Como resultado de obtener resinas de intercambio catiónico y aniónico, se establecieron procesos para la producción de agua muy pura, constituyendo una alternativa al agua destilada y a precios mucho más baratos.

Las resinas de intercambio iónico progresaron al desarrollarse polímeros intercambiadores de iones sintetizados mediante reacciones de adición, cuya estabilidad química y térmica era mayor que las resinas de condensación. El pionero de este trabajo fue Gaetano D'Alelio, quién incorporó grupos de ácido sulfónico a un polímero de estireno, entrecruzado con divinilbenceno (copolímero estireno-divinilbenceno), dando lugar a las resinas catiónicas de ácido fuerte. Unos años más tarde, en 1947, Mc Burney produjo las resinas aniónicas de base fuerte, cuyo grupo funcional era un amino cuaternario. El uso del copolímero estireno-divinilbenceno como matriz para enlazar grupos con capacidad de intercambio, supuso una tremenda expansión en los procesos de intercambio iónico. De hecho, la mayoría de las resinas que se emplean actualmente tienen como matriz este copolímero. En los copolímeros de estireno y divinil benceno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinil benceno y el contenido de este último está relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con la porosidad. Se debe buscar un balance, ya que un polímero poco entrecruzado permite una fácil entrada del agua para que la reacción de intercambio iónico sea rápida, pero la resina presenta una cierta solubilidad; en cambio una resina muy entrecruzada será insoluble, pero las velocidades de intercambio iónico serán menores, tanto en el proceso de intercambio como en la regeneración. Las resinas modernas tienen mayor estabilidad química y mejoras en la capacidad de intercambio iónico.

Un paso más en el desarrollo de los intercambiadores iónicos fue la búsqueda de especificidad. En 1948, Skogseid produce la primera resina específica para un metal, potasio, y a partir de este momento los investigadores basaron sus esfuerzos en incorporar a la matriz de la resina distintos grupos funcionales que aumentasen su selectividad por un determinado compuesto, desarrollando así las resinas quelantes.
Desde entonces se ha continuado la investigación y el desarrollo en nuevas estructuras políméricas (macroporosas, poliacrílicas, tipo gel) dando lugar a una serie de modernas resinas de intercambio iónico, cuyo empleo en el campo de las aplicaciones industriales ha sido enorme.

La siguiente tabla muestra las mejoras progresivas en la capacidad de los materiales de intercambio catiónico:

gr de CaCO3/ lt de resina

• Arena verde americana 6.90-9.15
• Arena verde australiana 11.45-12.60
• Silicato de aluminio-sodio (sintético) 18.30-27.50
• Carbón sulfonado 16.00-22.90
• Resina de base fenol-formaldehido 16.00-34.00
• Resina de base estireno 57.00-80.00

• Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio.
• Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio,etc) por intercambio con hidrógeno.

• Sal común (cloruro de sodio) para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes.
• Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico (depende del costo y de la eficiencia): para regenerar resinas catiónicas de ácidos fuertes y resinas catiónicas de ácidos débiles..
• Hidróxido de sodio o hidróxido de amonio: para regenerar resinas aniónicas de bases fuertes y resinas aniónicas de bases débiles.

Después de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas de intercambio iónico sufren la pérdida de sitios de intercambio activo o sufren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio.

Las resinas catiónicas fuertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar cationes asociados a los ácidos fuertes y las resinas aniónicas fuertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a baja concentración, tales como los carbonatos y silicatos.

La mayoría de autores de la especialidad asignan una vida útil esperada de las resinas de intercambio iónico entre los 5 y los 10 años. Según la Empresa RHOM AND HASS (fabricante de resinas de intercambio iónico) las resinas aniónicas tienen una vida útil teórica de 70 a 300 m3 de agua tratada por litro de resina y las resinas catiónicas de 200 a 1500 m3 de agua tratada por litro de resinas; en ambos casos dependerá de la calidad del agua a tratar.

Existen métodos de laboratorio que permiten determinar la capacidad de intercambio iónico de una resina dada, la mayoría de los cuales han sido desarrollados por las empresas fabricantes. La utilidad de poder determinar la capacidad de intercambio iónico reside en poder comparar las capacidades de varias resinas cuando se necesita escoger una resina adecuada a las necesidades de operación; así mismo sirve para saber el estado de la vida útil de una resina que está en uso y determinar en que momento necesita ser cambiada.

Los iones que se encuentran en mayor proporción en las aguas naturales son:

Cationes: Calcio, Magnesio, Sodio y Potasio

Aniones: Sulfatos, Bicarbonatos, Cloruros, Nitratos y Silicatos

También pueden estar presentes otros iones, pero en cantidades no significativas para los procesos de intercambio iónico.

Las resinas de intercambio iónico presentan diferentes selectividades hacia los iones. A continuación se detalla el orden de selectividad de las resinas de intercambio iónico, en orden decreciente (de mayor a menor selectividad):

Resinas catiónicas de ácidos fuertes: Ag⁺, Pb⁺⁺, Hg⁺⁺, Ca⁺⁺, Cu⁺⁺, Ni⁺⁺, Cd⁺⁺, Zn⁺⁺, Fe⁺⁺, Mg⁺⁺, K⁺, Na⁺, H⁺

Resinas catiónicas de ácidos débiles: H⁺, Cu⁺⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, K⁺, Na⁺

Resinas aniónicas de bases fuertes: CO⁼₃, SIO⁼₃, I^-, HSO₄^-, NO^-₃, Br^-, HSO^-₃,NO₂^-,Cl^-, HCO₃^-, F^-

Resinas aniónicas de bases débiles: SO⁼₄, CRO⁼₄, NO^-₃, I^-, Br^-, Cl^-, F^-

Se denomina unidad de desmineralizado completa a una unidad constituida de: filtro de carbón activado, intercambiador catiónico de ácidos débiles, intercambiador catiónico de ácidos fuertes, intercambiador aniónico de bases fuertes, descarbonatador e intercambiador aniónico de bases débiles. No todas las unidades de intercambio iónico tienen todos los equipos que se describen; esta descripción se hace para tener una idea completa, en caso de ser necesario.

a. Filtro de carbón activado: se usa para la eliminación del cloro residual del agua a desmineralizar. De no removerse el cloro residual, este producirá oxidación que degradará las resinas, siendo mayor la degradación cuando el cloro residual sobrepasa las concentraciones de 0.1 ppm de cloro libre.

b. Intercambiador catiónico de ácidos débiles: estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio de los bicarbonatos, y liberan ácido carbónico; los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos no son intercambiados. Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R-2H, con R como radical fijo y H como ión de sustitución, tendremos las siguientes reacciones (de acuerdo a los cationes presentes).

c. Intercambiador catiónico de ácidos fuertes: estas resinas fijan los cationes que están unidos a los iones cloruros, nitratos, sulfatos y silicatos, quedando en el agua los ácidos de las sales inicialmente presentes en el agua, de acuerdo al siguiente detalle:

.

d. Intercambiador aniónico de bases débiles: fijan los aniones de los ácidos fuertes como sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones débiles del ácido carbónico (H2CO3), ni del ácido silícico (H2SiO3).

Si consideramos a las resinas de de intercambio aniónico como R-2OH, compuestas de un radical fijo R y de un ión móvil constituido por el grupo OH, de acuerdo a los aniones presente, tendremos las siguientes reacciones:

e. Descarbonatador: debido a que en el intercambiador catiónico débil se produce ácido carbónico (CO₂ disuelto en agua), para evitar un trabajo excesivo de las resinas aniónicas de bases fuertes, se rebaja al mínimo el contenido de anhídrido carbónico mediante una corriente de aire insuflado por un ventilador, en contracorriente con el agua que ingresa por la parte superior finamente dispersada y repartida uniformemente por un relleno de anillos Rashig, provocándose la evacuación del CO₂ al exterior, por arrastre con el aire. Una buena operación del descarbonatador dejará un máximo de 10 mg/l de CO₂.

e. Intercambiador aniónico de bases fuertes: este intercambiador fija los aniones de los ácidos débiles tales como el ácido carbónico y el ácido silícico. Las reacciones serían:

f. Regeneración de resinas de intercambio catiónico: cuando cualquiera de las resinas de intercambio catiónico débiles o fuertes ya no tienen iones hidrógeno para intercambiar, a estas resinas se les regenera haciendo pasar una solución de ácido (normalmente ácido sulfúrico), produciéndose las siguientes reacciones:

La regeneración se realiza normalmente en serie y la solución de ácido sulfúrico atraviesa sucesivamente la resina fuertemente ácida y la resina débilmente ácida. El exceso de ácido proveniente de la regeneración de la resina fuertemente ácida es suficiente para regenerar completamente la resina débilmente ácida.

g. Regeneración de resinas de intercambio aniónico: una vez que las resinas de intercambio aniónico débilmente y fuertemente básicas no tienen más iones OH- que intercambiar con los aniones del agua, estas deben ser regeneradas. Su capacidad de intercambio les es devuelta haciendo pasar una solución de base fuerte (generalmente se emplea hidróxido de sodio), la cual atraviesa primero el intercambiador de las resinas aniónicas de base fuerte y luego el intercambiador de las resinas aniónicas de base débil. El exceso de soda proveniente de la regeneración de las resinas aniónicas de base fuerte es suficiente para regenerar completamente las resinas aniónicas de base débil. Se producirán las siguientes reacciones:

3.9 Controles durante la producción de agua desmineralizada: a continuación se detallan los principales controles a tener en cuenta durante la producción de agua desmineralizada:

1. Controlar el cloro libre, después del carbón activado, una vez por turno; debe ser cero.
2. Llevar las estadísticas del volumen de agua desmineralizada producida entre dos regeneraciones
3. Verificar que el pH al ingreso a las resinas de intercambio iónico débilmente básico sea menor a 4.5
4. Controlar el pH a la salida de las resinas fuertemente básicas
5. La velocidad del agua en las columnas de resinas de intercambio iónico debe ser aproximadamente de 25m3/m2/h y máximo de 40m3/m2/h.
6. Fuga de sílice: se considera que hay fuga de sílice, cuando los niveles de SiO2 están por encima de 0.25 mg/l. Las fugas de sílice pueden deberse a:

• Pérdida de grupos activos
• Ensuciamiento por materia orgánica
• Acumulación de sílice por mala regeneración en la resina aniónica fuerte, o acumulación de sílice en la resina aniónica débil proveniente de la regeneración de la resina aniónica fuerte.
• Aumento de la temperatura durante la operación, lo cual origina hidrólisis de la sílice adsorbida en la resina.
• Fuga de sodio en las resinas catiónicas fuertes.

1. Fuga de sodio: el sodio a la salida del agua desmineralizada debe de ser máximo de 0.20 mg/l; cuando es mayor se le conoce como fuga de sodio y puede deberse a:

• La formación de ácidos fuertes (HCl, H2SO4): la liberación de iones H en las resinas catiónicas impide que se aproveche el 100 % de la capacidad de la resina.
• Cuando se emplea poco ácido en la regeneración, puede quedar una banda de resina cargada de iones sodio sin regenerar, por lo que después fugará el sodio al inicio de la operación.
• Regenerantes contaminados: contaminación con hierro en los ácidos regenerantes.
• A mayor dureza se puede producir mayor fuga de sodio.
• A mayor alcalinidad, será menor la fuga de sodio.

1. La caída de presión en los intercambiadores debe ser menor de 1Kg/cm2 (1 bar). Las caídas de presión altas pueden deberse a:

• Temperaturas bajas
• Distribuidores o colectores obstruidos
• Exceso de resinas finas
• Compactación de las resinas de intercambio
• Deflectores deteriorados

1. En muestras diarias de agua desmineralizada, controlar:

• pH : de 6 a 9
• Conductividad : <10u Siemens/cm
• Sílice como SiO₂ : <0.25 mg/l
• Sodio : <0.20mg/l
• Sólidos totales :<15 mg/l
• Anhídrido carbónico: <10mg/l (a la salida del descarbonatador)

3.10 Guía para la regeneración de resinas de intercambio iónico

-Los retrolavados deben efectuarse por un tiempo mínimo de 15 minutos, pudiendo prolongarse hasta 60 minutos en caso que se quiera eliminar finos que estén ocasionando altas caídas de presión, durante la producción de agua desmineralizada. Se debe tener cuidado de no tener velocidades altas o retrolavados excesivos, que provocan altas pérdidas de resinas. De suceder esto muestrear y determinar que porcentaje de los finos pasa malla 50 USA ó 0.3 mm y la humedad de la resina.

-El regenerante de las resinas aniónicas fuertes debe ser pasado en un tiempo no menor de 30 minutos y el 15 al 30 % regenerante se debe descartar antes de su ingreso al intercambiador de resina aniónica débil, para evitar que en ella se formen depósitos de sílice.

-Los flujos de retrolavados deben ser de 25 m3/m2/hr (25 m/hr).

-El enjuague lento o transferencia debe ser de 1 a 2 m3 de agua/ m3 de resina/ hora (el gasto debe ser igual al pase de la solución regenerante).

-El enjuague rápido debe hacerse entre 16 a 40 m3/m3 de resina/hora.

-Para la dilución de las soluciones regenerantes debe usarse agua tratada.

-Para el enjuague de las resinas aniónicas debe usarse agua tratada, en cambio para las resinas catiónicas puede usarse agua sin tratar (agua potable).

-Los retrolavados se realizan generalmente con agua sin tratar (agua potable).

-Cuando los retrolavados terminan con conductividad mayor de 9 uS/cm, se debe prolongar esta operación por 10 a 20 minutos.

-El consumo de hidróxido de sodio (soda caústica) debe estar entre 50-60 Kg de NaOH al 100%, por cada m3 de resina aniónica fuerte.

-Cuando el calcio es más del 50 % del total de cationes, y cuando se usa ácido sulfúrico en la regeneración de las resinas catiónicas, se forma sulfato de calcio que puede precipitar por estar en exceso al límite de solubilidad. Se evita la precipitación usando una primera etapa más diluida de ácido sulfúrico (menor de 15 gr/l: menor de 1.5 %) y/o una mayor velocidad de la solución regenerante.

-Durante la regeneración de resinas de intercambio iónico se deben realizar los siguientes controles:

• Concentración de la solución de soda caústica a dosificar a las resinas aniónicas
• Concentración de la solución de ácido, en cada paso de la dosificación a las resinas catiónicas
• Gasto total de ácido
• Gasto total de soda usada para la regeneración
• Control del punto final en las resinas catiónicas y aniónicas.

Hay diversos factores que pueden afectar las operaciones de intercambio iónico, entre las cuales podemos mencionar las siguientes.

-Regenerantes de mala calidad (se debe realizar análisis cuando se realice reposición de stocks de estos regenerantes: en el ácido sulfúrico o ácido clrhídrico analizar fierro, en el caso de la soda caústica determinar su concentración)

--Variaciones de la calidad del agua a ser tratada.

-Canalizaciones en los lechos de resinas.

-Falta de purgas de aire y gases u operación defectuosa de estos.

-Presencia de agentes oxidantes, tales como oxígeno, cloro, ozono u otros.

-Cambios bruscos de temperatura, que pueden provocar variaciones de las condiciones hidráulicas y en la cinética de las reacciones; si estos se producen, se deben efectuar ajustes de los flujos.

-Regeneraciones inadecuadas: concentraciones y/o gastos inadecuados.

-Distribución defectuosa del flujo, en la producción y/o en la regeneración.

-Características de las resinas.

• Rotura de las resinas
• Despolimerización por oxidantes y consecuente hinchamiento (se vuelve ligera de densidad y se pierde durante los retrolavados.
• Envejecimiento de los grupos funcionales, provocando una adsorción irreversible.
• Envenenamiento por materias orgánicas e inorgánicas.
• Pérdidas de resinas, por ser demasiado pequeñas o por baja densidad

-Selección inadecuada de las resinas de intercambio iónico: se debe tener en cuenta lo siguiente:

• Tipo de material
• Grados de los enlaces cruzados
• Tamaño de las resinas
• Grupo funcional
• Facilidad de regeneración
• Capacidad de intercambio en operación.
• Porosidad (superficie activa total)
• Estabilidad a contaminantes.
• Vida efectiva

Periódicamente se debe realizar la inspección de los tanques que contienen las resinas de intercambio iónico, con el fin de verificar que no hayan sufrido modificaciones.