ARTÍCULO ORIGINAL
BORGONOVI, Steven de Andrade [1], IBARRA, Gabrielle Amarilha [2], NECO, Gabriel Conforti Papa [3], RODRIGUES, Rayane Vieira [4], BARBOSA, Hueberton [5], PÁDUA, Aryston Vinicius Queiroz de Almeida [6], SANTOS, Alexsander Saves dos [7]
BORGONOVI, Steven de Andrade. Et al. Prototipo de filtración aplicado en desionización de agua usando resina mixta. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 06, Ed. 05, Vol. 14, págs. 61 y 72. Mayo de 2021. ISSN: 2448-0959, Enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingenieria-quimica/desionizacion-de-agua
RESUMEN
En este trabajo, se diseñó, construyó y probó un prototipo de filtro desionizador para la desmineralización de agua cruda. El prototipo tiene cuerpo principal acrílico, con escalones de carbón, arena, piedra y resinas catiónicas y aniónicas, con una base de madera y un recipiente para recoger agua desionizada. Se realizó el ensayo de agua bruta, con una conductividad de 144,8.10-6 µs/cm antes de la filtración, y luego 20,15.10-6 µs/cm, mostrando entonces una considerable eficiencia del sistema. El prototipo presentó resultados satisfactorios y cumplió con su propósito de creación, basado en SANEPAR (2013), donde para soluciones con conductividad intermedia como agua mineralizada, agua potable y aguas residuales, el rango es de 10.10-6 µs/cm para el año 2000.10-6 µs/cm
Palabras clave: Bajo costo, Filtración, Desionizador, Agua.
1. INTRODUCCIÓN
Según Teruya (2012), la filtración es una técnica experimental de división de mezclas heterogéneas compuestas por un estado sólido y un estado fluido, por regla general, un líquido. Es ampliamente utilizado no sólo para extinguir partículas sólidas del estado fluido, sino también para secretar un sólido disperso o retenido en un líquido. El proceso de filtración se puede utilizar, no sólo a escala de laboratorio, sino también a escala industrial.
Tales técnicas de filtración se llevan a cabo: filtración simple, también conocida como filtración común y al vacío.
En palabras de Salvador y Usberco (2006), en el proceso de filtración simple, llevado a cabo en el laboratorio, se utiliza un papel de filtro circular, que se dobla por la mitad dos veces, para dividirlo en cuatro partes. Este papel aumenta el área de superficie de filtración al acelerar el procedimiento. Si la parte más relevante es el residuo sólido que se retiene en el papel de filtro, existe la posibilidad de plegarlo aún más. Este papel de filtro se coloca en un embudo analítico y con la ayuda de un tambor de vidrio, se transfiere la mezcla. Mientras que las partículas sólidas se retienen en el filtro, el líquido que pasa a través de los poros se recoge en otro recipiente. En el proceso de filtración al vacío, la diferencia radica en la aplicación del vacío (baja presión) dentro del contenedor, que recogerá la solución filtrada. En este proceso, debido a la aplicación del vacío, la aparición de succión acelera el procedimiento.
Entre los procesos de filtración también es posible aplicar un filtro para la desmineralización o desionización obteniendo agua pura. El proceso de desmineralización del agua consiste en la eliminación de iones (aniones y cationes) presentes en ella, por lo que el procedimiento se denomina comúnmente desionización. Tiene los mismos beneficios y aspectos del agua destilada, sin embargo se obtienen por otros procedimientos. Este proceso ocurre con la permanencia de una resina de intercambio iónico compuesta por productos sintéticos, unida al extremo del filtro, que permite la purificación del agua a nivel químico, con transición de iones contaminantes por iones inertes a la solución.
Cuando se colocan en agua, las resinas de intercambio iónico pueden liberar iones de sodio o hidrógeno (resinas catiónicas) o hidroxilo (resinas aniónicas) y capturar de esta misma agua, respectivamente, cationes y aniones, responsables de su contenido de sólidos disueltos, indeseables para muchos procesos industriales (SAKAI, 2012).
El cambio más importante del agua desmineralizada al destilado es que el primer procedimiento de purificación no hace uso de energía. Sólo se utilizan resinas específicas que realizan un intercambio iónico, surgiendo así agua purificada. Además de esto también está el procedimiento a través de ósmosis inversa, en el que la filtración no hace uso de productos químicos y es un proceso mecánico (AFONSO, 2015).
Lo más importante es la calidad final del agua desmineralizada producida y dónde se utilizará. En el caso de las centrales eléctricas, el agua será ampliamente utilizada en los lavados de calderas, mientras que en los laboratorios, se aplica para el lavado final de los vidrios.
El objetivo de este trabajo fue construir un filtro desionizador utilizando resina mixta y otros filtros y evaluar su funcionamiento para la filtración de agua para consumo industrial y de laboratorio.
2. MATERIAL Y MÉTODOS
El presente proyecto se llevó a cabo de agosto a diciembre de 2019 en la Universidade Brasil, ubicada en Estrada Projeto F-1 s/n Fazenda Santa Rita, en el municipio de Fernandópolis-SP.
El primer paso fue la elección y diseño técnico del modelo de equipo según la Figura 1 con escala en mm, teniendo en cuenta la mejor producción y rendimiento en filtración. El producto final se fijó en 30 cm para la longitud de la columna y la anchura de 10 cm.
Figura 1 – Diseño técnico del proyecto.
Luego, se adquirieron los materiales enumerados en la Tabla 1. Algunos materiales como la malla de tamiz, tuberías y plataforma de madera fueron donados por Usina Bpbunge en la ciudad de Ouroeste / SP y Madeireira Lourenção ubicada en la ciudad de Fernandópolis / SP. El objetivo era utilizar materiales reutilizables y de bajo coste.
Tabla 1 – Materiales y valores.
| materiales | cantidad | Valor unitario (R$) | Valor Total (R$) |
| Filtro acrílico 10×30 cm | 1 | 65,00 | 65,00 |
| Toque ¾ | 2 | 4,50 | 9,00 |
| Tableta de madera 70×40 cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Manguera de goma ¾ | 1 m | 2,70 | 2,70 |
| Manguera de goma ½ | 1 m | 2,30 | 2,30 |
| Tubería de PVC 100mm (depósito) | 20cm | 8,50 | 8,50 |
| Tubería de PVC 100mm | 30cm | 10,00 | 10,00 |
| Tubo de pvc 50mm | 45cm | 8,00 | 8,00 |
| Abrazadera de ¾ U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| Abrazadera de ½ U | 2 | 0,55 | 1,10 |
| vió | 1 | 0,0 | 0,0 |
| tornillo | 8 | 0,10 | 0,80 |
| Plataforma de madera 70x40cm | 1 | 0 | 0 |
| aguja | 1 | 0,0 | 0,0 |
| Pegamento de silicona | 1 | 15,00 | 15,00 |
| Soporte de madera casero 40x20cm | 1 | 0,00 | 0,00 |
| Tapa de PVC 100mm | 4 | 2,00 | 8,00 |
| Malla de tamiz 10x10cm | 1 | 0,0 | 0,0 |
| piedra | 300g | 2,00 | 2,00 |
| arena | 500g | 3,00 | 3,00 |
| Tubo de pvc 50mm | 1 | 8,00 | 8,00 |
| carbón activado | 200g | 35,00 | 35,00 |
| Resina iónica | 500g | 60,80 | 60,80 |
| Total | – | – | 240,30 |
Fuente: Autores.
El siguiente paso fue el montaje del equipo externo con las plataformas de madera, luego se realizaron dos perforaciones de 13mm, en la parte superior (entrada de agua cruda) y en la inferior (salida de agua desionizada), en el filtro acrílico que tiene una medida de 10x10x30cm, con un volumen de 3L, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 – Montaje exterior.
A continuación, se montó la parte interna del filtro, donde se llevó a cabo el proceso de filtración con el fin de eliminar todos los minerales y sales contenidas en el agua cruda, que se muestra en la Figura 3.
Figura 3 – Montaje en el interior.
La etapa de montaje interno sigue la secuencia de un filtro habitual, comenzando con carbón activado que es uno de los adsorbentes más importantes, desde el punto de vista industrial, siendo utilizado para la separación y purificación de mezclas en fase gaseosa y líquida, luego los filtros de arena y grava eliminan turbidez, partículas y pequeña cantidad de material emulsionado en forma coloidal o emulsión , mejorando el color y el sabor, posteriormente se introdujo la resina mixta, que se compone de 50% de resina catiónica y 50% de resina aniónica, que se desarrolla especialmente para el tratamiento de agua en industrias y laboratorios, se utilizan para la eliminación de iones del agua, después de incluir una capa de algodón que ayuda en la eliminación de sólidos del agua , debido a la alta superficie de contacto, consecuencia de las dimensiones micrométricas de los cables y acabado con una malla de filtro para garantizar una alta eficiencia del proceso de filtración.
Tras el proceso, el agua desionizada se destina al siguiente recipiente, siendo conducida en tubería de caucho, gravitacionalmente, siendo recibida en un depósito de tubería con un volumen de 2,45L, haciendo así el stock del producto, siendo representado por la Figura 4.
Figura 4 – Proceso de almacenamiento.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los análisis de conductividad se realizaron antes y después de cada filtración. Los resultados fueron tabulados y presentados en la Tabla 2:
Tabla 2 – Valores de conductividad.
| Pruebas | Conductividad del agua cruda | Conductividad del agua desionizada |
| 1 | 144.8 | 20,15 |
| 2 | 164.3 | 17,56 |
| 3 | 164.3 | 16,21 |
| 4 | 164,3 | 16,14 |
| 5 | 166.1 | 17,25 |
Fuente: Autores.
Hay una reducción en la tasa de conductividad equivalente al 70%. El proceso de intercambio iónico tuvo lugar, debido al uso de resinas sintéticas, donde retienen las sales disueltas en agua a través de una reacción química, liberando iones equivalentes a la solución. El agua cruda a desmineralizar debe ser sometida a una prefiltración para la eliminación de sólidos en suspensión: arcilla, arena y otros, incluido el cloro, que se elimina al inicio de la filtración debido a la presencia del carbón encerado. Según Saves (2018, apud SANTOS, 2019)
Es natural a la saturación de la resina según el tiempo de uso, por lo que es necesario que el agua producida se monitorice con frecuencia con la ayuda de un conductovimetro, lo que permite determinar cuándo se debe reemplazar. El nivel máximo de conductividad que determinará cuándo se debe cambiar la resina dependerá del uso al que se desba destinar el agua purificada, siendo establecido por el usuario para cada aplicación. Los valores de referencia se muestran en el Gráfico 1.
Tabla 1 – Valores de referencia de conductividad.
| aplicación | cinturón |
| Para soluciones con baja conductividad como destiladas, desionizadas o ultra-
puro. |
0,5 μs hasta 400 μs |
| Para soluciones de conductividad intermedia como agua mineralizada, agua potable y agua
residual. |
10 μs hasta 2000 μs |
| Para soluciones con buena conductividad tales que el agua de mar, ácidos, bases y sales diluidas,
soluciones fisiológicas. |
1000 μs hasta 200.000 μs |
Fuente: SANEPAR, 2013.
El caudal del filtro se calculó utilizando la Ecuación 1:
Ecuación 1 : 
donde Q es el flujo, V es el volumen y t es el tiempo.
Se realizó el flujo del filtro, en el que se obtuvo t=49,15s y V=0,003m³ y Q=6,1×10-5 m3/s. El volumen ocupado en el filtro se calculó utilizando la Ecuación 2:
Ecuación 2: V = A.h
Donde V es el volumen del filtro prellenado, A es el área del filtro y h es la altura ocupada por los componentes del filtro. El volumen prellenado se calculó con A= 0,01m² y h= 0,019m.
V = 0,00195 m3.
Tabla 3 – Resultado del cálculo
| rendimiento | ≅ 72% |
| Volumen del material contenido en el filtro | 0,00195 m3 |
| Volumen del filtro | 0,003 m³ |
| Flujo volumétrico | 6,1×10-5 m3/s. |
Fuente: Autores.
4. CONCLUSIONES
Se concluyó que el rendimiento del prototipo fue satisfactorio en comparación con los resultados publicados por SANEPAR (2013). La variación de los valores obtenidos al final de cada muestra depende del agua utilizada en la filtración, sin embargo, los resultados obtenidos fueron lineales durante todas las pruebas, mostrando así la eficiencia del sistema, ya que el proceso se puede realizar varias veces sin necesidad de reposición de los materiales.
Se supone que es posible aumentar la eficiencia del prototipo, si se cambia la extensión de la columna de resina, siempre que se mantenga el caudal. La cantidad de resina /tiempo de retención, son factores cruciales para el rendimiento del prototipo.
En una posible replicación del filtro, disminuya el espacio vacío que queda al final de la columna, ya que solo sirve para evitar la presión inversa.
REFERENCIAS
AFONSO, Julio Carlos. Separação sólido-líquido: Centrífugas e papeis filtro. Química Nova, volume nº38, no.05. São Paulo, Junho de 2015
SAKAI, Suzana. Resinas trocadoras de Íons, soluções a favor do tratamento de água e efluentes. Revista TAE, São Paulo, edição Nº 9 – outubro/novembro de 2012 – Ano 2.
SALVADOR, Edgard e USBERCO, João. Química, volume único. 1ª edição. São Paulo-SP: Editora Saraiva, 2006. 672 p.
SANEPAR. Companhia de Saneamento do Paraná, 2013. Disponível em: <https://site.sanepar.com.br/>
TERUYA, Leila Cardoso. Filtração Simples. LABIQ – Laboratório de Química e Bioquímica. Disponível em: <http://labiq.iq.usp.br/paginas_view.php?idPagina=4&idTopico=68#.YIs6H7VKjDc> Acesso em: 12 de outubro 2019.
[1] Académico en Ingeniería Química.
[2] Académico en Ingeniería Química.
[3] Académico en Ingeniería Química.
[4] Académico en Ingeniería Química.
[5] Académico en Ingeniería Química.
[6] Académico en Ingeniería Química.
[7] consejero. Máster Universitario en Ciencias Ambientales.
Enviado: Febrero de 2021.
Aprobado: Mayo de 2021.
