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........Literatura>>>Función de la resina de intercambio cationico o suavizadora

Desde hace 50 años, la resina de intercambio iónico es el reactivo que hace funcionar a los suavizantes, suavizadores o ablandadores modernos. La función de un sistema suavizador o ablandador es eliminar las sales de magnesio y calcio que el agua contiene en forma disuelta, como carbonatos de magnesio y calcio respectivamente.

Estas sales entran en el ciclo natural del agua, se solubilizan ya sea al filtrarse a través de los diferentes sustratos de la corteza terrestre en acuíferos, manantiales, pozos o en ríos en el viaje del agua hacia el mar, ya que el lecho de los río es rico en dichos minerales. 

Las resinas está hechas de un material plástico o polímerico de nombre poliestireno (S o vinilbenceno) fusionadas con divinilbenceno (DVB) formando enlaces cruzados en la estructura del compuesto final. Las resinas adquieren su forma esférica a través de su proceso particular de manufactura. Gotitas diminutas del monómero (sin polimerizar) suspendidas en el agua forman esferas, de igual manera que el aceite en agua. Catalizadas y calentadas, estas gotitas se polimerizan en sólidos. Estas diminutas esferas sólidas, conocidas como esferas de copolímero (conformadas por dos monómeros), son transparentes. Para convertir estos copolímeros en resinas funcionales, se hace que las esferas reaccionen con una solución de ácido sulfúrico fuerte que se combina con el copolímero, ligándose al anillo de benceno del estireno. De ahí se deriva el nombre estireno sulfonado/divinilbenceno (abreviado como S/DVB). Formándose un intercambiador catiónico.

Durante el proceso de reacción, estos plásticos adquieren su color familiar (de ámbar a café, hasta negro). El color es de menor importancia y no tiene efecto o relación con la calidad, capacidad de funcionamiento o durabilidad de la resina resultante. El producto sulfonado se hincha de gran manera en el agua pero no se disuelve (debido a los enlaces cruzados).

Este alto contenido de agua permite que los iones tales como calcio, magnesio y sodio se movilicen dentro de la esfera de la resina y se queden fijos a millones de sitios sulfonados reactivos. Las resinas suavizantes son altamente porosas a nivel molecular con estructuras ampliamente abiertas y poros rellenos de agua.

El papel de los enlaces cruzados

Los enlaces cruzados juegan un papel importante en el funcionamiento de una resina suavizante. La cantidad de Divinil benceno (DVB) en las resinas suavizantes puede variar del 6 al 10%, con niveles típicos de 8%. Mientras aumenta el nivel de DVB, los polímeros quedan más restringidos y no se hinchan tanto. Las resinas son físicamente más resistentes y más compactas. A niveles más elevados de DVB, existe una menor cantidad de agua en las esferas y, por lo tanto, una mayor capacidad por unidad de volumen. Las resinas con un mayor grado de DVB tienen una alta densidad funcional y, por consiguiente, presentan una mayor selectividad hacia la dureza en comparación con el sodio. Además estas resinas resisten de mejor manera la deformación térmica y pueden ser empleadas a temperaturas más altas. Muchas aplicaciones exceden el punto de ebullición del agua.

Los enlaces cruzados son algo bueno pero, al igual que muchas cosas en la vida, demasiado puede ser malo. Las resinas con un mayor grado de reticulación o cantidades altas de DVB en sus cadenas tienen menor humedad o capacidad de contención de agua. Por lo tanto, las vías de entrada y salida de la esfera se encuentran un poco más congestionadas. La cinética de reacción es más lenta y la regeneración es más difícil, particularmente en agua más fría (en un suavizante residencial éstas pueden ser demasiado lentas como para aguantar los niveles de flujo del hogar). Como consecuencia, estas resinas presentarán una menor capacidad de funcionamiento. La mayor selectividad hacia la dureza durante el servicio probablemente se pierda debido a los problemas de regeneración, requiriendo una mayor dosificación de sal y ofreciendo baja eficiencia en la salmuera. Todos los beneficios del alto nivel de reticulación pueden convertirse en desventajas en los suavizantes de alto flujo.

Por otra parte, bajos niveles de reticulación producen resinas con un alto contenido de humedad y estructuras más abiertas. Las resinas con un menor grado de reticulación ofrecen una selectividad de dureza adecuada, se regeneran bien y son bastante eficientes. A pesar de ser físicamente más débiles, son satisfactorias; son más baratas por tener menos DVB y funcionan bien en muchas aplicaciones. Las desventajas de las resinas con un menor grado de reticulación incluyen una menor capacidad y el hecho de que físicamente no pueden soportar muy bien los flujos excesivos—10 a 15 galones por minuto por pie cúbico (gpm/ ft3). Estas resinas sufren mayores deformaciones y altas caídas de presión en agua caliente, o hasta en agua tibia. Esto puede llevar a un alto grado de rompimiento en las esferas y pérdida de resina. Además, tienen una resistencia marginal al cloro y otros oxidantes, aun al ser nuevas. La resina con un 8% de enlaces cruzados ha comprobado durante el correr del tiempo ser casi óptima para aplicaciones residenciales.
Representa la mejor combinación de durabilidad y cinética y, generalmente, representa el mejor valor para la mayoría de las aplicaciones de suavizado. Los productos con un grado de reticulación mayor o menor deben ser solamente considerados para aplicaciones fuera de la norma, tales como extremos de temperatura o de nivel de oxidante, o en la eliminación selectiva de especies iónicas, donde han demostrado un mejor rendimiento.

Fuentes de oxidante

En años recientes se ha dado mayor atención a los métodos de desinfección empleados por las municipalidades. El cloro sigue siendo el elemento más utilizado pero su reacción con productos orgánicos y sus subproductos puede producir compuestos clorados, conocidos como trialometanos (THM), los cuales son considerados tóxicos. La estabilización del cloro mediante la adición de amoníaco (NH3) produce cloraminas, las cuales son menos reactivas, pero por lo general tienen que ser utilizadas a niveles de cloro dos a tres veces mayores que el nivel normal.

Una exposición constante a altos niveles de cloro (más altos que 1 ppm) acelerará el proceso de oxidación, teniendo como resultado un mayor ataque y degradación de la resina. Como regla general, él numero 10 dividido por el nivel de cloro (expresado en ppm), predice la vida de la resina en años. Por ejemplo: 1.5 ppm de cloro (10/1.5)=6.7 años. Con el uso de niveles más altos de cloro, el tiempo de vida garantizado de la resina queda en duda. La presencia de hierro o cobre en el agua de alimentación aumenta el efecto de oxidación del cloro. Antes de instalar el suavizante se deberá investigar si hay alguna señal de presencia de hierro o cobre y tratar de determinar si provienen del agua de alimentación o de las tuberías después del punto de entrada. Se debe inspeccionar la tubería de los baños (incluyendo el tanque del inodoro) y revisar si hay manchas cafés, anaranjadas, o verdes. Si se encuentran manchas, habrá que tomar una muestra de agua de un punto que esté ubicado fuera de la casa. El suavizante verá el contenido de la fuente de alimentación. Hay que considerar la instalación de un filtro de reducción de cloro, por ejemplo un filtro de carbón activado granulado (GAC) o KDF, si hay niveles de hierro o cobre mayores que 0.5 ppm, combinados con más de 1 ppm de cloro.

El proceso de envejecimiento

Cuando las resinas se agotan o envejecen (oxidan) muestran un mayor contenido de humedad (hinchazón). La tensión física y osmótica de la regeneración comienza a romper la resina produciendo partículas finas. Estas partículas finas son retrolavadas fuera del lecho con cada regeneración, resultando en una pérdida de capacidad, ya que se pierde material filtrante. La resina restante probablemente ocupe el mismo volumen de lecho debido a su hinchazón, pero hay menos. Por lo tanto, puede ser que no se note el desgaste tan fácilmente. Con una disminución en la capacidad, la eficiencia de la sal se reduce y los costos de operación aumentan.

Expresado en números redondos, una resina nueva de 8% DVB comienza a operar con un 49% de humedad. Tiene una capacidad de 1.9 a 2.0 miliequivalentes por mililitro (meq/ml), lo cual se traduce como 41 a 43 kilogranos por pie cúbico (kgr/ft3) de resina. Si empleamos 8 libras de sal por pie cúbico (lbs/ft3) para regenerar esta resina, podemos esperar una capacidad de 24 a 25 kgr/ft3. Diez años más adelante y después de haber procesado unos cuantos millones de galones de agua clorada, el contenido de humedad puede aumentar a un 60% o más. La capacidad de retención de humedad está tan ligada al nivel de reticulación y a la capacidad de la resina, que algunos fabricantes examinan el residuo de vida de la resina simplemente haciendo un chequeo de su contenido de humedad.

En nuestro ejemplo de 10 años de funcionamiento, la capacidad ha decaído a 1.4 meq/ml (29 kgr/ft3), una pérdida del 30%. La regeneración es ahora más frecuente y, de tal manera, el consumo de sal ha aumentado. Si al ser nuevo, este sistema se regeneraba una vez al día, el consumo de sal añadido sería de 876 libras por año (asumiendo 8 lbs/ ft3). A 10 centavos por libra (precio del mercado) el usuario esta gastando $87.60 dólares adicionales al año por tener agua suave El consenso general entre los fabricantes de resina es que, una vez que la resina ha llegado a un nivel de humedad de 60%, la degradación rápida y los altos gastos adicionales de sal son razones suficientes para justificar su reemplazo.

Una resina de mayor edad tiene que trabajar más.

El costo anual de funcionamiento de la resina (mayor uso de sal) aumenta con el tiempo, mientras que la resina parece estar haciendo un menor trabajo (más fuga). Asimismo aumenta la tensión que se pone en la resina. La resina nueva se hincha aproximadamente un 1.8% al pasar de su forma de calcio (desgastada) a su forma de sodio (regenerada).

Nuestra resina vieja se hincha aproximadamente 10%. Esto causa una mayor fatiga estructural y mayores fracturas en la estructura celular, lo que se traduce en granulos de resina más pequeños. Su densidad ha disminuido de 0.837 gramos por mililitro (mg/ml) a 0.793 mg/ml, por lo que el mismo flujo de retrolavado arrastra más resina y partículas finas de mayor tamaño. La resina nueva podría resistir casi 300 gramos de fuerza antes de ser aplastada, mientras que la resina vieja se rompe a 130 gramos de fuerza. Para flujos típicos de sistemas residenciales entre 10 y 20 gpm/ft2, la resina vieja presenta el doble de caída de presión que la resina nueva.

Si nuestra resina de 10 años fuera un empleado de su compañía, usted se quejaría de que, al hacerse mayor, la persona se ha hecho menos productiva, menos eficiente, menos tolerante, más exigente, más resistente al cambio y exige un mayor salario.

Aunque la resina suavizante nunca se muere, alcanza un punto (después de 6 a 8 años de uso residencial típico, con menos de 1 ppm de cloro) en el que debe ser reemplazada. Para instalaciones comerciales con regeneraciones frecuentes, las resinas de 4 a 6 años de vida funcionan a un 80% de su capacidad inicial, con un pequeño aumento de costo. Los sistemas industriales están normalmente diseñados con flujos más conservadores y menores expectativas de fugas.

En NeoCorp Water le recomendamos mantener libre de cloro su sistema suavizador por medio de un filtro de carbón activado granular, evitando así dañar tanto su ablandador como su sistema de osmosis inversa. Para cualquier duda ponerse en contacto con nuestros expertos.

Bibliografía

- Intercambio iónico: Oxidación-Oxidantes, Edad y Resinas Suavizantes. Michaud, Chub. Agua Latinoamérica, Volumen 4 - Número 3, 1 de Junio Septiembre de 2003, Paginas 34-37

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