratamos agua a altas temperaturas (entonces hará falta utilizar resinas de macroporos). Es necesario profundizar sobre el comportamiento de estas resinas; por qué eliminan tan solo la dureza (cuando las resinas catiónicas fuertes captan todos los cationes) y cuál es exactamente el mecanismo que permite su regeneración. Como ya hemos dicho, estas resinas contienen grupos catiónicos equilibrados eléctricamente por sus contraiones. Si sumergimos la resina en una solución que contenga un catión diferente, se producirá un desequilibrio de concentraciones en un doble sentido (en las resinas el catión 71


La descalcificaciĂłn con resinas de intercambio iĂłnico

de la disoluciĂłn, y viceversa). Esto acabarĂĄ provocando un intercambio de iones para llegar a un equilibrio de concentraciones. AdemĂĄs, las resinas mantienen en todo momento su electronegatividad. De esta manera, dos iones monovalentes de la resina (Na+) se intercambiaran por uno bivalente (Mg2+, Ca2+) o bien, cada uno por otro monovalente. 2đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D;2 +

đ??śđ?&#x2018;&#x17D;2+ đ??śđ?&#x2018;&#x17D;2+ â&#x2020;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2026; + 2đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x17D;2 2 đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x201D;2+ đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x201D;2+

En la descalcificaciĂłn se utilizan resinas en forma sĂłdica, es decir, con iones sodio que se intercambiaran por otros de la soluciĂłn (los motivos se verĂĄn mĂĄs adelante).

ď&#x192;&#x2DC; La afinidad relativa SegĂşn su tamaĂąo y su carga, los iones presentan un orden de preferencia a la hora de ser captados por las resinas de intercambio iĂłnico. Iones de valencia elevada son mĂĄs afines a ser captados, ya que a mayor carga, la atracciĂłn iĂłnica aumenta. A mayor radio iĂłnico, mayor afinidad.

Resinas catiĂłnicas ĂĄcido fuerte:

Ba2+< Pb2+< Sr2+< Ca2+< Ni2+< Cd2+< Cu2+< Co2+< Zn2+< Mg2+< Be2+< Ag+< Ti+< Cs+< Rb+< K+< NH4+< Na+< H+< Li+ Taula 4 - Afinitat relativa

Los cationes de Mg2+ y Ca2+ tienen una prioridad moderada; hay iones mĂĄs afines a ser atrapados. Aun asĂ­, estos se presentan en una concentraciĂłn mucho menor en el agua, lo que provoca que los iones responsables de la dureza sean los mayoritariamente captados. Una vez los iones Na+ de la resina se han agotado (es decir, han sido desplazados por otros mĂĄs afines), la resina se satura y no puede descalcificar mĂĄs agua. Hace falta regenerarla. Para hacerlo, se necesita intercambiar los iones de magnesio y calcio por otros de menor afinidad; si fuesen de mayor afinidad, despuĂŠs seria mĂĄs difĂ­cil que captasen Mg2+ o Ca2. Normalmente, las resinas utilizan el H+ (en desmineralizaciĂłn) o el Na+. Debido a la fĂĄcil regeneraciĂłn del sodio, es el mayoritario en procesos de no desmineralizaciĂłn. Como se ve en el recuadro, los iones de sodio tienen menos preferencia que los de calcio o magnesio. Esto dificulta la regeneraciĂłn. Es necesario utilizar una soluciĂłn con elevada concentraciĂłn de sal (salmuera), de esta manera, la falta de afinidad se ve compensada por una necesidad de igualar las concentraciones del catiĂłn: los iones de magnesio y calcio se intercambian por los de sodio para llegar a un equilibrio de concentraciones, permitiendo un nuevo uso de la resina.

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

El proceso de salmuera requiere que durante el período de renovación de la resina, el agua saliente tenga mayor dureza y por tanto, no sea óptima para ser utilizada. Como es evidente, al largo del tiempo las resinas irán perdiendo efectividad (regiones no regeneradas completamente), por lo que habría que cambiarlas por otras nuevas.

 Componentes Los principales componentes de un descalcificador de resinas de intercambio iónico son:    

Tanque: Donde se encuentran las resinas. El agua circula por él y sale descalcificada. Resinas Depósito de sal: Un recipiente con agua y sal donde se produce la salmuera. Válvula: Que regulando la circulación de agua y su sentido, controla las diferentes etapas del aparato, permitiendo la regeneración.

 Ciclos de funcionamiento Los ciclos de funcionamiento de las resinas son dos:

Descalcificación  

Un flujo de agua circula por el lecho de resinas por acción de la válvula. Durante esta etapa se dispone de agua más blanda. Después de un determinado período de tiempo (según la naturaleza de las resinas y del agua y el caudal), hará falta aplicar el segundo ciclo.

Regeneración Podemos distinguir dos grandes tipos de regeneración según el orden de sus fases y la circulación de la solución de sal concentrada:

Fases de la regeneración co-corriente 

Contralavado o Se eliminan sedimentos, residuos y otros restos gracias a un flujo de agua en sentido inverso al normal (de abajo hacia a arriba) que los arrastra al desagüe. Normalmente se utiliza el máximo caudal posible. Aspiración de la salmuera o La solución de salmera del depósito de sal es aspirada en el sentido habitual de la corriente (co-corriente; de arriba hacia abajo) gracias a el efecto Venturi 14 del inyector. De esta manera, se intercambia el sodio con las partes superiores del aparato, normalmente más saturadas. El calcio y magnesio que se libera acaba saturando las capas inferiores. Que se regeneran posteriormente. La circulación del agua es lenta y el caudal bajo.

14

Efecto venturi: Cuando un fluido circula de un conducto a otro más estrecho aumenta su velocidad. En consecuencia disminuye su presión. Esto se conoce como efecto Venturi. 73


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Sacudida lenta o Cuando cierta cantidad de salmuera ha sido aspirada, se cierra la válvula que la proporciona. El agua restante no contiene solución y circula en el mismo sentido que la aspiración, permitiendo expulsión de residuos por el desagüe y la circulación de la solución por el resto del lecho de resinas. Sacudida rápida o Las resinas se sacuden con agua con rápida circulación para eliminar posibles residuos y restos de salmuera, que elevaría el nivel de sal del agua. Llenado del depósito de sal o La salmuera se obtiene añadiendo agua al depósito de sal previamente lleno del descalcificador. Posteriormente, una válvula prepara la solución de salmuera necesaria.

Fases de la regeneración contra-corriente  

 

Llenado del depósito de sal o Igual que el anterior. Aspiración salmuera o La única diferencia respecto al anterior método es solo el sentido de la salmuera. En el método contracorriente la salmuera fluye de les capas inferiores a les superiores. Así, no hace falta regenerar les capes inferiores todavía no saturadas, lo cual comporta un consecuente aumento de rendimiento y ahorro de salmuera. Sacudida lenta o En esta fase, el sentido del agua es el mismo que el de la aspiración, per tanto, es en contra del habitual. Contralavado o Igual que el otro, también en contra del sentido habitual. Sacudida rápida o Idéntica a la del método co-corriente.

Ventajas: Mayor rendimiento y ahorro de agua y salmuera. Actualmente, este último sistema es el más utilizado, ya que comporta un incremento de rendimiento del 100%.

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 Variedades comerciales Para evitar aumentos de dureza puntuales durante la regeneración, actualmente encontramos en el mercado toda una gama de soluciones a la hora de determinar cuándo y la manera de realizar la salmuera. 

Descalcificadores cronométricos o Las dos fases del descalcificador se regulan con un reloj programador. Este alterna los dos ciclos del aparato a una hora programada calculada a partir de un consumo hipotético. o Como es evidente, este sistema presenta desventajas. Supone un determinado consumo, el cual, si no se produce, comporta regeneraciones innecesarias y consecuentemente, una gasto de sal agua. Descalcificadores volumétricos o Los descalcificadores volumétricos utilizan un programador que determina el momento de la regeneración según el agua utilizada y datos sobre su composición y la capacidad de las resinas; esta información viene dada por una turbina incorporada en la válvula o por un contador emisor de impulsos de la línea de agua. Podemos distinguir 3 variantes. Las dos primeras son con regeneración co-corriente.  Sistema volumétrico simple  La regeneración comienza una vez se haya procesado el volumen total de agua que el descalcificador puede tratar, o bien pospone el proceso a una hora de bajo consumo (la madrugada), mientras tanto, el agua no podrá ser tratada, teniendo niveles de dureza más elevados.  Sistema volumétrico de microprocesado  Un programador controla el agua tratada y la capacidad restante de las resinas. Según esto, se puede producir una regeneración inmediata si el aparato agota toda su capacidad, o bien a una hora determinada si las resinas tienen capacidad para menos de un día. El consuma diario se calcula según un conjunto de tablas.  Sistema volumétrico de regeneración proporcional-contracorriente  Es también un método de microprocesado. Se diferencia del anterior por considerar la capacidad de intercambio agotada a la hora de realizar los cálculos para determinar el momento de la regeneración, así como por proceso de regeneración a contracorriente.

Hay una enorme variedad de resinas, así como diversos proveedores.

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7.1.2 Osmosis inversa Llamamos osmosis a aquel fenómeno físico que se produce cuando dos disoluciones de diferente concentración de un cierto soluto, se encuentran separadas per una membrana semipermeable (que solo deja fluir el disolvente de una banda a la otra). En estas condiciones, el disolvente fluye espontáneamente de la banda más diluida a la otra tratando de igualar concentraciones15. Este flujo finaliza (momento en qué el transporte de disolvente es el mismo en ambos sentidos), cuando, a causa del incremento de volumen a la banda de más concentración, aumenta también la presión, y en consecuencia también la tendencia del disolvente a escaparse, llegando a un determinado valor llamado presión osmótica en el que se compensa con la diferencia de concentraciones. La presión osmótica también es un método útil para medir diferencia de concentraciones, son proporcionales. La osmosis inversa (o hiperfiltración), como su nombre indica, utiliza un proceso para ir en contra de la tendencia natural del disolvente. Si se consigue de manera artificial incrementar la presión a la banda más concentrada por encima de la presión osmótica, entonces sucederá el proceso inverso, el agua fluirá del extremo más concentrado al otro ya que el equilibrio presión-concentración se habrá vuelto a romper, ahora en sentido inverso. Este sistema presenta un importante inconveniente, la polarización de la concentración: la mayoría de los iones están a una banda de la membrana. Esto provoca precipitación del soluto en la membrana, obstruyendo sus poros y en consecuencia reduciendo el caudal. Este hecho, unido a alteraciones del pH, puede producir contaminación. La aplicación comercial o industrial del procedimiento es clara: se introduce agua pura o con menor concentración de soluto/s (según el uso que se quiera dar a la instalación), a un lado de la membrana y el agua que se desea purificar al otro. Posteriormente se aumenta la presión en el lado con impurezas por encima del valor de presión osmótica. Obtendremos dos flujos de gua, un flujo aumentado de agua más pura (filtrado o permeado) y una disminución del otro, que estará más concentrado y será evacuado (retenido). Como es evidente, a mayor presión, la osmosis será más efectiva, ya que habrá un mayor volumen de agua tratada.

 Aplicaciones El sistema de osmosis inversa tiene un gran espectro de uso a causa de sus cualidades: es un proceso de purificación de una sola etapa, de fácil mantenimiento, alto rendimiento y espacio reducido. Se utiliza en purificación de aguas salobres o desalinización, así como también en la industria alimentaria16 y farmacéutica.

15

De esta manera el sistema consigue una mayor homogeneidad o equilibrio, o lo que es lo mismo, aumenta la entropía del sistema. 16 Según las investigaciones de R.Osantowski y A.Geinopolos, la osmosis inversa es el método más económico de reutilización del agua en la industria del papel y alimentaria. 76


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Por contra, sus mayores inconvenientes son la alta inversión inicial y la presencia de presiones elevadas con las consecuentes bombas de presión.

 Membrana semipermeable La naturaleza de la membrana es fundamental en los procesos de osmosis inversa. Una bona membrana cumple las siguientes características:      

Muy permeable al agua y impermeable a los solutos El menor grueso y volumen posibles Resistente a los valores de presión a los que será sometida Inerte químicamente Resistente al deslizamiento Resistente a esfuerzos mecánicos

Estas propiedades garantizan que será capaz de estar sometida a todas las condiciones del tratamiento y que no reaccionará con ninguna especie química. A la vez, un menor espacio ocupado implica una instalación más pequeña, con menor número de membranas y consecuentemente, más económica. Cada membrana retiene un tanto por ciento concreto de cada especie química, esta propiedad se llama rechazo. Se pueden distinguir diferentes variedades de membrana que presenten diferentes ventajas e inconvenientes.

Membranas planas Son el diseño más simple: rectangulares y unidas al resto del sistema por un marco. Tienen poca superficie útil, por lo que se acostumbra a disponer un conjunto de membranas en serie para mejorar la efectividad. En cambio, la separación entre membranas ofrece un limpiado fácil, lo que les hace convenientes en aguas de gran contaminación.

Membranas tubulares Tienen forma cilíndrica y es apoyan sobre un tubo de PVC. El agua entrante circula por dentro del tubo; el permeado sale por fuera y el retenido se queda dentro. Son también de fácil limpieza, pero continúan teniendo un bajo rendimiento, por lo que se acostumbran a utilizar diversos tubos paralelos. Son de fácil fabricación.

Fibra hueca Las membranas de fibra hueca son un conjunto de tubos de menos de 0.1μm de diámetro, con una fina membrana interior que se encuentra dentro de otro tubo de plástico protector.

16

Según las investigaciones de R.Osantowski y A.Geinopolos, la osmosis inversa es el método más económico de reutilización del agua en la industria del papel y la alimentaria. Leonard N. Dasgupta A. Tratamiento de residuos industriales y peligrosos Ed.Díaz de Santos (1998). 77


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El agua entra a presión por los capilares de los tubos; el permeado los atraviesa y es almacenado, las sales retenidas es desplazan progresivamente a los extremos del tubo para acabar siendo expulsadas. Son membranas con alto grado de eficiencia, ya que pueden tratar volúmenes elevados de agua: la suma total de los caudales de cada capilar es elevada. Además, gracias al grueso de las paredes de los diversos tubos de los capilares pueden suportar valores elevados de presión. A causa de la favorable relación entre el espacio de la instalación y el volumen tratado, son uno de los dos métodos más económicos (junto con las membranas en espiral)

Membranas en espiral Un conjunto de membranas con forma rectangular unidas a un cilindro (que recoge el permeado) y separadas entre ellas (con mallas y materiales impermeables) de manera que se regula independientemente el caudal y se eviten obstrucciones. La disposición en espiral comprime el espacio necesario, abaratando su compra.

 Composición Las membranas comerciales más relevantes pueden estar constituidas por dos grandes tipos de materiales:

Membranas de poliamidas aromáticas Son las que permiten el mayor caudal, necesiten bombas de presión menor en comparación con el resto. Por contra, son sensibles al cloro. Actualmente son las más utilizadas. Podemos distinguir dos subtipos según la presencia de grupos sulfónicos o carboxilos.

Membranas de (mono-, di-, tri-) acetato de celulosa La característica de estas membranas que permiten que aun estén en el mercado es su resistencia a concentraciones de cloro más elevadas. De esta manera se pueden someter a procesos de desinfección, por lo que son útiles en la purificación de aguas contaminadas o salubres Se van degenerando con el uso.

 Componentes Un equipo estándar de osmosis inversa consta de:

Pretratamiento Para evitar el rápido desgaste de la membrana, el agua entrante se somete a un conjunto de prefiltros que tienen como a objetivo eliminar las impurezas más importantes (no dejando pasar cuerpos de más de ciertos micrómetros o nanómetros, según el modelo). Al cabo de un cierto período de tiempo, necesitan ser renovados. Destacan: 

Prefiltro de sedimentos > 5μm: Que permite disminuir el desgaste de la membrana, alargando la duración. Recambio cada 6 meses.

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Prefiltro de carbón activado granular: Que elimina el cloro. Adecuado para resinas de poliamidas aromáticas. Recambio al año.

Bomba de presión Que incrementa la presión en el lado con mayor concentración para invertir el proceso de osmosis.

Membrana semipermeable Que ya hemos tratado en la sección anterior.

Postfiltrado El agua resultante puede volver a ser filtrada con carbón activo para eliminar posibles restos.

Depósito El agua tratada se almacena hasta su uso. EL estancamiento prolongado puede producir la aparición de microorganismos.

 Mantenimiento Progresivamente, la membrana pierde parte de su efectividad por la acumulación de residuos en sus poros, es necesario limpiarla. En filtros pequeños, únicamente se utiliza la limpieza con agua, que puede ser de dos tipos complementarios.

Contracorriente Los poros de la membrana es limpian al hacer circular agua filtrada en sentido inverso al convencional (contracorriente) a una presión 2.5 veces mayor a la utilizada durante el uso habitual.

Co-corriente Agua filtrada que circula igual que el retenido, eliminando restos que podrían obstruir los poros. Se utiliza una presión elevada.

Uso de aire Así mismo, en grandes instalaciones, este sistema no es suficiente ya que no limpia del todo la membrana. Se incorporan, además de los flujos de agua, corrientes de aire.

Agentes químicos Para incrementar la eficacia del mantenimiento, se añaden ciertos componentes químicos substancias a contracorriente (desinfectantes, antical) para eliminar residuos como el hierro o componentes orgánicos. La regularidad de su aplicación depende en gran medida de las características del agua, siendo normalmente mensual.

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7.1.3 Métodos eléctricos: Electrodiálisis - Electrodiálisis inversa – Electrodesionización Podemos definir la electrodiálisis como un proceso de purificación de agua basado en el uso de membranas iónicas y campos eléctricos. Hay que remarcar que a causa de la necesidad de instalaciones más grandes y complejas, la electrodiálisis no se encuentra presente en el ámbito doméstico. La electrodiálisis alterna membranas de intercambio iónico catiónicas y aniónicas. Bajo la influencia de un campo eléctrico, los cationes tienden a acumularse en el cátodo y los aniones al ánodo. Al mismo tiempo, la presencia de membranas iónicas limita la movilidad de los iones (ya que iones de carga positiva pueden atravesar una membrana de intercambio catiónica, pero no una de aniónica Ver grafico). De esta manera, los iones quedan concentrados en diversos compartimentos entre membranas. El agua resultante no puede moverse entre las membranas, ya que estas son impermeables, sino que sale en diversos compartimientos que alternen entre altas y bajas concentraciones iónicas. Además, se puede dar prioridad al paso de ciertos iones sobre otros utilizando membranas de diferente naturaleza. Estas membranas son de la misma naturaleza que las resinas de intercambio iónico. A diferencia de las resinas o la osmosis inversa, la electrodiálisis (ED) es un método que no elimina todos los iones con un ciclo del aparato. Hay muchas soluciones: en grandes instalaciones se acostumbra a hacer pasar el agua por diversos sistemas de ED. En instalaciones de menor dimensión, el agua pasa varias veces por el campo eléctrico o bien se instalan diversas series de compartimentos de resinas. De manera homóloga en la osmosis inversa y en el resto de sistemas con membranas, es muy sensible a la contaminación orgánica (motivo por el cual necesita también un pretratamiento para filtrar residuos orgánicos o de cierto diámetro), la cual no puede eliminar. De la misma manera, se necesitan complementos de desinfección, estabilización y limpieza con aire. Además, también está presente la polarización de la concentración: Se suelen instalar limitadores de cauce y creadores de turbulencia para paliar los efectos, una corriente rápida de agua también puede impedir la polarización. Su uso principal es la obtención de agua potable a partir de agua salubre o del mar. Resultando especialmente económico en aguas de débil salinidad con menos de 5000ppm de sólidos en solución. También tiene aplicaciones en la producción de aguas de calderas o de uso industrial. No obstante, a partir de los 90, las mejoras de las membranas de osmosis inversa han producido una disminución de importancia y cuota de mercado de este método de desionización.

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 Tipos de electrodiálisis Electrodiálisis unidireccional Los primeros dos tipos de electrodiálisis son unidireccionales ya que no contemplan una inversión de la polaridad del cátodo y el ánodo. Según la posterior circulación del agua saliente se pueden dividir en:

Electrodiálisis en lotes El agua circula continuamente de un tanque de retención a un sistema de membranas hasta que se consiga la pureza necesaria. El agua sobrante se hace circular para una menor pérdida.

Electrodiálisis continua Mediante el uso de dos agrupaciones de membranas, se consigue que con una única circulación del agua, esta ya sea óptima. El agua sobrante también se vuelve a hacer circular para mejorar su provecho. El principal problema de estos dos sistemas reside en el tratamiento de la incrustación. Normalmente se añaden ácidos para controlar la precipitación de carbonatos, inhibidores de sulfato cálcico (CaSO4) o se utilizan membranas permeables selectivas: estas membranas evitan el paso de ciertos iones y permiten los de otros, ya que tienen carácter selectivo. Combinándolas se puede evitar la formación de CaSO4 de manera efectiva. Leas partículas coloidales tienen cierto carácter electronegativo, tendiendo a acumularse en las membranas aniónicas. Los sistemas convencionales de limpieza de electrodiálisis utilizan un lavado con gran cauce para eliminar estos residuos; ciertos sistemas comerciales también utilizan el contralavado para impedir la formación de incrustaciones.

Electrodiálisis reversible La electrodiálisis reversible (EDR) empieza a surgir a los 60 como un intento de evitar las incrustaciones y contaminación sin la adición de productos químicos que parasen la producción. Para evitarlo, se invierte la polaridad de los electrodos de 2 a 4 veces cada hora. Al producirse el cambio, las reacciones también se invierten: en el ánodo se forma hidrógeno gas (H2) y hidróxido (OH-), este último incrementa el pH del agua, favoreciendo la precipitación de CaSO4. Por otro lado, en el cátodo se forman oxígeno y diversos ácidos que disuelven el sulfato cálcico acumulado durante la fase previa. Como también se puede deducir, los compartimentos de concentrado ahora se convertirán en los de de filtrado y viceversa, por lo que es necesario redireccionar el sistema de salida de de agua. Los electrodos de la EDR se construyen de materiales inertes, como una cubierta de platino, ya que el ánodo ha de ser sometido a condiciones corrosivas (OH-). La automatización del lavado evita la aparición de residuos o incrustaciones así como permite un lavado con ácido de los electrodos sin el uso de agentes químicos (se forman ácidos en el cátodo), lo que supone un avance económico y ecológico. 81


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 Pretratamiento El agua de la ED y EDR necesita un menor pretratamiento que otros sistemas de membranas. Las medidas básicas de pretratamiento incluyen la eliminación de sólidos en suspensión de más de 10μm. Tratamientos más avanzados (que se llevan a término según la calidad del agua original) también incorporan coagulación17, sedimentación y otras filtraciones.

 Optimización de los recursos Los procesos de ED y EDR utilizan un conjunto de sistemas para optimizar la cantidad de agua residual expulsada. Entre los más importantes se incluyen:

Reutilización del concentrado El diseño de la instalación de ED o EDR provoca que aproximadamente la mitad del agua utilizada se vuelva concentrado y en consecuencia, sea evacuada. Un sistema de reciclaje de ésta permite que sea reutilizada durante una mayor cantidad de tiempo. Después de un cierto periodo, esta agua es evacuada junto con una cierta cantidad de agua no tratada para conseguir las concentraciones dictadas por la legislación.

Procesos exclusivos de la EDR Reutilización de la corriente del electrodo La inversión de la polaridad da al agua características parecidas a las de la no tratada. De todas formas, los gases producidos por la inversión se recogen y ventilan y el agua se expulsa. Esta agua se puede reutilizar, con el consecuente ahorro.

Reutilización del agua fuera de las especificaciones Durante la inversión de polaridad, los diversos compartimentos cambian su naturaleza; los compartimentos de concentrado se convierten en los de desmineralizado y viceversa. No obstante, esta inversión requiere una cierta cantidad de tiempo para que el agua entrante atraviese todo el sistema de EDR. Durante este periodo, se puede retardar la inversión de las válvulas de salida, de esta manera, el agua no ha de ser evacuada, sino que mantiene la salinidad media del agua a tratar. Gracias a eso, el agua se puede volver a reutilizar.

Proceso de inversión por fases La inversión por fases se basa en el control de las válvulas de salida y entrada y de la inversión individual de cada etapa de electrodos. En sistemas convencionales, una inversión simultánea de todos los electrodos comporta un periodo de tiempo dónde ninguna etapa se encuentra operativa, por lo que el agua saliente no tiene las especificaciones adecuadas. En cambio, con una inversión gradual, donde cada electrodo se invierte tras un periodo de tiempo, se consiguen diversos beneficios: sólo una de las etapas no trata el agua, por lo que el agua fuera de las especificaciones se trata en el resto,

17

Coagulación: Los coloides de una suspensión se encuentran en suspensión, por lo que decimos que son estables. Su carga negativa los repele entre ellos, lo que dificulta su sedimentación. La coagulación busca romper esta estabilidad con productos químicos para formar agregados (especies químicas que experimentan uniones no covalentes) de mayor tamaño.

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eso también proporciona otra ventaja, el sistema puede funcionar de manera constante, sin necesidad de pausas, y consecuentemente, con una mejora productiva.

Frecuencia de la inversión Normalmente, la inversión de polaridad se produce a los 15 minutos. Ciertos sistemas, en cambio, permiten una mayor duración de cada ciclo, por lo que la periodicidad de agua fuera de las especificaciones también se alarga, comportando un ahorro hidráulico.

Adición química La salinidad del agua tratada se mide por la concentración de sulfato y carbonato cálcicos. Para evitar incrustaciones se puede optar por incorporar ciertas substancias químicas (un antiincrustante para regular la concentración de sulfato cálcico y ácido para la del carbonato cálcico). Gracias a la reutilización del concentrado, la cantidad de estas substancias es pequeña. Sin este proceso, la concentración de sulfato cálcico puede aumentar del 150 al 275%.

 Post tratamiento El agua resultante del tratamiento de ED o EDR pasa otra etapa de pretratamiento en función de su uso futuro: 

Para aguas de uso industrial, normalmente se incorporan más procesos de eliminación de iones con unidades de intercambio iónico; de esta manera se obtiene agua con alta pureza. Las normativas vigentes tienen criterios más estrictos respecto al agua potable. Es por eso que se añaden procesos de desinfección y control de la corrosión18. Por eso, las plantas de agua potable con ED/EDR suelen contar con un clorador, que dosifica la adición de cloro. En ciertos casos se opta por el uso del ozono (O3), el que proporciona una mayor independencia del pH, un efecto bactericida mayor pero, por contra, ciertos problemas con la materia orgánica por su alta reactividad.

 Aplicaciones Los sistemas de ED y EDR sólo actúan sobre iones disueltos. Por lo tanto, no son efectivos delante de elementos orgánicos contaminantes sin carga o bacterias. Es por eso que estos procesos se combinan con el OR para obtener agua saliente con mayor concentración de iones. Podemos distinguir dos grandes tipos de aplicaciones: 

Eliminación del Total de sólidos disueltos (TDS) o La aplicación más usual. Destaca la flexibilidad de las plantas de tratamiento, que pueden producir agua de 500mg/L TDS a partir de valores de concentración tan diversos como 10000mg/L TDS y 3600mg/L TDS.

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Reacción irreversible a causa del medio que degrada las propiedades de cierto material (normalmente metales). 83


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Eliminación de contaminantes inorgánicos ionizados. o Con el ED y EDR se pueden eliminar ciertos problemas del agua entrante, como elevadas concentraciones de nitratos, nitritos y selenio de la contaminación agraria, estos y otros son constituyentes inorgánicos iónicos contaminantes que pueden ser tratados. Este método permite reducir la concentración de los siguientes iones:  Cromo, sodio, mercurio, cloruro, cobre, sulfato, uranio, fluoruro, nitrato, nitrito, hierro, selenio, calcio, magnesio, bario, bicarbonato, cadmio y estroncio. o La proporción de eliminación de estos componentes es similar a la de TDS.

 Electrodesionización La electrodesionización (EDI) es un proceso utilizado en la industria para la obtención de agua ultra pura. Fue publicado por primera vez en 1955 en la revista Industrial & Engineering Chemistry19 Con este proceso, el uso de campos eléctricos y resinas se fusionan para dar un salto cualitativo. De manera homóloga al método anterior, las cargas son sometidas a fuerzas de atracción/repulsión inducidas para campos eléctricos. Con este nuevo planteamiento, los compartimentos por dónde circula el agua se encuentran llenos de resina de intercambio iónico, lo que aumenta la eficacia del proceso. El EDI presenta un gran número de ventajas respecto al resto de métodos; una purificación que puede llegar a la cifra de partes por millón o trillón de contaminantes. No hacen falta aditivos químicos y posee una gran proporción de recuperación de agua (90%, y el 10% restante puede ser utilizado por otros procesos gracias a unas concentraciones no excesivamente elevadas). Se pueden llegar a producir 250m3 de agua tratada por hora. Además, los campos eléctricos crean iones H+ y OH- que regeneran las resinas durante el tratamiento; lo que evita la regeneración de ácidos y la problemática de las incrustaciones. La presencia de resinas hace necesario un pretratamiento del agua, ya que éstas no se pueden contralavar, normalmente se aplican métodos de osmosis inversa para evitar sólidos en suspensión. Actualmente, este método está substituyendo el uso exclusivo de las resinas.

19

Concentration of Radioactive Aqueous Wastes. Electromigration Through Ion-Exchange Membranes W. R. Walters, D. W. Weiser, & L. J. Marek http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie50541a027?prevSearch=marek&searchHistoryKey= 84


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7.1.4 Inhibidores de incrustación Los métodos vistos hasta ahora se basaban en la eliminación de los iones Ca2+ y Mg2+. Pero existe otro método de tratamiento que simplemente intenta evitar sus efectos perjudiciales, es la inhibición. Como ya se ha apuntado anteriormente, los carbonatos cálcico y magnésico precipitan por la aportación de energía (calor) o el propio carácter incrustante del agua. Los inhibidores aportan la energía necesaria para la formación de cristales, aumentando el tamaño y la forma de tal manera que no queden incrustados en la tubería, sino que continúen fluyendo al largo de ésta. Los cristales tienen la misma composición química, pero no la misma forma, que adquiere un carácter no incrustante. En forma de ondas electromagnéticas de determinada frecuencia (en función del cauce y las dimensiones de la tubería), un conjunto de circuitos integrados en el inhibidor suministran un impulso electromagnético dirigido hacia el centro de la tubería que produce la cristalización. Los inhibidores magnéticos tienen un conjunto de ventajas: I. II. III.

No alteración del agua. A diferencia de las resinas, no se libera sodio que, en caso de agua con excesiva dureza podría provocar un exceso, no de cal, sino de Na+. No solamente evita las incrustaciones, también las elimina. Los nuevos cristales erosionan les antiguas incrustaciones. Consecuentemente, disminuye la corrosión. No necesita mantenimiento.

Por contra, el calcio no se elimina, se transforma. Los cristales flotan dentro del agua, lo que la hace poco atractiva al consumo. Además, el efecto no es permanente, por lo que no es conveniente utilizar-lo en agua almacenada durante largos periodos de tiempo. Ya que no elimina la dureza, no se aplica en los mismos contextos que el resto de procesos, sino en aquellos que sólo suponen una circulación y no un tratamiento de agua: máquinas de lavado, calentadores de agua eléctricos o expendedores de bebidas.

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7.2 Proyectos adicionales El estudio de la evolución de la efectividad de diversas variedades de resinas de intercambio iónico no fue la primera idea planteada. Previamente llevé a cabo otras iniciativas que, a causa de su nula efectividad, tuve que descartar. De todas maneras, resultan especialmente interesantes y creativas, por lo que es importante explicarlas.

7.2.1 Los campos eléctricos como eje central Como se explica en los procesos eléctricos, la presencia de un campo eléctrico provoca un movimiento de cargas dentro del agua que finalmente ocasiona la salida de agua desionizada en diversos compartimentos. Utilizando la carga eléctrica que caracteriza los iones de calcio y magnesio, ideé diversos sistemas con un denominador común: el desplazamiento de las cargas hacia sitios concretos de diversos aparatos.

7.2.2 Prototipo de tuberías con alto voltaje El primer prototipo construido era el que más se parecía a un equipo de electrodiálisis: se acumularían los cationes presentes al líquido en una región determinada de una tubería: el agua circularía hasta encontrarse con un dipolo producido per dos placas paralelas (electrodos), los iones de calcio y magnesio se acumularían alrededor del cátodo y los aniones harían lo mismo entorno al cátodo. De esta manera, el agua saliente seria más blanda. Como se puede deducir la principal desventaja de este método es su incapacidad de discriminación. No sólo los iones de calcio y magnesio disminuyen su concentración, también el resto de cationes, lo que alteraría la composición del agua para su consumo. De todas maneras, la concentración otros cationes es mucho menor por lo que la diferencia cuantitativa seria poco significativa. De todas maneras, un agua sin cationes tiene otros usos: como la aplicación en aparatos domésticos (lavadoras, planchas, etc). Ahora bien, la acumulación de cargas positivas (cationes) en una región de la tubería próxima a un campo eléctrico negativo externo provocaría, al largo del tiempo, una progresiva pérdida de rendimiento del descalcificador eléctrico a causa del efecto de apantallamiento entre el campo externo y el generado por las cargas de los cationes. Por este motivo se hacía necesario idear una manera de expulsar estos iones. Para hacerlo, proyecté una región más ancha de la tubería donde se acoplaría un grifo; así, esta agua cargada de cationes, se expulsaría periódicamente, renovando el sistema sin tener que interrumpir la libre circulación de agua. También se consideró el uso de una membrana selectiva que retuviera los iones evacuados y a la vez permitiese la reutilización del agua. Sólo se tendría que cambiar esta membrana periódicamente. A causa de su complejidad (tanto en el campo de los materiales como del montaje), no se llevó a término. Otro problema de esta idea es la presencia de cargas negativas: éstas también se acumularían y podrían provocar efectos adversos. Para evitarlo pensé en aplicar un procedimiento 86


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homologo a la electrodiálisis inversa: un cambio periódico de polaridad de los electrodos durante el cual el agua saliente no estaría tratada. Debido a los resultados negativos de los diversos intentos de llevar a término el proyecto no se pudo poner en práctica.

Animación 4 - Funcionamiento del prototipo 1

Una vez concebido el aparato, faltaba concretarlo y construirlo:

 Diseño Obtención de alta tensión Al crear una diferencia de potencial, las cargas eléctricas se mueven del potencial más grande al más pequeño. Ahora bien, para que esta diferencia de potencial de resultados hacen falta campos eléctricos muy elevados y una separación entre electrodos muy pequeña (pocos milímetros). Para obtener el alto voltaje consideré dos alternativas:

Utilizar un MAT Este componente, que se encuentra presente en los televisores actuales, crea una gran diferencia de potencial (del orden de 10 KV) para acelerar los electrones que, chocan contra la pantalla, permitiendo la visualización de imágenes. Así mismo, se trata de un componente que trabaja también con altas intensidades, por la que su manipulación puede llegar a ser muy peligrosa.

Crear un multiplicador de tensión Un multiplicador de tensión es un circuito que, manteniendo la misma intensidad, aumenta la tensión entrante mediante un circuito de diodos y condensadores. La principal ventaja de este método es su menor peligrosidad, ya que la intensidad es mínima. Además, es un circuito de fácil construcción y que puede ser reutilizado como ionizador de aire. Ante sus características favorables, opté por el segundo método.

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Esquema y funcionamiento eléctrico Se ha mencionado la elección de un multiplicador de tensión, pero es necesario conocer su funcionamiento. Debido a la corriente alterna, el circuito cambia continuamente de polaridad. Igualmente la corriente no puede circular siempre por el circuito (a causa de los diodos, que limiten les direcciones del paso de la corriente). Este hecho provoca que a cada cambio de polaridad, se acumule tensión en los condensadores, de manera que la tensión se multiplique: se suma la tensión de los condensadores secuencialmente. Creo que el funcionamiento de este dispositivo es confuso, y es difícil hacer una explicación escrita de fácil comprensión, lo mejor es visualizarla en la siguiente animación: C.C de salida 0-1500V

C1

C2

C3

V1 D1

C.A. de entrada 0-220V

D2

C4

D3

C5

D4

D5

D6

C6

Animación 6 - Funcionamiento del multiplicador

Pero, la tensión final que proporciona el uso de este multiplicador es fija, ya que la tensión entrante es constante. Si quería poder regular la tensión para estudiar sus efectos, tendría que integrar al circuito otro componente: un autotransformador variable. De esta manera, diseñe el esquema eléctrico del aparato. Para facilitar su denominación, nombré caja de controles al conjunto de componentes que regulaba el funcionamiento del prototipo:

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F1

Fusible

2 5 3 4 1

Autotransformador

220V

1 2

V

3

4

Vol tímetro (0-220V)

Tensión saliente (0-1500V)

5 6

Mul ti pl i ca dor

Dibujo 3 - Esquema eléctrico del prototipo (caja de controles)

Tubería El agua tenía que pasar por una tubería con electrodos a su alrededor. Para tener mayor versatilidad, los electrodos positivos y negativos se dividirían en 3 placas más pequeñas. De esta manera se podían crear diferencias de potencial en diferentes partes de la tubería y mirar el impacto de las diversas combinaciones en la dureza del agua. Igualmente, hacía falta que la parte de la tubería donde estuvieran los electrodos fuese más ancha. Era imposible cambiar la forma de un tubo de PVC con los medios de los que disponía, así que opte per una solución más simple: el agua circularía per una tubería; esta tubería presentaría un corte en la parte inferior en un segmento en el cual se encontraría atravesando otra tubería de mayor diámetro con los extremos sellados: es decir, en vez de modificar la tubería modifique su entorno. También era necesario que se pudiera expulsar el agua acumulada en la tubería de mayor diámetro: para hacerlo necesitaría incorporar un grifo adicional. Para utilizar un nombre exacto (ya que la tubería consta de diversos complementos como los electrodos o la tubería circundante) bautice esta parte con el nombre de soporte. En resumen: necesitaba construir un multiplicador de tensión conectado a diversas placas de cobre dispuestas alrededor de dos tuberías.

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 Construcción Materiales Caja de control: 1) 2) 3) 4)

8 condensadores 7 diodos Placa de circuito Bornes de conexión a circuito impreso

5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14)

Autotransformador variable 6 interruptores 6 bases hembra de tipo banana. Caja de conexiones Placa de baquelita. Base de enchufe Portafusible con fusible Voltímetro Tubos termorretráctiles para cable eléctrico Cable, tornillos, tuercas.

Suport Canonada 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17)

Tubo de PVC de 50mm Tubo de PVC de 32mm Tubo de PVC flexible de 20mm 2 uniones de tubo de 20mm con rosca hembra de ½ pulgada. 2 tapones de rosca de ½ pulgada. 2 codos de 90º de 20mm 1 codos de per a tubo de 32mm y rosca hembra de 1 pulgada. Unión de tubo de 32mm rosca macho de 1 pulgada. Transición hembra-hembra de 1 pulgada. Reducción macho-macho de 1 x ¾ de pulgada. Grifo de ¾ de pulgada. Transición macho-macho de ¾ a ½. Plancha de cobre de dimensiones medianas Grifo de PVC con rosca de 1 pulgada Cintillos de sujeción Tubos termorretráctiles para cable eléctrico Teflón

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18) Placas 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Pegamento para PVC

Planchas de cobre Cable Bornas de conexión Jacks de conexión Cintas de sujeción Tornillos y tuercas

Herramientas 1) 2) 3) 4) 5)

Minitaladro multiuso20 Sierra Soldador y estaño. Destornillador Llave inglesa

Procedimiento Caja de controles 1. 2.

Presentar los diversos elementos en la caja para planificar su incorporación. Marcar y cortar los agujeros pertinentes a los elementos que tenían que sobresalir: el voltímetro, los interruptores, el autotransformador, la base para el enchufe. Cortar también un rectángulo en un lateral destinado a las bornas de conexión. 3. Cortar un rectángulo de baquelita una poco más largo que el rectángulo efectuado anteriormente. 4. Realizar 6 agujeros pequeños en la baquelita para introducir las bases hembra de tipo banana. 5. Unir con el lateral del agujero rectangular mediante tornillos. 6. Cortar también otra placa de baquelita de unos 18x13cm. 7. Acoplarla a la parte inferior de la caja con tornillos. Esta placa servirá como base para integrar el circuito multiplicador de tensión. 8. Utilizar la placa de circuito eléctrico para reproducir el esquema del multiplicador de tensión. Después, integrar esta placa a la baquelita. 9. Obtener una última placa de baquelita de unos 5x6 cm con un agujero rectangular en la parte central por donde se pueda insertar el enchufe. Acoplar a otro lateral con tornillos. 10. Colocar los interruptores, el voltímetro, el autotransformador y el enchufe. 11. Unir los diversos componentes según el esquema eléctrico.

20

No es imprescindible utilizar esta herramienta, aunque resulta muy práctica: se puede suplir con sierras y taladros. 91


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Para obtener una visión más clara se pueden utilizar cables rojos y azules respectivamente. Igualmente, se puede indicar a qué polaridad e interruptor corresponde cada base hembra de tipo banana plastificando una nota con las indicaciones pertinentes a la baquelita del lateral.

Soporte Tubería 1. Cortar 28cm del tubo de 50mm 2. Cortar 48cm del tubo de 32mm 3. Crear una abertura longitudinal de 90º de 20cm equidistante de los extremos. 4. Introducir el tubo de 32cm dentro del de 50mm. Centrarlo y pegarlo por la parte superior (la que no tiene la abertura). 5. Introducir unos 5cm del tubo flexible de PVC de 20cm en los 2 extremos de la parte inferior del PVC de 50mm. 6. Sellar el tubo con cola de PVC. Dejar secar aproximadamente un día (se necesita gran cantidad de cola). 7. Acoplar 2 codos de 90º a los dos tubos flexibles de 20mm. 8. Sujetarlos a la estructura principal con 2 cintillos de sujeción. 9. Unir cada codo con las uniones de 20mm y incluir sus respectivos tapones de rosca de ½ pulgada. 10. Acoplar el codo de 90º en uno de los extremos del tubo de 32mm 11. Unir el grifo de PVC de rosca de 32mm con el codo anterior. 12. En el otro extremo, acoplar, por orden: a. Unión de tubo de 32mm y rosca macho de 1 pulgada. b. Transición hembra-hembra de 1 pulgada c. Reducción macho-macho de 1 por ¾ de pulgada.. d. Grifo de ¾ de pulgada e. Transición macho-macho de ¾ a ½. Placas 1. Cortar 6 placas de la plancha de cobre de 5x8cm. 2. Hacer un pequeño agujero a una de las esquinas para colocar un tornillo y una tuerca con los que unir la placa con los terminales de conexión de los cables que llegan desde la caja de controles. 3. Dar a las placas la forma curvilínea del tubo de 50mm. 4. Disponerlas equidistantes encima del tubo de 50mm de manera que haya 3 a la parte inferior y 3 a la superior. 5. Sujetarlas con cintillos de sujeción. 6. Preparar seis cables (3 rojos y 3 azules para una visión más rápida de su función) de aproximadamente 1m. a. Conectar las bornas de conexión a uno de sus extremos b. Acoplar en el otro extremo (el que se conectara a la caja de controles) el jack de conexión. c. Se pueden agrupar los cables utilizando los cintillos de sujeción. 92


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Vídeo 3 - Construcción del prototipo de tubería con alto voltaje

 Revisión Se utilizó un voltímetro de hasta 1500V para medir la tensión de entrada y salida. Los resultados obtenidos llegaron a un máximo de unos 1400V. Para comenzar, decidí aplicar a la tubería la máxima tensión posible, es decir los 1400V.

 Resultados Después de la su construcción, pasé a observar si el descalcificador construido cumplía su función. Se analizo la dureza del agua antes y después de circular por el mecanismo. En todos los casos excepto en uno (un error de medida que provoco un falso optimismo), la dureza inicial era igual a la final.

 Conclusiones El descalcificador no funcionó. Ahora bien ¿por qué? Considero que el concepto teórico de funcionamiento es correcto (las cargas se mueven delante de una diferencia de potencial), así que pueden haber sucedido errores de otra naturaleza: 

Error de cálculo a. Es posible que el voltaje o la distancia entre las placas fuese tan diferente respecto a los de la electrodiálisis que tan solo se consiguiera una mínima disminución de la dureza.

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b. La velocidad del agua también disminuía la retención de iones, que tendían a escaparse con la corriente. Desafortunadamente es muy difícil encontrar especificaciones técnicas de los aparatos de electrodiálisis (ya que son propiedad de empresas privadas). Por esto a un ser este un motivo muy probable, no lo he podido corroborar. 

Error de construcción a. Los multiplicadores de tensión se utilizan fundamentalmente para ionizar el aire. Es posible que algún de los componentes que provocaba la diferencia de potencial se comportara adecuadamente.

Sea como sea, en última instancia, esta experiencia proporciona una conclusión que resulta suficientemente interesante: los métodos eléctricos requieren de unos medios mayores que no los de la osmosis inversa o el intercambio con resinas, que se pueden aplicar más fácilmente al ámbito doméstico: este es un de los motivos de su pérdida de importancia.

7.2.3 Prototipo de “separador” de dureza La idea de los campos eléctricos perdió fuerza con el fracaso del primer proyecto, pero aun así no me di por vencido. Consideré que el principal problema que presentaba el descalcificador inicial era la limitación por tiempo, es decir: los cationes tenían que ser retenidos antes de irse con la corriente. Por lo tanto, si diseñaba un sistema más estático podría evitar esta problemática. Igualmente, dejando en funcionamiento el nuevo prototipo durante una elevada cantidad de tiempo podría compensar la posible poca efectividad debida a un voltaje comparativamente pequeña y la excesiva separación entre placas. En este nuevo sistema el agua tenía que permanecer quieta. Unas placas situadas en los extremos de un recipiente crearían una distribución de carga. El agua saliente lo haría por la zona con menor concentración de cationes y consecuentemente, más blanda.

 Diseño Se puede apreciar que este nuevo intento de descalcificador es mucho más sencillo que el anterior. Solo hace falta un recipiente de capacidad media, dos placas de cobre, añadir un grifo y utilizar la caja de controles del anterior intento de descalcificación.

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 Construcción Materiales 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Recipiente de plástico de unos 21x13x10 cm Arandela de goma Tuerca para acoplar a un grifo de ½ pulgada. Grifo de ½ pulgada. Placa grande de cobre. Caja de controles

Herramientas 1) 2)

Minitaladro multiuso. Llave inglesa

Procedimiento 1. Hacer un agujero en la parte inferior del recipiente donde acoplar la tuerca con su grifo previamente enroscado. A la vez que se coloca la tuerca, incorporar también la arandela de goma en el interior del recipiente. 2. Cortar dos placas de cobre de manera que ocupen la mayor parte de los dos laterales con más superficie del recipiente. Hay que tener en cuenta que una de les placas se tendrá que adaptar al contorno del grifo. 3. Fijar las placas con goma elástica. 4. Unir las placas a la caja de controles por el mismo procedimiento que se utilizó con la tubería.

 Diseño 2 También se quiso probar otro diseño donde el grifo estuviera detrás de una de les placas. Así tal vez se contribuiría a una mayor repulsión: dibujo. En este caso, los electrodos tenían que estar en contacto con el agua, por lo que se hizo más conveniente utilizar una rejilla metálica en vez de las placas.

 Resultados La dureza final resultó siempre igual a la inicial en todos los intervalos de tiempo utilizado (hasta 12h).

 Conclusiones El aparato tampoco funcionó. En este caso se atribuyo también a una capacidad muy pequeña comparada con la electrodiálisis estándar. Esta ineficiencia se comenzaba a corroborar como insalvable.

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También, se considero un nuevo factor: la presión. Era posible que la presión del agua también contribuyera a una distribución homogénea de las partículas, incluidos los iones, que así tendrían aún más dificultades para concentrarse en ciertas regiones. En resumen, otro método fallido que no hace más que corroborar el actual declive de los métodos eléctricos.

7.2.4 Ideas no llevadas a término Antes de decidirme por la alternativa de les resinas, consideré iniciar otros proyectos prácticos sobre la descalcificación. Estos proyectos fueron descartados una vez corroborada la efectividad de las resinas y su viabilidad para un trabajo de investigación. Aún así, creo que es conveniente exponer estas ideas aquí para que pueda servir como muestra de las diferentes ideas pensadas:

 Utilización de un MAT Finalmente, debido a la curiosidad para comparar si había alguna diferencia significativa con los procedimientos llevados a cabo hasta entonces, comencé a considerar seriamente la posibilidad de hacer servir un MAT en vez de un multiplicador de tensión (es posible que la poca intensidad que suministra el multiplicador fuese uno de los factores del fracaso de la idea inicial). Como es evidente, utilizar este dispositivo requiere una mayor preparación y medios, los cuales no se buscaron tras optar por las resinas.

 Uso de campos magnéticos Considere diversas maneras de utilizar los campos magnéticos. 1. Hacer un estudio del funcionamiento de un inhibidor magnético comercial o Desgraciadamente el único inhibidor comercial que conseguí se limitaba a dos imanes con un suporte de plástico, demasiado rudimentario. o No pude determinar ningún método viable para cuantificar la formación de cristales de carbonato de calcio. 2. Tratar de imitar su funcionamiento mediante bobinas de deflexión de un tubo de rayos catódicos de un televisor. o Este componente se utiliza para desviar el haz de electrones en el tubo de rayos catódicos. Esto permite la formación de la imagen. o El haz de electrones experimenta primeramente una aceleración hacia la pantalla debido a la elevada tensión producida por el MAT. Posteriormente, hace falta desviar este haz para que se distribuya por toda la pantalla: esto se consigue con los potentes campos magnéticos de les bobines de deflexión. o Con este componente se podrían conseguir dos objetivos

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i. Aportar la energía suficiente para provocar la cristalización del carbonato de calcio, alterando su estructura tridimensional, de manera que no adhiera a les paredes. ii. Acercarse todavía más a la función inicial de les bobines y hacerlas servir simplemente para desviar un haz de iones que se mueven por una corriente de agua, de manera que los iones se concentren en determinadas regiones.

7.2.5 Conclusión final Necesitaba un proyecto fiable y seguro, un proyecto en el que el tiempo dedicado sirviera para obtener una conclusión final interesante. Finalmente opté por las resinas.

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7.3 Trabajo teórico Limitarme a exponer ordenadamente la información adquirida no era suficiente. Quería tener información de primera mano, de alguien versado en la materia. Esta información tal vez me podría ayudar a orientar la parte práctica del trabajo. Por lo tanto, tenía que entrevistar a un experto.

7.3.1 Entrevista  Cuestionario sobre la descalcificación Para obtener más información sobre el tratamiento de aguas, decidí entregar un pequeño cuestionario a personas vinculadas a este campo. Encontrar persones dispuestas a contestar mis preguntas fue difícil, pero finalmente, el señor Josep Maria Sabaté Sans, de LyondellBasell, accedió a hacerlo. No puede mostrar sus respuestas no sin antes volverle a agradecer su amabilidad. LyondellBasell (fusión de las empresas Lyondell y Basell) es una de les compañías químicas más importantes de polímeros, productos petroquímicos y combustibles de todo el mundo. Destaca en la producción de poliolefinas21, oxido de propileno y otros.

21

Poliolefinas: Polímeros formados per olefinas, también llamados alquenos: hidrocarburos con un mínimo de un doble enlace C-C, como ahora el propileno. 98


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Cuestionario sobre la descalcificación Primero querría agradecerle el hecho de dedicar parte de su tiempo a responder a este pequeño cuestionario. ¿Cómo se llama? Josep Maria Sabaté Sans ¿Cual es su trabajo en LyondellBasell? Responsable del Control de Calidad de la planta de polipropileno. ¿Qué métodos de descalcificación utiliza LyondellBasell? Basell en sus dos centros (Novelen y Taqsa) tenía hasta hace poco dos plantas de obtención de agua desmineralizada (desionizada), actualmente el agua nos la suministra la compañía de servicios Tarragona Power. El método utilizado con anterioridad en nuestras plantas de tratamiento de aguas era la de captación de aniones y cationes por columnas de resinas aniónicas y catiónicas. ¿Qué importancia tienen las resinas en su compañía? Actualmente, nuestras plantas no utilizan resinas para desmineralizar aguas. Lo que sí que tenemos son columnas para filtrar el agua industrial de las torres de refrigeración (filtros de arena22 / 3 torres). También tenemos unos filtros de cerámica porosa para separar y poder extraer el agua que lleva el gas propileno, que es nuestra principal materia prima. ¿Qué tipos de resinas utilizaban? Las resinas eran catiónicas y aniónicas, las cuales captaban diferentes elementos según la polaridad: captan o rechazan la molécula en función de su carga positiva o negativa. ¿Cuanta dureza podían llegar a extraer? ¿Cada cunto era necesario aplicar la salmuera? ¿Y el recambio total de las resinas? Las columnas de resinas elaboran agua desmineralizada (no destilada) y la medición más rápida de las sales disueltas es la conductividad. Se acepta como bueno un valor menor de 2microSiemens(µS) · cm-1 23, lo cual indica una presencia de sales menor a 1ppm. Cuando no se puede bajar hasta estos valores de conductividad es el momento de regenerarla. Ahora bien, la periodicidad dependerá de la dureza en sales del agua utilizada: no es lo mismo el agua del Ebro o de mina (menos dureza) o la de los pozos (Aitosa) del Campo de Tarragona, el cual está situado en un espacio de gran presencia calcárea (carbonato de calcio).

22

Filtros de arena: Tanques con una capa de arena de 1.5m a 45cm. Las partículas más grandes quedan retenidas en las cavidades de los granos de arena, de manera que el agua saliente está exenta de ellas. 23 -1 -1· -1 La conductividad es inversa a la resistividad, por l tanto: 2µS · cm =2µΩ cm 99


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El recambio total de las resinas no se da casi nunca, a no ser que por una mala operación de regeneración o por una rotura del circuito, se produjera una pérdida considerable de las mismas. Lo que sí que se hace es añadir resinas de manera puntual, ya que en el proceso se producen pérdidas, desgaste o arrastre de una pequeña parte de éstas. ¿En qué se diferencian las resinas de uso industrial respecto a las domésticas? Las domésticas tienen un control más exhaustivo en cuanto a la calidad y seguridad de su regeneración, la cual sólo se hace con salmuera; en la industria, para regenerar también se utiliza como complemente el ácido clorhídrico (HCl 50%) y la Sosa Cáustica (NaOH 50%). ¿Sus métodos de descalcificación, especialmente las resinas, han evolucionado a través del tiempo? En caso afirmativo ¿cómo? Las resinas continúan utilizándose. Ahora bien, también se ha introducido con mucha fuerza la osmosis. En plantas de cogeneración de electricidad24 también se utilizan los gases de salida de la turbina (muy calientes) para producir vapor y calentar calderas para producir agua destilada con el método tradicional de evaporar u enfriar. ¿Cree que las nuevas alternativas podrían substituir las resinas? ¿Por qué? La técnica de la osmosis puede ganar terreno a la de las resinas, ya que en la regeneración de columnas de resinas se originan una cantidad de residuos líquidos en el lavado que después necesitan un segundo tratamiento en bases de neutralización y decantación. Muchas gracias.

 Análisis Esta entrevista tiene una doble conclusión: Por un lado confirma las afirmaciones hechas en el fundamento teórico. Las resinas están perdiendo terreno ante la osmosis, que no deja tantos residuos líquidos que necesiten un tratamiento posterior. Igualmente, ofrece una orientación para la parte práctica del trabajo: las resinas del ámbito doméstico pasan por unos mayores controles de calidad, ya que están destinadas al consumo humano. Esto indica que estas resinas deberían permitir que la mayoría del agua utilizada fuese apta para su uso. Por lo tanto, cuando estudie los resultados de la parte práctica del trabajo puedo esperar menos fugas puntuales de dureza y, posiblemente, una curva de evolución con el tiempo ligeramente diferente.

24

Cogeneración: Procedimiento que permite obtener energía del calor y la electricidad a la vez, lo que la hace más eficiente. 100


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7.3.2 Comparativa de aguas Antes de empezar los análisis de la dureza, pensé que sería buena idea consultar los informes oficiales sobre la composición del agua de Reus: así tendría unos valores con los que comprobar los resultados de mis pruebas y corroborar que fuesen correctas (el agua no podía ser tampoco excesivamente diferente). Durante la búsqueda de información del agua de Reus, pude consultar un informe de la OCU25, dónde se establecía una comparativa entre las diferentes aguas de España. Esta comparativa ponía en relieve grandes contrastes entre diversas regiones. A partir de aquel momento creí que sería interesante hacer una comparativa propia entre Reus y otras ciudades españolas con calidad de agua diversa, así como alguna otra ciudad importante del mundo: podría determinar si las diferencias expuestas por la OCU existían realmente, también podría comparar la situación del agua a España con la de otro sitio.

 Recopilación de información No todas las administraciones presentan la misma facilidad para obtener informes sobre la composición de su agua. Teóricamente, existe una entidad llamada SINAC (Sistema de Información Nacional de Aguas del Consumo), encargada de proporcionar toda clase de información relativa al agua de consumo. Desafortunadamente, la disponibilidad de información en su dominio web es muy escasa y poco concreta. Por lo tanto, en vez de decidir qué analíticas quería, tuve que escoger entre aquellas a las cuales tenía acceso. La analítica de Reus era primordial, ya que sería el eje de la comparativa: tuve que pedir una analítica a Aigües de Reus empresa municipal S.A., que muy amablemente me la concedió. Posteriormente tuve que analizar los resultados del informe del OCU para encontrar 2 ciudades con grandes diferencias en la calidad del agua. Igualmente, estas ciudades debían facilitar su información vía web. Finalmente me decidí por utilizar el agua de Bilbao y la de Zaragoza. Por último, tenía que escoger una ciudad extranjera. Tenía que ser una ciudad conocida y famosa, ya que así la comparativa resultaría más interesante y próxima. Después de considerar diversas opciones (como por ejemplo Londres) me decanté por el agua de Nueva York (NY). En caso de querer consultar las analíticas completas se pueden ver en los anexos (la de Reus) o por las páginas web de la bibliografía.

25

Organización Consumidores y Usuarios http://www.ocu.org/suministros-y-energia/un-analisis-de-la-ocu-detecta-agua-no-potable-enlas-muestras-recogidas-en-6-ciudades-espanolas-s253331.htm 101


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 Parámetros comparados Los parámetros analizados en los diversos análisis eran variados y no siempre los mismos. No obstante, había un conjunto de parámetros comunes en todos (los más usuales) que podían serme útiles para la comparativa:

Las líneas horizontales de los gráficos representan el valor máximo estipulado por la normativa española, recogida en el Real Decreto 140/2003. Si no hay, significa que la normativa no establece ningún valor de referencia.

Cloro libre residual El cloro es un desinfectante que se utiliza en el tratamiento de aguas de manera muy extensa. Es un producto barato y efectivo; no obstante, el cloro puede tener adversos sobre el gusto y el olor del agua.

Cloro librte resdual (mg/L)

Se nombra cloro libre residual a aquella cantidad de cloro que queda libre en el agua, es decir, que no se combina ni se reduce con otros componentes. Este tipo de cloro aparece cuando se ha añadido una cantidad de cloro lo suficientemente grande. Como se puede ver, el agua de Reus y NY son les que presentan una menor cantidad. Por contra, la de Bilbao es la que tiene más, seguida de cerca por el agua de Zaragoza. Estas dos aguas se encuentran muy cerca del máximo establecido por la ley.

Cloro libre residual 1,5 1 0,5 0 Bilbao

Reus

Zaragoza

NY

Este hecho plantea dos posibles deducciones:

Gráfico 18 - Comparativa del cloro libre residual

 

Las aguas de Bilbao y Zaragoza son más propensas a padecer contaminación biológica, por lo que necesitan una mayor cantidad de cloro. El tratamiento de las aguas de Bilbao y Zaragoza quiere ofrecer una mayor calidad, por lo que añade más cloro al agua para evitar la aparición de organismos peligrosos.

102


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Dureza En la dureza podemos observar unas grandes diferencias.  

El agua de Reus y Zaragoza tiene una dureza muy elevada. Eso es debido al agua de la zona (Ebro y Campo de Tarragona), típicamente dura. Por otro lado, la de Bilbao y NY es mucho más baja (la de Bilbao está al límite del agua blanda (0-10ºHf), la de NY es totalmente blanda (casi ni tiene).

Dureza total Dureza (Hf)

40 30 20 10 0 Bilbao

Reus

Zaragoza

NY

Gráfico 19 - Comparativa de la dureza

De hecho, ninguna de las aguas tiene la dureza ideal por el consumo (20ºHf): o bien son demasiado duras o demasiado blandas. No obstante, el agua que más se acerca es la de Bilbao.

Iones Sulfatos

El sulfato tiene un efecto laxante cuando se combina con el magnesio y el sodio. Igualmente, es utilizado por ciertas bacterias anaerobias, que producen sulfuro de hidrógeno, que da al agua un olor desagradable.

Aniones 300 250 Concentración (mg/L)

El sulfato (-SO4) se encuentra presente en todas las aguas, ya sea por contaminación industrial o compuestos con azufre en la tierra.

200 Sulfatos

150

Cloruros 100

Nitratos

50 0 Bilbao

Reus

Zaragoza

NY

Gráfico 20 - Comparativa de aniones

103


La descalcificación con resinas de intercambio iónico

Las poblaciones se acaban acostumbrando a altos niveles de sulfato en el agua, pero no es recomendable que sea consumida por infantes. Las cañerías también se ven afectadas por altas concentraciones de sulfato. El agua de Reus es la que tiene más sulfatos con diferencia (se acerca al máximo permitido), seguida por la de Zaragoza. Cómo se observa en el gráfico, el nivel de azufre en NY y Bilbao es mucho menor.

Cloruros Los cloruros, igual que la mayoría de parámetros, son más elevados en Reus y Zaragoza.

Nitratos Los nitratos (-NO3) son un agente contaminante peligroso por dos motivos: 

Normalmente indican agentes contaminantes más graves (bacterias, pesticidas).Un exceso de nitratos puede provocar metahemoglobinemia, una enfermedad vinculada a la falta de oxígeno. Los bebés se ven afectados a niveles menores de nitratos. Los nitratos del agua suelen provenir del adobo y fertilizantes de la agricultura.

Como se puede ver en la comparativa, ninguna de las aguas se acerca al nivel máximo. Como en el resto de parámetros, NY y Bilbao son las que menos nitratos presentan, al contrario que Zaragoza y Reus. Si se analizan las actividades de cada zona, vemos que los niveles altos de nitratos corresponden a zonas con cultivos y, niveles bajos, a zonas más industriales.

Sodio El sodio es menor en el agua de NY y Bilbao, igual que el resto de cationes.

Cationes Concentración (mg/L)

250 200 150

Calcio

100

Magnesio Sodio

50 0 Bilbao

Reus

Zaragoza

NY

Gráfico 21 - Comparativa de cationes

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

 Conclusiones Todos estos datos me llevan a una conclusión fundamental: 

La calidad del agua de Bilbao y NY es muy superior a la de Zaragoza y Reus. Esto confirma los resultados del informe del OCU.

No obstante, aún puedo especular sobre los motivos de esta diferencia tan notable de calidad 

La calidad del agua inicial es diferente.

Nueva York se encuentra en medio del rio Hudson, Bilbao dispone de la Ría de Bilbao, dónde confluyen el Nervión y el Ibaizábal, Zaragoza se encuentra cerca del Ebro y Reus dispone de barrancos y acuíferos. Se podría pensar que estas diferencias corresponden a características particulares de cada agua (así, el agua del Hudson sería más blanda que las otras, o la del Ebro tendría más sodio). Esta deducción se ve apoyada por el hecho que el agua de Reus y Zaragoza provienen del Ebro, porque han de ser muy parecidas, cosa que se cumple. 

Según esto, podría decir que el agua del Ebro es peor que la del rio Hudson y la Ría de Bilbao.

Pero las aguas de Zaragoza y Reus, de una peor calidad, también presentan diferencias entre ellas. Este hecho me lleva a la siguiente conclusión: 

La calidad de los tratamientos es diferente.

Este es un hecho evidente, pero si analizamos cada parámetro por separado vemos que cada Administración no controla igual todos los parámetros:  Los sulfatos son mucho mayores en el agua de Reus que no al resto.  El sodio y los cloruros son más elevados en Zaragoza. Estos hechos ponen en relieve la heterogeneidad de las aguas de los diversos lugares de España, De la misma manera, es posible que la Administración de Bilbao y Nueva York ponga más énfasis en la calidad de sus aguas: eso se vería reflejado en los mejores valores de sus parámetros.

Podría parecer que el agua del grifo es la misma en todos los sitios, pero hay muchas más diferencias de las que imaginamos.

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La descalcificación con resinas de intercambio iónico

7.4 Documentación adicional 7.4.1 Marco legislativo en España Los criterios de aceptabilidad del agua destinada al consumo humano en el Estado Español se encuentran recogidos en el Real Decreto 140/2003 del día 7 de Febrero de 2003: Parámetros microbiológicos 1. Escherichia coli 2. Enterococo 3. Clostridium perfringens (incluidas esporas)

Parámetros químicos 4. Antimonio 5. Arsénico 6. Benceno 7. Benzo(a)pireno 8. Boro 9. Bromato A partir de 01/01/2009 De 01/01/2004 hasta a 31/12/2008 10. Cadmio 11. Cianuro 12. Cobre 13. Cromo 14. 1,2-Dicloroetano 15. Fluoruro 16. Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos (HPA) Suma de: Benzo(b)fluoranteno Benzo(ghi)perileno Benzo(k)fluoranteno Indeno(1,2,3-cd)pireno 17. Mercurio 18. Microcistina 19. Níquel 20. Nitrato 21. Nitritos: 3 i 4 Red de distribución En la salida de la ETAP/depósito 22. Total de plaguicidas 23. Plaguicida individual Excepto por los casos de: Aldrín Dieldrín Heptacloro Heptacloro epóxido 24. Plomo: A partir de 01/01/2014 De 01/01/2004 hasta el 31/12/2013

0 UFC en 100 ml 0 UFC en 100 ml 0 UFC en 100 ml 1 y 2

5,0 µg/l 10 µg/l 1,0 µg/l 0,010 µg/l 1,0 mg/l 10 µg/l 25 µg/l 5,0 lg/l 50 µg/l 2,0 mg/l 50 µg/l 3,0 µg/l 1,5 mg/l 0,10 µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l 1,0 µg/l 1µg/l 20µg/l 50 mg/l 0,5 mg/l 0,1 mg/l 0,50 µg/l 0,10 µg/l 0,03 µg/l 0,03 µg/l 0,03 µg/l 0,03 µg/l 10 µg/l 25 µg/l 106


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25. Selenio 26. Trihalometanos (THMs): Suma de: A partir de 01/01/2009 De 01/01/2004 a 31/12/2008 Bromodiclorometano Bromoformo Cloroformo Dibromoclorometano 27. Tricloroetena + Tetracloroetano Tetracloroetano Tricloroetano

10 µg/l

100 µg/l 150 µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l 10µg/l µg/l µg/l

Parámetros químicos que se controlan según las especificaciones del producto26 28. Acrilamida 0,10µg/l 29. Epiclorhidrina 0,10 µg/l 30. Cloruro de vinilo 0,50 µg/l Parámetres indicadores 31. Bacterias coliformes 32. Recuento de colonias a 22ºC A la salida de ETAP En red de distribución 33. Aluminio 34. Amonio 35. Carbono orgánico total 36. Cloro combinado residual 37. Cloro libre residual 38. Cloruro 39. Color 40. Conductividad 41. Hierro 42. Manganeso 43. Olor 44. Oxidabilidad 45. pH: Valor paramétrico mínimo Valor paramétrico máximo 46. Sabor. 47. Sodio 48. Sulfato 49. Turbidez A la salida de ETAP y/o depósito En red de distribución Radioactividad 50. Dosis indicativa total 51. Tritio 52. Actividad α total 53. Actividad β total 26

0 UFC en 100 ml 100 UFC en 1 ml Sin cambios anómalos 200 µg/l 0,50 mg/l Sin cambios anómalos 2,0 mg/l 1,0 mg/l 250 mg/l 15 mg/l Pt/Co 500 µS/cm-1 a 20ºC 5 200 µg/l 50 µg/l 3 a 25 ºC índice de dilución 5,0 mg O2/l 6.5 9.5 3 a 25 ºC Índice de dilución 200 mg/l 250 mg/l 1 UNF 5 UNF

0,10 mSv/año 100 Bq/l 0,1 Bq/l 1 Bq/l 2

Agentes producidos por empresas que utilizan ciertos tipos materiales. 107


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7.4.2 Anal铆tica del agua de Reus

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Análisis químico y matemático de un prototipo

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