Este documento describe varios procesos avanzados para el tratamiento de aguas, incluyendo intercambio iónico, osmosis inversa y desionización. El intercambio iónico funciona intercambiando iones contaminantes por iones hidrógeno o hidróxido usando resinas. La osmosis inversa usa membranas semipermeables y presión para separar agua pura de sales. La desionización usa resinas de intercambio iónico en serie o mezcladas para eliminar casi todos los iones, produciendo

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
AREA DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROFESORA: ING. SHEILA RIVERO C.
INGENIERÍA AMBIENTAL
UNIDAD III. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
Procesos avanzados en el tratamiento de aguas (osmosis inversa, electrodiálisis, intercambio iónico)
Los objetivos de los procesos avanzados de tratamiento de aguas son:
 Tomar agua tratada por un procedimiento estándar y mejorarla hasta una calidad excepcionalmente alta como se suele
exigir por industrias concretas, por ejemplo, bebidas, farmacéuticas.
 Tratar un agua que contiene contaminantes concretos químicos o biológicos hasta un estándar aceptable, por ejemplo,
la separación de hierro y manganeso, la separación de algas verde azules, la separación de productos orgánicos.
Hay una amplia gama de técnicas físicas, químicas y microbiológicas que se pueden utilizar para alcanzar los objetivos.
Algunas de estas son:
1. El proceso de Intercambio iónico
El intercambio de ion es un proceso en el cual los iones impuros presentes en el agua son reemplazados por iones que
despiden una resina. (Un ion es un átomo o grupo de átomos con una carga eléctrica. Los iones con carga positiva se
llaman cationes y son generalmente metales, los iones con carga negativa se llaman aniones y son generalmente no
metales). Los siguientes iones son generalmente encontrados en aguas crudas (aguas provenientes de fuentes
superficiales o subterráneas).
Cationes Aniones
Calcium (Ca2+) Cloruro (Cl-)
Magnesio (Mg2+) Bicarbonato (HCO3-)
Sodio (Na+) Nitrato (NO3-)
Potasio (K+) Carbonato (CO32-)
Hierro (Fe 2+)
La aplicación del intercambio de ion al tratamiento de agua y purificación
Estas son tres maneras en la cual la tecnología de intercambio de iones puede ser usada en el tratamiento de agua y
purificación:
1ro: resinas de intercambio de catión solas se pueden emplear para suavizar (o ablandar)) el agua por intercambio de
base (suavizamiento).
2do: resinas de intercambio anión solas pueden ser utilizadas para eliminar nitratos.
3ro: combinaciones de resinas de intercambios de cationes y aniones pueden ser utilizadas para eliminar virtualmente
todas las impurezas iónicas presentes en el agua, el cual es un proceso conocido como desionización. Por contraste, la
desionización es un proceso de purificación que puede producir agua de calidad excepcional.
¿Cómo funciona el intercambio iónico?
El intercambio iónico actúa intercambiando los iones hidrógeno de los contaminantes catiónicos y los iones hidróxilo de
los contaminantes aniónicos en el agua de alimentación. Los lechos de las resinas de intercambio iónico están
compuestos de pequeñas perlas esféricas por las que pasa el agua de alimentación. Después de un período de tiempo,
los cationes y aniones habrán sustituido la mayor parte de los puntos activos de hidrógeno e hidróxilo en las resinas
(resinas de poliestireno sulfonado), y será necesario reemplazar o regenerar los cartuchos.
Los procesos de intercambio ionico son reversibles y la dirección de la reacción depende de las concentraciones y del
nivel de saturación de la resina de sodio (en caso de ablandamiento)

2. Resina de Intercambio de Iones
Hay 2 tipos básicos de resinas- de intercambio de cationes e intercambio de aniones. Resinas del intercambio de
cationes emiten iones Hidrógeno (H+) u otros iones como intercambio por cationes impuros presentes en el agua. Resina
de intercambio de Aniones despedira iones de hidroxilo (OH) u otros iones de cargas negativas en intercambio por los
iones impuros que están presentes en el agua. Los iones hidrógeno e hidróxilo se combinan para formar moléculas de
agua.
Principales tipos de resinas
La diferencia más importante es que las resinas fuertes operan a cualquier pH, pero tienen una capacidad más limitada
que las débiles y deben regenerarse más frecuentemente. Su regeneración implica un alto coste de regenerantes. En
cambio, las resinas de carácter débil, además de mayor capacidad, se regeneran con un exceso mínimo de
regenerantes, pero operan dentro de pH limitados y no captan todos los iones.
Suavizando Intercambio de Base
El paso del agua por rocas sedimentarias como la piedra caliza, provoca que dos de los iones más comunes en aguas
naturales sean el calcio y el magnesio. El empleo de agua dura tanto para usos domésticos como industriales, provoca
problemas de formación de depósitos e incrustraciones y dificulta la acción de los detergent es, ya que se forman
espumas y precipitados que reducen su eficiencia.
El proceso de Gans es aún uno de los métodos más simples de suavizar el agua. Este consiste en agua que pasa
conteniendo iones de dureza, mayormente calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) a través de una columna conteniendo
una resina de intercambio ácido de catión en forma de sodio (Na+) (por ejemplo, los cationes intercambiables son
sodio). Los iones de calcio y magnesio son intercambiados por un número equivalente de iones de sodio. La
resina, una vez agotada, (por ejemplo, todos los iones de sodio disponible han sido intercambiados) deben ser
recargados. Esto significa que hay que pasar una solución que contiene una alta concentración de sales de sodio
tales como cloruro de sodio a través de la resina de intercambio- un proceso conocido como regeneración.
Una reacción típica de ablandamiento es: Mg2+ + Na2R MgR + 2Na
Usos Principales del agua Suavizada
 Para prevenir formación de sarro en calderas, calentadores de agua, planchas de vapor y máquinas de lavar
platos, etc.
 Para eliminar la producción de “capa de suciedad” formada como resultado de la reacción entre los iones de
calcio y magnesio con ácidos de grasa encontrado en jabones en la industria textil, máquinas de lavar, etc
 Para prevenir manchas antiestéticas en cristalería, espejos, etc.
 Para pre-tratar el agua de alimentación al proceso de osmosis inversa lo cual previene la contaminación de
las membrana.
Eliminación de Nitrato
Los niitratos son un peligro particular para bebés de menos de seis meses de edad. Los nitratos se reducen a nitritos en
el sistema gastrointestinal del niño(a), reduciendo así la capacidad de llevar oxigeno a la sangre (el síndrome de niño
azul). El método más simple y más factible de costo para eliminar nitratos del agua es por intercambio de aniones,
utilizando sus resinas en forma de cloruro y regeneradas con brine (agua de salmuera). Resinas especiales están
disponibles para tratar las aguas ricas en sulfato. (Resinas convencionales tienen una mayor afinidad para el sulfato que
el nitrato, reduciendo así su capacidad para eliminar el nitrato.
Desionización
Para muchas aplicaciones de laboratorio e industriales se requiere la alta pureza del agua, la cual esté esencialmente
libre de contaminantes iónicos. Agua de esta calidad se puede producir con la Desionización.
Los dos tipos más comunes de desionización son:
 Desionización de Dos Camas

3.  Deionización de Camas Mixtas
Desionización de Dos Camas
El Desionizador de Dos Camas consiste en dos recipientes- uno conteniendo una resina de intercambio de cationes en
forma de hidrógeno (H+) y la otra conteniendo una resina de aniones en forma de hidroxil (OH-). El agua fluye a través de
la columna de cationes, donde todos los cationes son intercambiados por iones de hidrógeno.
El agua descationizada entonces fluye a través de la columna de aniones. Esta vez todos los iones con carga negativa
son intercambiados por iones de hidróxido los cuales entonces se combinan con los iones de hidrógeno para formar agua
(H2O).
Desionización de Cama Mixta
En los desionizadores de cama mixta, las resinas del intercambio de cationes y de aniones están íntimamente mezcladas
y contenidas en un solo recipiente. La mezcla minuciosa de cationes intercambiadores y aniones intercambiadores en
una columna sencilla hace al desionizador de cama mixta equivalente a la serie larga de plantas de dos camas. La
calidad del agua obtenida de un desionizador de cama mixta es apreciablemente más alta que la que se produce en una
planta de dos camas.
El recipiente puede ser en la forma de una columna grande de acero inoxidable o de fibra de vidrio reforzada conteniendo
cientos de litros de resina, o un cartucho pequeño desechable/regenerable que cuando se acaba, puede desecharse o
enviado al proveedor original para regeneración.
Aunque son más eficientes purificando el agua entrante, las plantas de camas mixtas son más sensitivas a las impurezas
en la fuente de agua e involucran un proceso de regeneración más complicado. Los desionizadores de cama mixta se
utilizan normalmente para “pulir” el agua a altos niveles de pureza después de que han sido tratadas inicialmente por un
desionizador de dos camas.
Desionizadores se utilizan a veces en sistemas de purificación de agua supliendo volúmenes substanciales de aguas
para suites de laboratorios, o grandes cantidades de agua para proceso industrial, aplicaciones médicas, en la industria
farmacéutica, cosméticos, microelectrónica...etc.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas del intercambio iónico?
Es un proceso rápido
El intercambio iónico tiene muchas ventajas para la producción de agua purificada.
Es un proceso bajo demanda; el agua está disponible cuando es necesaria.
Cuando se utilizan materiales de resina de alta pureza, todo el material iónico se eliminará con eficacia del agua.
Se adapta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de las impurezas iónicas son relativamente bajas.
Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
Las instalaciones pueden ser automáticas o manuales para adaptarse a las condiciones específicas.
El intercambio iónico se debe utilizar en conjunción con filtros si se requiere agua libre de partículas. Debido a que las
bacterias crecen rápidamente en el agua estancada, los cartuchos se pueden contaminar si no se utilizan frecuentemente
lo cual disminuye su capacidad. El problema se soluciona mediante la recirculación frecuente del agua para inhibir la
acumulación bacteriana y mediante la sustitución habitual o la regeneración de las resinas.
Han existido muchos intentos de solucionar algunas de las limitaciones del intercambio iónico y la destilación.
En algunos sistemas, la destilación ha precedido al intercambio iónico (los cartuchos duran mucho más), pero el
problema de las bacterias permanece. En otros sistemas, el intercambio iónico ha precedido a la destilación,
pero los problemas de almacenamiento y de no tener agua bajo demanda permanecen.
Los procesos de la desalación usados más comúnmente son ósmosis reversa y electrodiálisis. Estos procesos producen
el agua dulce del agua salada.
2. Osmosis inversa

4. La tecnología de ósmosis inversa se basa en la aplicación de una presión sobre una disolución concentrada para forzar
el paso de la misma a través de unas membranas semipermeables. Con ello, vamos a provocar la retención de la mayor
parte de las sales disueltas obteniendo un agua con una concentración salina muy inferior a la disolución de partida. Con
el uso de la ósmosis inversa es posible realizar tanto separaciones como procesos de concentración. Mediante los
equipos de ósmosis inversa es posible desalinizar el agua de aporte y reducir los valores de conductividad a unos
parámetros adecuados.
Se obtienen entonces dos corrientes: una libre de sales (permeado) y la otra concentrada en sales (rechazo).
El principio es bastante simple: la membrana actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que
retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay varios métodos para permitir que las sustancias atraviesen una
membrana. Ejemplos de estos métodos son la aplicación de alta presión, el mantenimiento de un gradiente de
concentración en ambos lados de la membrana y la introducción de un potencial eléctrico.
La membrana funciona como una pared de separación selectiva. Ciertas sustancias pueden atravesar la membrana,
mientras que otras quedan atrapadas en ella.
Usos de la tecnología de osmosis inversa
 Reducciones de los sólidos disueltos totales, metales pesados como el bario, cadmio, cromio, plomo, mercurio, cloro
sales, turbiedad, sólidos disueltos, los organicos, virus, y bacterias del agua.
 Industria láctea: Concentración de lacto sueros.
 Industria papelera: tratamiento de agua residual y recuperación de sustancias orgánicas e inorgánicas valiosas,
concentración de contaminantes para disminuir costes de operación, recuperación de agua de proceso.
 Tratamientos metálicos superficiales: tratamiento de aguas residuales aceitosas, procesos de galvanoplastia.
 Industria textil: concentración de tintes y recuperación de agua de proceso.
 Industria microelectrónica: producción de agua ultrapura.
 Producción de abonos nitrogenados: recuperación de nitrato amónico.
Ventajas
 Son sistemas prácticos y con capacidad de producción contínua.
 Bajo costo operativo, alta confiabilidad, bajo mantenimiento y facilidad de operación.
 Requiere un mínimo consumo de productos químicos y mano de obra para su atención.
 La ósmosis reversa es capaz de quitar 95%-99% de los sólidos disueltos totales (TDS) y el 99% de todas las
bacterias, así proporcionando un agua segura, pura.
 Es un proceso que puede ocurrir a baja temperatura. Esto es principalmente importante porque permite el tratamiento
de los materiales sensible al calor.
La filtración de membrana se puede dividir en micro filtracion (MF) y ultra filtración (UF) por una parte y en nanofiltración
y ósmosis inversa por la otra.
La microfiltración utiliza el mayor tamaño de poro, y puede eliminar arena, limos, arcillas, algas, bacterias, Giardia y
Criptosporidium. Permite a las macromoléculas fluir a través de la membrana.
La ultrafiltración proporcionan protección casi completa contra virus, eliminan la mayoría de contaminantes orgánicos, y
pueden reducir la dureza del agua.
Los sistemas de ósmosis inversa son membranas densas que eliminan casi todos los contaminantes inorgánicos y casi
todo excepto las moléculas orgánicas de menor tamaño.

5. La filtración de membrana tiene bastantes ventajas frente a las técnicas existentes de purificación del agua:
Es un proceso de bajo coste energético. La mayor parte de la energía requerida es la necesaria para bombear los
líquidos a través de la membrana. La cantidad total de energía utilizada es mínima comparada con las técnicas
alternativas, tales como evaporación.
Sistemas de membrana
La elección de un determinado tipo de sistema de membrana está determinada por un gran número de aspectos, tales
como costes, riesgos de adaptación de las membranas y oportunidades de limpieza. Las membranas nunca son
aplicadas como una única placa plana, los sistemas son construídos de forma muy compacta, de manera que se
consigue una gran superficie de membrana en el mínimo volumen posible.
Obstrucción de la membrana
Durante los procesos de filtración de membrana la obstrucción de la membrana es inevitable, incluso con un pre-
tratamiento suficiente. Los tipos y las cantidades de suciedad dependen de muchos factores diferentes, tales como la
calidad del agua, tipo de membrana, material de la membrana y diseño y control de los procesos.
Limpieza de la membrana
Existen unas cuantas técnicas de limpieza para la eliminación de la suciedad de membrana. Estas técnicas son de
lavado por chorro delantero, lavado por chorro trasero, lavado por chorro de aire y limpieza química. Cuando la calidad
del producto final requiere de un menor grado de separación de sales, el proceso alternativo de la Osmosis Inversa es el
de nanofiltración.
Electrodiálisis
Es un proceso de purificación activado eléctricamente que incluye una combinación de resinas de intercambio iónico y
membranas selectivas de iones. Normalmente se combina con la ósmosis inversa, y no implica el uso de cartuchos de
desionización lo que disminuye los costes que implica la sustitución de los cartuchos.
El principio de la electrodiálisis es la purificación del agua en una cubeta que contiene dos tipos de membranas selectivas
de iones (permeables a cationes y aniones) y situadas entre un par de electrodos. Cuando se aplica un potencial
eléctrico (campo eléctrico) directo a través de la cubeta, los cationes del agua se envían hacia el cátodo cargado
positivamente. Los cationes pueden pasar por la membrana permeable a los cationes, pero no por la permeable a los
aniones. De igual forma, los aniones pueden pasar por la membrana permeable a los aniones, pero no por la permeable
a los cationes. El resultado neto es el movimiento de iones entre las cámaras, y el agua en una sección puede
desionizarse mientras que en la otra sección el agua está más concentrada. Las partículas eléctricamente cargadas son
el sodio y el cloruro. Los iones del sodio llevan una carga positiva, y los iones del cloruro llevan una carga negativa.
La electrodiálisis sólo se puede utilizar de forma rentable para producir agua de una conductividad relativamente alta
(200 µS/cm o más) debido a los voltajes eléctricos prohibitivamente altos que son necesarios para impulsar los iones a
través de un agua cada vez de mayor pureza.

6. Algunas tecnologías rellenan los espacios entre las membranas con resinas de intercambio iónico. Las resinas permiten
que la desionización sea prácticamente completa, produciendo agua de alta pureza.
El proceso de paso múltiple en el que el agua de alimentación prepurificada por ósmosis inversa fluye a través de un
lecho de intercambio de cationes, un lecho de intercambio de aniones y un lecho de resinas mezcladas es similar a una
gran cantidad de sistemas de purificación de agua de alta pureza.
La electrodesionización complementa de forma muy eficaz la ósmosis inversa. Ya que esta ultima no elimina todas las
especies iónicas y no puede eliminar las especies disueltas como el dióxido de carbono. La electrodesionización puede
eliminar el dióxido de carbono así como otras especies de ionización débil, como la sílice.
Las aplicaciones potenciales más importantes de la electrodiálisis son:
o Desalación del agua salobre y agua marina.
o Concentración de agua marina.
o Desmineralización de suero.
o Recuperación de metales y aguas de lavado.
o Desalación de purga de agua.
o Desmineralización del vino.
o Desmineralización del azúcar.
Tratamiento de aguas residuales
Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos, agrícolas o de procesos industriales, los cuales
por razones de salud pública y por consideraciones de recreación y estética, no pueden desecharse vertiéndolas sin
tratamiento en lagos o corrientes convencionales. Contienen:
 – Sedimentos
 – Aceites y grasas
 – Bacterias
 – Virus
 – Sales
 – Nutrientes
 – Pesticidas
 – Metales pesados
 – Gases: O2, CO2, H2S (imparte olor desagradable)
Características utilizadas para describir aguas residuales
 Turbidez
 Sólidos suspendidos
 Sólidos totales disueltos
 Acidez
 Oxígeno disuelto
 Demanda bioquímica de oxígeno
Objetivo del tratamiento de las aguas residuales
 Eliminar m.o. patógeno para evitar problemas sanitarios.
 Eliminar sustancias tóxicas, para evitar dañar el medio ambiente y evitar problemas sanitarios.
 Reducir la cantidad de sólidos y de materia oxidable

7. Tratamiento de las aguas residuales
 Medio rural . Fosas sépticas: Tanques que reciben aguas residenciales o de otros lugares donde se deposita el
agua en el fondo y la parte líquida es absorbida por el terreno lentamente. Se limpian periódicamente.
 Ciudades e industrias y grandes poblados. Depuradoras de aguas residuales.
Lugares para disponer aguas residuales:
Alcantarillado: Red de tuberías que llevan el agua hasta plantas de tratamiento, en donde son tratadas y desinfectadas
antes de verter en el ambiente.
Tratamiento primario de las aguas residuales
Consiste en la eliminación física de los sólidos suspendidos mediante rejas (eliminan sólidos grandes y sólidos
pequeños); tanques de sedimentación: eliminan los sólidos sedimentables.
Tratamiento secundario: lodos activados
El lodo activado es un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos) son
mezclados y aireados en un tanque denominado reactor. Los flóculos biológicos formados en este proceso se
sedimentan en un tanque de sedimentación, lugar del cual son recirculados nuevamente al tanque aireador o reactor.
En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el
agua residual de manera que ésta les sirve de sustrato alimenticio. Es importante indicar que la mezcla o agitación se
efectúa por medios mecánicos. El lodo absorbe los sólidos en suspensión y se va dando al mismo tiempo la oxidación
biológica, es decir, los microorganismos presentes en el lodo descomponen los compuestos de nitrógeno orgánico y
destruyen los carbohidratos.
Elementos básicos de las instalaciones del proceso de lodos activados:
 Tanque de aireación. Estructura donde el desagüe y los microorganismos (incluyendo retorno de los lodos
activados) son mezclados.
 Tanque sedimentador. El desagüe mezclado procedente del tanque es sedimentado separando los sólidos
suspendidos (lodos activados), obteniéndose un desagüe tratado clarificado.
 Equipo de inyección de oxígeno. Para activar las bacterias heterotróficas.
 Sistema de retorno de lodos. El propósito de este sistema es el de mantener una alta concentración de
microorganismos en el tanque de aireación. Las aguas residuales crudas mezcladas con el lodo activado retornado
del tanque sedimentador final es aireado hasta obtener 2 mg/l de oxígeno disuelto o más. Una gran parte de
sólidos biológicos sedimentables son retornados al tanque de aireación.
 Exceso de lodos y su disposición. El exceso de lodos, debido al crecimiento bacteriano en el tanque de
aireación, son eliminados, tratados y dispuestos.
Los restos depositados en el tanque de decantación se trasladan a los digestores de cieno (lodo), donde las bacterias
fermentadoras y bacterias metanógenas, en un ambiente anaerobio, producen el denominado biogás, que puede
utilizarse como fuente de energía.
Los sólidos depositados en el digestor de lodos se retiran periódicamente y, después de eliminarse la mayor parte de
los microorganismos, son utilizados como abono agrícola.