Electrodesionización

La electrodeionización (EDI) és una tecnologia alvançada de tractament d'aigua que combina els principis de la electrodiálisis i de l'intercanvi iònic per a eliminar espècies iòniques i ionizables dissoltes en l'aigua. Es tracta d'un procés híbrit en el que un camp elèctric impulsa la migració selectiva de ions a través de membranes d'intercanvi iònic, mentres que un llit de resines facilita la seua captura, transport i regeneració contínua. Gràcies a esta integració, la EDI permet produir aigua d'alta purea i aigua ultrapura de forma contínua, sense necessitat de les regeneracions químiques periòdiques pròpies dels sistemes convencionals de resines.

En la pràctica industrial, la EDI sol amprar-se com a etapa final de poliment despuix d'una òsmosis inversa (OI/RO), ya que funciona especialment be en corrents prèviament desmineralizadas i de baixa conductivitat. El seu interés tecnològic radica que supera algunes llimitacions de la electrodiálisis clàssica, especialment la polarisació per concentració, i al mateix temps evita l'us intensiu de àcit i bases per a regenerar les resines d'intercanvi iònic. Per això, hui es considera una tecnologia clau en sistemes d'aigua ultrapura per a l'indústria farmacèutica, microelectrónica, generació d'energia i atres sectors d'alta exigència.

Història

Tradicionalment s'han portat a terme processos similars a este a través de electrodiálisis, pero a partir de cert nivell de purea, es convertia en un procés costós per l'elevat potencial requerit, per lo que no era útil per a obtindre aigua ultrapura.

Per a l'obtenció d'aigua d'un alt nivell de purea, el método de l'intercanvi de ions s'aplicava en el procés d'desmineralización en resines sintètica, que una volta saturades en l'excés de sals, tenien que ser regenerades en excés de reactius àcits i bases i seguidament neutralisar-se. En la década de 1950, William Katz, un ingenier químic que treballava per a una empresa especialisada en desionizar aigua, Ionics Incorporated, presenta un artícul en el nom "The present status of electric membrane demineralization" en la Conferència Internacional de l'Aigua, a on inclou una resina d'intercanvi iònic entre les dos membranes (a diferència de la electrodiálisis), que facilitava el moviment dels ions, per lo que no era necessari aplicar una diferència de potencial massa elevada quan la concentració de ions era massa baixa, permetent aixina el seu us per a obtindre aigua ultrapura. No obstant, no va tindre molt bona acceptació ya que els dispositius eren grans i costosos, ademés de no ser apropiats para aigües dures o en presència de matèria orgànica.

No va ser fins a trenta anys despuix en 1984, mentres treballava per a Millipore (ara propietat del Grup Merck), Harry O’Hare va obtindre la primera palesa d'un dispositiu de electrodesionización encara que, una volta més, no va tindre massa rellevància al principi, ya que en aquella época es preferien els sistemes d'òsmosis inversa. No va ser fins a uns anys despuix que es va escomençar a pensar en conectar el dispositiu EDI despuix de sistema de òsmosis, aplegant a uns nivells molt elevats de purea de l'aigua.

Química de la electrodesionización

Des del punt de vista químic, la EDI integra tres fenomens acoplats: intercanvi iònic, migració iònica baix camp elèctric i dissociació de l'aigua. En els compartimento de dilució, les resines capten els ions de la solució. De forma simplificada, una resina catiónica pot representar-se com:

$R-S{O}_{3}H+N{a}^{+}\rightleftharpoons R-S{O}_{3}Na+H^{+}$

i una resina aniónica com:

$R-N^{+}(C{H}_3{)}_{3}O{H}^{-}+C{l}^{-}\rightleftharpoons R-N^{+}(C{H}_3{)}_{3}C{l}^{-}+O{H}^{-}$     

Aixina, químicament, la resina substituïx els ions no desijats de l'aigua per H⁺ i OH⁻. A continuació, eixos ions capturats són arrastrats pel camp elèctric a través de les membranes cap als compartimento de concentració.

La traça distintiva de la EDI és la dissociació de l'aigua en l'interior del mòdul, especialment en els interfaços entre materials catiónicos i aniónicos. De manera simplificada:

$H_{2}O\rightleftharpoons H^{+}+O{H}^{-}$

Els protones i els hidroxilos generats regeneren contínuament les resines in situ, evitant la regeneració química externa. Per això, la EDI pot entendre's com un llit mixt d'intercanvi iònic en regeneració contínua per via elèctrica. Ademés, en els electrodos tenen lloc les reaccions de electrólisis de l'aigua: en el càtodo,

$2H_{2}O+2e^{-}⟶H_2+2O{H}^{-}$

i en l'ànodo,

$2H_{2}O⟶O_2+4H^{+}+4e^{-}$

Estes reaccions expliquen tant la formació de gasos com a part dels canvis locals de pH que condicionen el funcionament del sistema.

Esta química també explica algunes llimitacions operatives. La generació local de OH⁻ pot favorir la precipitació de hidròxit i carbonat de calcio i magnesi, donant lloc a incrustaciones. De la mateixa manera, espècies com el CO₂ reaccionen en OH⁻ per a formar bicarbonato i carbonat, aumentant la càrrega iònica efectiva d'entrada. Per això paràmetros com a durea, sílice, CO₂, oxidants i turbidez són crítics en EDI, especialment quan es treballa en alts nivells de recuperació.