La electrodesionización ( EDI ) es una tecnología de tratamiento de agua que utiliza energía CC , membranas de intercambio iónico y resina de intercambio iónico para desionizar el agua . El EDI se emplea normalmente como tratamiento de pulido después de la ósmosis inversa (RO) y se utiliza en la producción de agua ultrapura . Se diferencia de otros métodos de pulido por ósmosis inversa, como los lechos mixtos regenerados químicamente, porque funciona de forma continua sin regeneración química. [1]
La electrodesionización se puede utilizar para producir agua de alta pureza, alcanzando valores de resistividad eléctrica de hasta 18,2 MΩ/cm.
La electrodesionización (EDI) integra tres procesos distintos:
El EDI a veces se denomina "electrodesionización continua" (CEDI) porque la corriente eléctrica regenera continuamente la masa de resina de intercambio iónico.
Para maximizar la pureza del agua producto, el agua de alimentación EDI necesita un tratamiento previo, generalmente realizado mediante ósmosis inversa. Cuando se alimenta con agua de alimentación con bajo contenido de sólidos disueltos totales (por ejemplo, purificada por RO), el producto puede alcanzar niveles de pureza muy altos. El contenido del agua de alimentación debe mantenerse dentro de ciertos parámetros para evitar daños al instrumento EDI.
Las preocupaciones comunes sobre la calidad del agua de alimentación son:
La electrodesionización se desarrolló a principios de la década de 1950 para eliminar o minimizar el fenómeno de polarización de la concentración presente en los sistemas de electrólisis de la época. En 1953 se presentó una patente sobre la tecnología y las publicaciones posteriores la popularizaron. [2]
La tecnología tenía una aplicación limitada debido a la baja tolerancia del total de sólidos disueltos, dureza y compuestos orgánicos. Durante las décadas de 1970 y 1980, la ósmosis inversa se convirtió en una tecnología preferida a las resinas de intercambio iónico para aguas con alto contenido de TDS . A medida que la ósmosis inversa ganó popularidad, el EDI surgió como una tecnología de pulido adecuada. Los sistemas empaquetados de RO y EDI comenzaron a desplazar a los sistemas de intercambio iónico regenerados químicamente.
En 1986 y 1989, varias empresas desarrollaron nuevos dispositivos EDI. Los dispositivos iniciales eran grandes, costosos y, a menudo, poco fiables. Sin embargo, en la década de 1990 se introdujeron diseños modulares más pequeños y menos costosos. No obstante, estos diseños y sus descendientes contemporáneos todavía enfrentan limitaciones como el costo y la capacidad operativa limitada. [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 destruir los chips electrónicos. Como los chips electrónicos son muy pequeños, hay poco espacio libre entre los elementos componentes y la electricidad no deseada puede conducirse a través de los componentes incluso a través de una pequeña cantidad de iones, provocando un cortocircuito. El uso de agua desionizada para limpiar los componentes ayuda a minimizar los iones en sus superficies y, por lo tanto, minimiza 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 no deseadas 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 grandes preocupaciones financieras y de seguridad presentes en estas tres industrias, su demanda económica de agua altamente pura proporciona la mayor parte de la demanda de dispositivos y desarrollo EDI.
Los sistemas de electrodesionización también se han aplicado a la eliminación de metales pesados de diferentes tipos de aguas residuales de procesos mineros, galvanoplastia y nucleares. Los iones primarios eliminados en estos procesos son cromo , cobre , cobalto y cesio , aunque el EDI también se utiliza en la eliminación de otros. [5]
Los electrodos de una celda electroquímica se clasifican como ánodo o cátodo . Un ánodo es un electrodo en el que los electrones salen de la celda y se produce la oxidación , mientras que un cátodo es un electrodo en el que los electrones entran a la celda y se produce la reducción . Cada electrodo puede convertirse en ánodo o cátodo dependiendo del voltaje aplicado a la celda.
Cada celda de desionización consta de un electrodo y un electrolito con iones que sufren oxidación o reducción. Debido a que comúnmente consisten en iones en solución, los electrolitos a menudo se conocen como "soluciones iónicas", pero también son posibles 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 dividirá, formando aniones hidróxido (OH - ) y cationes hidrógeno (H + ) . Estas especies reemplazarán los aniones y cationes de impurezas en la resina. Este proceso se denomina " regeneración in situ " de la resina. Debido a que este reemplazo ocurre junto con el proceso de desionización, permite una purificación continua, a diferencia de las técnicas de desionización que requieren una pausa en la operación para regenerar químicamente las resinas de intercambio iónico. [6]
El propósito de la resina de intercambio iónico es mantener una conductancia estable a través del 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 conductancia más baja, los electrodos serían menos capaces de 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 estable y garantiza una tasa constante de eliminación de iones. Por lo tanto, con una resina, las concentraciones finales de iones restantes en el agua procesada pueden ser inferiores en varios órdenes de magnitud. [5]
Una instalación EDI típica tiene los siguientes componentes: electrodos, membranas de intercambio aniónico, membranas de intercambio catiónico y resina. Las configuraciones más simples comprenden tres compartimentos. Para aumentar la intensidad o eficiencia de la producción, el número de compartimentos o celdas se puede aumentar según se desee.
Una vez que el sistema está instalado y el agua de alimentación comienza a fluir a través de él, los cationes fluyen hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Sólo los aniones pueden atravesar la membrana de intercambio aniónico y sólo los cationes pueden atravesar la membrana de intercambio catiónico. Esta configuración permite que los aniones y cationes fluyan en una sola dirección debido a la selectividad de las membranas y las fuerzas eléctricas, lo que hace que el agua de alimentación esté relativamente libre de iones. También permite la recolección separada de flujos de concentración de cationes y aniones, creando la oportunidad de una eliminación, reciclaje o reutilización de residuos más selectiva; esto es especialmente útil en la eliminación de cationes de metales pesados .