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PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO

Diseño de

Procesos

Industriales I

ESTUDIANTES:

CALLE CUENTAS EDDY

FLORES MOLLO CLAUDIA ADELINA

MACHACA TOLA ALISON SUSAN

POMA SANCHEZ CARLA JIMENA

QUISPE MOLLO ABIGAIL LOURDES

SANJINÉS CHOQUEVILLCA FABRICIO

DOCENTE:

ING. MIGUELYUCRA

FECHA: 31 DE MARZO DE 2014

Diseño de Procesos Industriales I

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INTERCAMBIO IÓNICO

1. DEFINICIÓN

El intercambio iónico es una operación unitaria, que tienen como función la separación, que está

basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Que involucra la transferencia de uno o más

iones, de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que

se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del

proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los

sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.

El intercambio iónico está basado en la adsorción, que es un proceso de separación de ciertos

componentes de una fase fluida hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente

pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido pasa

continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y no es posible

alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.

2. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO CON ZEOLITAS

2.1 ¿Qué son las Zeolitas?

Es un compuesto químico tan imperfectamente estabilizado que su composición cambiará de

acuerdo con la concentración de las substancias en solución. Las zeolitas se usan para el

ablandamiento del agua.

FIGURA 1: Zeolita

Fuente: picture source: www.answers.com

Son minerales volcánicos naturales con un gran numero de características que lo hacen único. Las

zeolitas se forman cuando la ceniza volcánica se deposito en lagos antiguos alcalinos. La

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interacción de la ceniza volcánica con las sales del agua de los lagos produjo la alteración de la

ceniza produciendo distinto tipo de materiales de zeolita.

Comprenden un numeroso grupo de hidrosilicatos que presentan una estrecha semejanza en la

composición química, en la asociación geológica y el yacimiento. En sentido general el nombre de

Zeolita proviene de dos palabras griegas:

2.2 Estructura de la Zeolitas

Tienen una estructura cristalina inusual y una habilidad extraordinaria de intercambiar iones. En su

estructura existe una gran cantidad de canales. Estos canales son normalmente de diámetros entre

0.5 a 0.7 nm, esto es solo un poco más grandes que el diámetro de las moléculas de agua. Esta

propiedad se denomina micro-porosidad. Además de esto existe un número de poros más grandes,

denominado meso-porosidad.

Figura 2: ESTRUCTURA DE LA ZEOLITA

FUENTE: zeolitas.blogspot.com

“lithos”

piedra.

“zein”

hervir

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Figura 3: Dos estructuras zeolíticas, note los tetraedros y las estructuras tipo túnel

(poros).

FUENTE: www.uclm.es

2.3 Composición mineralógica de la Zeolitas

Mineral compuesto fundamentalmente por Silicio y Aluminio, se presenta preferentemente en las

rocas de origen volcánico, en las cuales se agrupan en grandes cantidades que les permite formar

yacimientos. Investigaciones han determinado un total aproximado de 40 minerales pertenecientes

a la familia de las Zeolitas, siendo los más importantes:

Analcima

Chabacita

Clinoptilolita

Erionita

Mordenita

Faujasita

Ferrierita

Heulandita

Gismondita

Natrolita.

Debido al origen volcánico de las Zeolitas, sus yacimientos naturales no son tan abundantes, lo

que ha dado lugar a que se hayan diseñado diferentes métodos para su obtención artificial. Las

Zeolitas son combinaciones hidratadas, donde el agua se encuentra en ellas unida flojamente, por

consecuencia de la estructura, el agua presente en la estructura de las Zeolitas se puede

desprender por calor de modo continuo sin que se altere la estructura del mineral. El agua

desalojada se puede reincorporar colocada el mineral en atmósfera húmeda, y hasta es posible de

substitución en contacto con otras substancias. La mayor parte de las Zeolitas son silicatos

aluminicocálcicos o aluminicoalcalinos, semejantes a feldespatos y feldespatoides, de los cuales

no pocas veces derivan por meteorización o descomposición hidrotermal.

Las Zeolitas se encuentran insertas en las cavidades de las rocas volcánicas jóvenes y sus tobas,

pero no son ajenas a las drusas y hendiduras de las rocas eruptivas antiguas y las pizarras

cristalinas. Se ha comprobado además su presencia en los filones minerales, en ciertos

yacimientos de magnetita, en las calizas metamórficas de contacto y como formación reciente de

algunas termas. Las Zeolitas se consideran también elementos normales constitutivos de las rocas

magmáticas, debido a un proceso temprano de segregación. Genéticamente, las Zeolitas casi

siempre aparecen originadas en aguas termales, unas veces por cristalización directa de la

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disolución en las hendiduras y cavidades semejantes, y otras por formación secundaria mediante

pseudomórfosis de minerales de la familia de los feldespatos y sus afines.

2.4 Composición química de la Zeolitas

La composición química de las rocas Zeolíticas puede variarse por el proceso de Intercambio

iónico, (propiedad inherente a las Zeolitas) pero sólo en aquellos cationes intercambiables

presentes en la misma como Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio y otros. Durante este intercambio

iónico las Zeolitas se comportan atendiendo a sus propias leyes para este proceso, la más

importante es el orden de selectividad o afinidad por los cationes.

Atendiendo a las características de selectividad que presentan las Zeolitas, a su composición

química y mineral, a los tiempos de duración de los procesos de difusión externa e interna de los

iones durante el intercambio, así como a la influencia de la temperatura y la concentración iónica

de la solución de intercambio, se logran las composiciones deseadas de los iones de las rocas

Zeolíticas.

La carga negativa en las zeolitas es compensada por cationes del tipo N+, K+ o NH4+, los se

disponen en el interior de la estructura. Estos cationes son móviles y susceptibles de ser

intercambiados por otros. Una reacción típica de intercambio iónico sería la siguiente:

Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+

Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales, y pertenecen al grupo de los tectosilicatos.

Existen unas 40 zeolitas naturales y más de 150 sintéticas. Algunas zeolitas naturales incluyen:

Mineral Fórmula

Natrolita Na2(Al2Si3O10)·2H2O

Chabazita (Ca,Na)2 (Al2Si4O12)·6H2O

Analcima Na(AlSi2O6)·H2O

Stilbita Ca(Al2Si7O18)·7H2O

Heulandita Ca(Al2Si7O18)·6H2O

Laumontita Ca(Al2Si4O12)·4H2O

Mesolita Na2Ca2(Al2Si3O10)·3H2O

Thompsonita NaCa2(Al,Si)10O20·6H2O

2.5 Principales propiedades de las Rocas Zeoliticas

Las principales propiedades físico-químicas más importantes de las Zeolitas naturales y en función

de sus utilidades agrícolas son:

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Las Zeolitas actúan como catalizadores en procesos relacionados con la fisiología de los

vegetales. Las Zeolitas resultan ser verdaderos intercambiadores catiónicos, alcanzando una

capacidad de intercambio superior a los 200 meq./100 grs. de zeolita.

La propiedad de Intercambio catiónico de las Zeolitas se debe a su estructura cristalina muy

característica. La Zeolita es un mineral de Silicio (silicato) donde existe un arreglo de los átomos de

silicio, oxígeno y aluminio tal, que forman una estructura cristalina tridimensional rígida que deja

pequeñas cavidades interconectadas llamadas microporos que son los que constituyen los

canales. Es en estos canales donde ocurren las reacciones físico-químicas de las Zeolitas, entre

ellas el intercambio catiónico.

En las Zeolitas naturales aparecen iones de Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Fierro, entre varios

otros, los que se presentan coordinados en la estructura cristalina y pueden ser reemplazados por

otros iones, sin alterar en lo absoluto la composición de sílice-aluminio de la estructura cristalina,

esta es la esencia del intercambio catiónico.

Considerando que las Zeolitas son capaces de intercambiar los iones que presenta en sus canales

por otros, es que utilizando soluciones con una adecuada concentración obtenemos zeolitas con

una composición iónica específica y en correspondencia con nuestras necesidades.

En los espacios libres de los canales de las zeolitas se incorporan moléculas de agua o gases, los

cuales pueden ser desplazados por otras moléculas, confirmando de esta manera la absorción de

agua y gases.

2.6 ¿Cómo funciona el Intercambio con Zeolitas?

El proceso consiste en la reducción de la dureza de carbonatos, por la adición de cal hidratada y

usualmente un coagulante para acelerar la sedimentación del carbonato de calcio que es insoluble.

El efluente se hace pasar a continuación por suavizadores de zeolita, en los que se lleva acabo el

ablandamiento, se acostumbra filtrar el agua penetrada, antes de alimentarla a las unidades de

zeolita aunque en algunos casos omiten el uso de los filtros.

Figura 4: Proceso de Intercambio Iónico con Zeolitas

Catálisis

Intercambio Catiónico

Absorción-adsorción

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2.7 ¿Para qué sirve las Zeolitas en Intercambio Iónico?

Sirve para eliminar la dureza del agua incluyendo el hierro y el manganeso si estos componentes

pueden mantenerse en forma iónica reducida.

3. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO CON RESINAS SINTÉTICAS

3.1 ¿Qué son las Resinas?

La resina es una secreción orgánica que producen muchas plantas, particularmente los árboles del

tipo conífera. Es muy valorada por sus propiedades químicas y sus usos asociados, como por

ejemplo la producción de barnices, adhesivos y aditivos alimenticios. También es un constituyente

habitual de perfumes o incienso.

Es la sustancia sólida o de consistencia pastosa, insoluble en el agua, soluble en el alcohol y en

los aceites esenciales, y capaz de arder en contacto con el aire, obtenida naturalmente como

producto que fluye de varias plantas.

La resina es una mezcla compleja de terpenos, ácidos resínicos, ácidos grasos y otros

componentes complejos: alcoholes, ésteres, etc. La proporción de cada componente es función de

la especie arbórea y el origen geográfico. Valores típicos son:

60-75 % de ácidos resínicos.

10-15 % de terpenos.

5-10 % de sustancias varias y agua.

Por destilación a presión ambiente, es posible separar dos fracciones:

60 - 75 % de Colofonia.

15 - 25 % de aguarras y agua.

Resinas sintéticas o polímeros: Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros.

Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se

usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen

de ésteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas.

Son adsorbentes comerciales que se caracterizan por grandes áreas superficiales de los poros,

que van desde 100 hasta más de 2000 m2/g.

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Las resinas sintéticas se definen como sustancias sólidas o semisólidas, obtenidas por reacción

química de materias primas resinosas y no resinosas y que poseen aspectos y propiedades físicas

análogas a las resinas naturales, aunque tengan diferente composición química y también diferente

comportamiento respecto a los distintos reactivos. Se tienen las siguientes resinas sintéticas:

Poliéster: Las resinas de poliéster (termoestables) se usan también como matriz para la

construcción de equipos, tuberías anticorrosivas y fabricación de pinturas. Para dar mayor

resistencia mecánica suelen ir reforzadas con cortante, también llamado endurecedor o

catalizador, sin purificar.

Poliuretano: Los poliuretanos termoestables más habituales son espumas, muy utilizadas

como aislantes térmicos y como espumas resilientes. Entre los poliuretanos termoplásticos

más habituales destacan los empleados en elastómeros, adhesivos selladores de alto

rendimiento, suelas de calzado, pinturas, fibras textiles, sellantes, embalajes, juntas,

preservativos, componentes de automóvil, en la industria de la construcción, del mueble y

múltiples aplicaciones más.

Resina epoxi: Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se

endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor». Las resinas epoxi

más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol A.

Acrílicos: Dentro de los plásticos de ingeniería podemos encontrarlo

como polimetilmetacrilato, también conocido por sus siglas PMMA. La placa de acrílico se

obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que

se encuentra en la industria del plástico es en gránulos ('pellas' en castellano; 'pellets' en

inglés) o en placas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las placas

para termoformado o para mecanizado.

Viniléster: El viniléster es un tipo de resina muy resistente a la corrosión, incluso de

ácidos. Soporta altas temperaturas, el exterior y la fatiga. También tiene buenas

propiedades de aislamiento tanto térmico como eléctrico.

Composites: Los composites o resinas compuestas son materiales sintéticos que están

mezclados heterogéneamente y que forman un compuesto, como su nombre indica. Están

compuestos por moléculas de elementos variados.

3.2 ¿Cómo funciona el Intercambio Iónico con Resinas?

El intercambio iónico es una reacción química reversible, que tiene lugar cuando un ión de una

disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida

inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica

como en las células vivas.

Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua

normalmente tiene muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el

agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para algunos usos del agua.

Las resinas de intercambio iónico poseen un radical fijo y un ión móvil o ión de sustitución. El ión

móvil es el ión que es intercambiado por iones que desean eliminarse de la solución y este

intercambio sólo funciona entre iones de igual carga eléctrica: cationes por cationes y aniones por

aniones.

En general las resinas de intercambio iónico operan en columnas, para favorecer el proceso de

intercambio, parecido a la destilación o la destilación en bandejas. La reacción de intercambio se

desplaza en el lecho de resina, generalmente hacia los niveles inferiores.

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Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que

posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones y debido a esto, en un

momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto pase

de iones no deseados en el agua producida y se dice que esta resina está "agotada" o saturada de

los iones que ha atrapado.. Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico,

se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del

proceso. Cuando se llega a la concentración pre establecida, se debe proceder a regenerar la

resina, para poderla utilizar en un nuevo ciclo.

Una representación simplificada de lo que está sucediendo en los sitios activos de la resina se

puede ver en esta figura.

A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha disolución

desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La eficiencia de este proceso

depende de factores como la afinidad de la resina por un ion en particular, el pH de la disolución si

el grupo activo tiene carácter ácido y básico, la concentración de iones o la temperatura. Es obvio

que para que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la

resina y viceversa. Este movimiento se conoce como proceso de difusión. La difusión de un ion

está en función de su dimensión, carga electroestática, la temperatura y también está influenciada

por la estructura y tamaño de poro de la matriz. ). El proceso de difusión tiene lugar entre zonas de

distinta concentración de iones, de más concentrado a menos, hasta que tengan la misma

concentración.

Resina de intercambio iónico en ciclo sodio, en proceso de suavización del agua y durante

el paso de regeneración de la capacidad de intercambio de la resina

En esta reacción química, el calcio Ca+2 se intercambia por su equivalente que son dos iones sodio

Na+. Químicamente esta reacción es de intercambio o desplazamiento y el grado o extensión en

que se lleva a efecto tal reacción depende de factores tales como: temperatura, pH, concentración

de la especie en solución y naturaleza del ión. Para la reacción anterior, la constante de equilibrio

sería:

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Para una temperatura determinada K, la constante de equilibrio, tiene un valor fijo que depende de

la naturaleza del ión que es desplazado y del que se adhiere a la superficie del polímero. Por

ejemplo, si sobre la superficie de la resina se tienen iones hidrógeno la reacción sería:

El valor de la constante de equilibrio es:

Es evidente que K1 y K2 serán diferentes para las dos reacciones anteriores. También, el

desplazamiento o sentido de la reacción, de acuerdo al principio de Le Chatellier, dependerá de la

concentración de las especies en solución, y este hecho se aplica para la regeneración de la resina

intercambiadora. Por ejemplo: para regenerar una resina saturada en calcio se revierte el equilibrio

incrementando sensiblemente la concentración de sodio y la reacción sería:

En otras palabras, si a una resina saturada en calcio se le agrega una solución de alta

concentración de sodio, los iones sodio desplazan el calcio de los sitios activos de la resina y la

resina se "regenera".

De igual manera, si a una resina saturada en calcio se le agregan iones hidrógeno en alta

concentración, los sitios activos son ocupados por hidrógeno y la resina vuelve a su condición

original.

En la práctica o en el "mundo real", los iones que se adhieren a los sitios activos de la resina son

de muy diferente tipo y pueden ser removidos total o parcialmente durante el proceso de

regeneración.

Si la naturaleza o la concentración de los iones en solución son similares, el orden de preferencia o

la selectividad de la resina para los diferentes iones es la que se presenta en la Tabla I.

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Tabla I: Orden de selectividad decreciente de los iones en resinas de intercambio iónico, a

igual concentración de la especie en solución.

3.3 ¿Cómo funciona el Intercambio Iónico con Resinas?

Las resinas de intercambio iónico descritas pueden tener diversos usos comerciales e industriales,

incluyendo:

Suavización/ablandamiento. El ablandamiento del agua es una técnica que sirve para

eliminar los iones que hacen a un agua ser dura, en la mayoría de los casos iones de

calcio y magnesio. En algunos casos iones de hierro también causan dureza del agua.

Desalcalinización. La desalcalinización a través de resinas de intercambio aniónico es

lograda a través del intercambio de cloruro por alcalinidad carbonática y bicarbonática, por

lo que el agua tratada es enriquecida con cloruros. La resina agotada es regenerada con

cloruro de sodio, parecido a un ablandador de agua.

Desmineralización. Eliminación de las sales minerales disueltas en un líquido,

generalmente agua.

Eliminación de nitratos. Eiminación de las grandes cantidades de nitratos contenidos en

el agua.

Pulido de condensado. El pulido de condensados es una aplicación de especialidad en

la que las resinas de intercambio iónico se utilizan para la remoción de productos de

transporte de corrosión así como la remoción de trazas de impurezas iónicas. Esto

requiere el uso de resinas que tienen excelentes características de filtración así como

capacidad de intercambio iónico y que pueden resistir las altas temperaturas y caudales de

flujo encontrados en los sistemas condensados. Las resinas de pulido también deben tener

niveles bajos de impurezas orgánicas e iónicas para que no filtren contaminantes

objetables en el agua tratada

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Control de contaminación, eliminación de COV. Los orgánicos volátiles son un legado

desafortunado, contaminando muchos suministros de agua potable y se encuentran

frecuentemente en agua residual y descargas de agua de lluvia. Los COV incluyen

solventes utilizados en el lavado en seco así como otros residuos orgánicos volátiles de

diversos desengrasantes y otras actividades industriales y de fabricación de productos

químicos.

Tratamiento de agua. Las resinas de intercambio iónico son particularmente buenas para

las aplicaciones de bomba y tratamiento en especial para la remoción de trazas de

contaminantes sin alterar la química del agua para el suministro.

La selección de resinas apropiadas para aplicaciones específicas se determina a través del análisis

del agua de alimentación y la calidad de efluente que se desea.

Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos.

Detalle de las esferas de resina de intercambio iónico. El tamaño real de las esferas es superior a

0.2 mm para que no puedan pasar a través de las crepinas del desmineralizador, y generalmente

inferior a 1 mm.

BIBLIOGRAFÍA

1. Manual de tratamientos de agua H.E Hilleboe, Ed. Limusa 1995, Mexico

2. Métodos de ablandamiento de aguas subterráneas aplicadas a pequeñas comunidades,

Ana Maria Borja Villarroel, 1998, Tesis Ingeniería civil, UMSA

3. Avilla, I. J. (1999). Lo esencial acerca del intercambio iónico. Conferencia Anual de la

Water Quality Association (WQA).

4. Desmineralizadores. (2 de mayo de 2011). desmineralizadores. Recuperado el 28 de

marzo de 2014, de desmineralizadores: http://www.desmineralizadores.com/index.html

5. Geankopolis, C. (1998). Procesos de trasnporte y operaciones unitarias (Tercera Edición

ed.). México: Compañia Editorial Continental, S.A. de C.V.

6. ResinTech. (s.f.). resintech. Recuperado el 28 de Marzo de 2014, de resintech:

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