Electrodesionización

La electrodesionización ( EDI ) es una tecnología de tratamiento de agua que utiliza corriente continua (CC) , membranas de intercambio iónico y resina de intercambio iónico para desionizar el agua , eliminando así los minerales traza que actúan como aniones y cationes . Por sí sola, no elimina otros contaminantes, como patógenos , compuestos orgánicos o gases disueltos. La EDI se emplea habitualmente como tratamiento de pulido tras la ósmosis inversa (OI) y se utiliza en la producción de agua ultrapura . Se diferencia de otros métodos de pulido de OI, como los lechos mixtos regenerados químicamente, por operar de forma continua sin regeneración química. ^{[ 1 ]}

La electrodesionización puede utilizarse para producir agua de alta pureza, alcanzando valores de resistividad eléctrica de hasta 18,2 MΩ/cm.

La electrodesionización (EDI) integra tres procesos distintos:

1. Electrólisis: Una corriente continua dirige iones positivos y negativos hacia electrodos con cargas eléctricas opuestas. El potencial eléctrico atrae aniones y cationes desde las cámaras de dilución, a través de membranas de intercambio catiónico o aniónico, hacia las cámaras de concentración.
2. Intercambio iónico: Una resina de intercambio iónico llena las cámaras de dilución. A medida que el agua fluye a través del lecho de resina, los cationes y aniones se adhieren a los sitios de la resina.
3. Regeneración electroquímica: A diferencia de los lechos mixtos regenerados químicamente, la EDI logra la regeneración mediante la disociación del agua inducida por la corriente eléctrica continua. El agua se disocia del H₂O _en H⁺ ^y OH⁻ ^para regenerar eficazmente la resina sin necesidad de aditivos químicos externos.

La electroionización (EDI) a veces se denomina "electroionización continua" (CEDI) porque la corriente eléctrica regenera continuamente la masa de resina de intercambio iónico.

Para maximizar la pureza del agua de producto, el agua de alimentación del sistema EDI requiere un pretratamiento, generalmente mediante ósmosis inversa. Al utilizar agua de alimentación con bajo contenido de sólidos disueltos totales (por ejemplo, purificada por ósmosis inversa), el producto puede alcanzar niveles de pureza muy elevados. La composición del agua de alimentación debe mantenerse dentro de ciertos parámetros para evitar daños al equipo EDI.

Las preocupaciones más comunes sobre la calidad del agua de alimentación son:

• La dureza , que a menudo se limita a 1 parte por millón (ppm) de CaCO3 _o molécula correspondiente, con excepciones limitadas de hasta 2 ppm.
• Contenido de sílice (SiO ₂ ), que generalmente no debe ser superior a 1 ppm en la mayoría de las celdas EDI o a 2 ppm en los módulos de celda delgada.
• CO ₂ , que debe ser monitoreado para evitar una carga excesiva de la resina de intercambio aniónico .
• El COT , que puede ensuciar las resinas y las membranas, debe minimizarse.
• El cloro , el ozono y otros oxidantes pueden oxidar las resinas y las membranas, provocando daños permanentes, por lo que su uso debe minimizarse.

La electrodesionización se desarrolló a principios de la década de 1950 para eliminar o minimizar el fenómeno de polarización por concentración presente en los sistemas de electrólisis de la época. En 1953 se solicitó una patente para esta tecnología, y las publicaciones posteriores la popularizaron. ^{[ 2 ]}

La tecnología tenía aplicaciones limitadas debido a su baja tolerancia a los sólidos disueltos totales, la dureza y la materia orgánica. Durante las décadas de 1970 y 1980, la ósmosis inversa se convirtió en la tecnología preferida frente a la resina de intercambio iónico para aguas con alto contenido de sólidos disueltos totales . A medida que la ósmosis inversa ganaba popularidad, la electrodiálisis (EDI) surgió como una tecnología de purificación adecuada. Los sistemas compactos de ósmosis inversa y EDI comenzaron a reemplazar a los sistemas de intercambio iónico regenerados químicamente.

En 1977, Harry O'Hare construyó y probó un dispositivo EDI funcional y posteriormente solicitó patentes para dicho dispositivo.

En 1986 y 1989, varias empresas desarrollaron nuevos dispositivos EDI. Los primeros dispositivos eran grandes, costosos y a menudo poco fiables. Sin embargo, en la década de 1990 se introdujeron diseños modulares más pequeños y económicos. No obstante, estos diseños y sus sucesores actuales aún presentan limitaciones como el coste y un alcance operativo limitado. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

En la industria electrónica, se utiliza agua desionizada para enjuagar los componentes durante la fabricación. Esto es necesario para evitar posibles cortocircuitos que podrían dañar los chips electrónicos. Dado que los chips electrónicos son muy pequeños, hay poco espacio libre entre los elementos que los componen, y la electricidad no deseada puede conducirse a través de ellos incluso mediante una pequeña cantidad de iones, provocando un cortocircuito. El uso de agua desionizada para limpiar los componentes ayuda a minimizar la presencia de iones en sus superficies y, por lo tanto, a minimizar los cortocircuitos.

En la industria farmacéutica, la presencia de iones no deseados en el agua utilizada en el desarrollo de fármacos puede provocar reacciones secundarias indeseadas e introducir impurezas nocivas.

En la generación de energía, la presencia de iones en el agua de alimentación de la caldera puede provocar la acumulación de sólidos o la degradación de las paredes de la caldera, lo que puede reducir la eficiencia de la caldera y presentar riesgos para la seguridad.

Debido a las importantes preocupaciones financieras y de seguridad presentes en estas tres industrias, su demanda económica de agua de alta pureza constituye la mayor parte de la demanda de dispositivos EDI y de su desarrollo.

Los sistemas de electrodesionización también se han aplicado a la eliminación de metales pesados ​​de diferentes tipos de aguas residuales procedentes de la minería, la galvanoplastia y los procesos nucleares. Los iones principales que se eliminan en estos procesos son el cromo , el cobre , el cobalto y el cesio , aunque la electrodesionización también se utiliza para la eliminación de otros. ^{[ 5 ]}

En una celda electroquímica, cada electrodo se clasifica como ánodo o cátodo . El ánodo es el electrodo por donde salen los electrones de la celda y se produce la oxidación , mientras que el cátodo es el electrodo por donde entran los electrones y se produce la reducción . Cada electrodo puede actuar como ánodo o cátodo dependiendo del voltaje aplicado a la celda.

Cada celda de desionización consta de un electrodo y un electrolito con iones que se oxidan o se reducen. Dado que suelen estar formados por iones en solución, los electrolitos se conocen a menudo como "soluciones iónicas", aunque también existen electrolitos fundidos y sólidos.

El agua pasa entre un ánodo y un cátodo. Las membranas selectivas de iones permiten que los iones positivos se separen del agua hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el electrodo positivo. Como resultado, los iones no pueden escapar de la celda y se produce agua desionizada . ^{[ 4 ]}

Cuando se utiliza una corriente superior a la necesaria para el movimiento de los iones, una parte del agua incidente se disocia, formando aniones hidróxido (OH⁻ ⁾ y cationes hidrógeno (H⁺ ⁾ . Estas especies reemplazan a los aniones y cationes de impurezas en la resina. Este proceso se denomina « regeneración in situ » de la resina. Dado que este reemplazo se produce simultáneamente con el proceso de desionización, permite una purificación continua, a diferencia de las técnicas de desionización que requieren una pausa en el funcionamiento para regenerar químicamente las resinas de intercambio iónico. ^{[ 6 ]}

El propósito de la resina de intercambio iónico es mantener una conductancia estable en el agua de alimentación. Sin la resina, los iones podrían eliminarse inicialmente, pero la conductancia disminuiría drásticamente a medida que disminuye la concentración de iones. Con una menor conductancia, los electrodos tendrían menor capacidad para dirigir eficientemente el flujo de electrones a través de la celda, mientras que con la adición de resina y, por lo tanto, una conductancia constante, el flujo de electrones permanece constante y garantiza una tasa constante de eliminación de iones. Por consiguiente, con una resina, las concentraciones finales de iones restantes en el agua procesada pueden ser órdenes de magnitud menores. ^{[ 5 ]}

Una instalación típica de EDI consta de los siguientes componentes: electrodos, membranas de intercambio aniónico, membranas de intercambio catiónico y resina. Las configuraciones más sencillas constan de tres compartimentos. Para aumentar la intensidad o la eficiencia de la producción, se puede incrementar el número de compartimentos o celdas según se desee.

Una vez instalado el sistema y al comenzar a fluir el agua de alimentación, los cationes se dirigen hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Solo los aniones pueden atravesar la membrana de intercambio aniónico, mientras que solo los cationes pueden atravesar la membrana de intercambio catiónico. Esta configuración permite que aniones y cationes fluyan en una sola dirección debido a la selectividad de las membranas y las fuerzas eléctricas, lo que resulta en un agua de alimentación relativamente libre de iones. Además, permite la recolección separada de los flujos de concentración de cationes y aniones, lo que facilita una eliminación, reciclaje o reutilización de residuos más selectiva; esto es especialmente útil para la eliminación de cationes de metales pesados .

¿Cómo funciona EDI?

• video .
• Sistemas de electrodesionización .
• Tecnología avanzada de electrodesionización para la desalinización de productos. Archivado el 11 de mayo de 2008 en Wayback Machine , Laboratorio Nacional Argonne.
• Comprender el principio de funcionamiento de la electrodesionización .
• ¿Cómo funciona EDI?