Diseño de un sistema de control para el proceso de ablandamiento de agua mediante resinas de intercambio iónico

Abstract

El agua es el recurso natural más valioso sobre la Tierra. Es omnipresente en todos los ámbitos de la vida y transversal. En la industria química no iba a ser menos, empleándola como materia prima, como disolvente o para el transporte de calor entre otros. Por ello es esencial controlar ciertos parámetros para la correcta utilización. Uno de esos parámetros es la dureza del agua. Es necesario controlarla ya que si no puede provocar incrustaciones en equipos tales como intercambiadores, calderas, bombas o tuberías y reducir su rendimiento o dañarlos seriamente. La dureza del agua es la presencia de iones metálicos, principalmente Ca2+ y Mg2+, en el agua bajo forma de cloruros y sulfatos (responsables de la dureza permanente) y bicarbonatos (responsables de la dureza temporal). Estos precipitan y sedimentan formando costras de carbonatos, óxidos y sulfatos que es la que provoca daños en los equipos como se ha explicado anteriormente. Se han desarrollado un gran número de métodos de análisis para determinar la dureza del agua en las muestras. El método que se ha empleado en este TFG es el de la valoración complexométrica con AEDT. De esta manera el ión metálicos forma un complejo con el ácido etilendiaminotetraacético o AEDT tal y como se ve en la figura 1. Se lleva a cabo la valoración a pH 10 con Negro de Eriocromo T o NET como indicador. En presencia de iones metálicos la disolución presentará un color rosado y tornará a azul cuando ya todos los iones hayan reaccionado con el AEDT. A raíz de los problemas que provoca la dureza del agua se han ideado diversos procesos de ablandamiento o eliminación de los iones calcio y magnesio. El que se estudia en este TFG es el del uso de una resina de intercambio iónico. En estas resinas, formada por esferas de polímeros compuestos de vinilbencenos y divinilbencenos, se introducen grupos activos que luego llevan a cabo intercambios iónicos con los cationes de la disolución que se quiere tratar. En este caso la resina contiene H+ y los intercambia por los iones Ca2+ presentes en el agua tal y como se ve en la reacción siguiente: 2 R – H+ + Ca2+ R2 – Ca2+ + 2H+ A medida que se lleva a cabo el intercambio la resina sufre un proceso llamado saturación, que significa que no puede intercambiar más iones porque están ocupados todos los puntos activos. Cuando la columna se satura se debe llevar a cabo una regeneración. Esta regeneración se realiza con HCl y consiste en volver a sustituir los Ca2+ retenidos por H+ para poder reutilizar la columna. El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado (TFG) es el de diseñar un sistema de control automático para el intercambio iónico con un analizador de bajo coste. Para ello hay que demostrar la relación entre las curvas de ruptura del pH y la de la dureza y diseñar un equipo donde introducir una sonda que esté sumergida en todo momento y que permita medir en continuo valores del pH a través de un analizador que funcione con Arduino y que permita la transcripción de las medidas al ordenador, buscando siempre el diseño y montaje sencillo y de coste reducido.