INTERCAMBIO INICO

INTERCAMBIO INICO2013

IntroduccinElintercambio inicoes un intercambio deionesentre doselectrolitoso entre una disolucin de electrolitos y uncomplejo. En la mayora de los casos se utiliza el trmino para referirse a procesos de purificacin, separacin, y descontaminacin de disoluciones que contienen dichos iones, empleando para ello slidos polimricos o minerales dentro de dispositivos llamadosintercambiadores de iones.Los intercambiadores de iones suelen contenerresinas de intercambio inico(porosas o en forma de gel),zeolitas,montmorillonita,arcillayhumusdel suelo. Los intercambiadores de iones pueden ser intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes), o intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa (aniones). Tambin hay cambiadoresanfterosque son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo. Sin embargo, el intercambio simultneo de cationes y aniones puede ser ms eficiente si se realiza en dispositivos mixtos que contienen una mezcla de resinas de intercambio de aniones y cationes, o pasar la solucin tratada a travs de diferentes materiales de intercambio inico.

CONDICIONES GENERALES: La operacin de intercambio inico comprende el intercambio entre los iones presentes en una disolucin (contaminantes) y los iones de un slido (resina).Las operaciones de intercambio inico son bsicamente reacciones qumicas de sustitucin entre un electrolito en solucin y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solucin los mecanismos de estas reacciones son tan parecidos a las operaciones de adsorcin que se considera como un tipo especial de adsorcin.Tipos de resinas de intercambio:CATINICAS: Intercambia iones positivos (cationes) Estructura con grupos funcionales cidos (resina cido fuerte/cido dbil) Ej. Fuerte: Ac. Sulfnica ANINICAS: Intercambia iones negativos (aniones) Estructura con grupos funcionales bsicos (resina base fuerte/base dbil). N total grupos funcionales/ud. peso o volumen resina determina la CAPACIDAD DE CAMBIO Tipo de grupo funcional determina la SELECTIVIDAD y POSICIN DEL EQUILIBRIO DE INTERCAMBIO.

INTERCAMBIO IONICO SERVIDORES FUNCIONALES

Funcionales qumicos tpicos usados para intercambio comercial.

GRUPOS FUNCIONALES

SELECTIVIDADLassustanciasdeintercambioinicopresentandeterminadaselectividado afinidadinfluenciadaporlaspropiedadesdelasustancia,losionesintercambiados, la solucin en la cual estn presentes los iones, la magnitud de lacarga y el tamao de los iones. Las resinas suelen ser mas selectivas hacia losiones de mayor carga y en caso de estar compitiendo iones de igual carga, sermas selectiva hacia los iones con numero atmico ms alto. Pero esta relacin, deafinidad se invierte en concentraciones altas, este es el motivo por el cual lasresinas son regenerables, se someten a soluciones de alrededor de 100.000 ppmde cloruro de sodio, en el caso de regeneracin de resina para ablandamiento.Las resinas de intercambio inico presentan diferentes selectividades hacia losiones. A continuacinse detallan algunas seriestipicasde selectividadoafinidad de las resinas de intercambio inico, en orden decreciente (de mayor a menorselectividad):Resinascatinicas decidos fuertes: Ag+,Pb++,Hg++,Ca++,Cu++Ni++,Cd++,Zn++,Fe++, Mg++, K+, Na+, H+Ag+, Rb+, NH4+, K+, Na+, H+Li+Ba++, Sr++, Ca++, Co++, Cu++, Zn++, Mg++Resinas catinicas de cidos dbiles: H+, Cu++ Ca++, Mg++, K+, Na+Resinas aninicas de bases fuertes: CO=3, SIO=3,I-, HSO4-,NO-3,Br-, HSO-3,NO2-,Cl-, HCO3-, F-ClO4-, I-, NO3-, Br-, Cl-HCO3-, F-Resinas aninicas de bases dbiles: SO=4 CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F

Para intercambio monovalente entre cationes:A+ + R-B + X- = R-A + B++ + X-Para Intercambio catinico divalente-monovalente:D++ + R 2R-B + + 2X- = R2-D ++ + 2B+ + 2X- A+y B+: contraiones; X: co-in.

RESINAS DE INTERCAMBIO INICO

RESINAS CIDAS FUERTES: Esqueleto slido: Poliestireno entrecruzado con divinilbenceno (DVB) Resinas Comerciales con 2-12% DVB Matriz polimrica retiene los grupos funcionales negativos (carga fija) e intercambia cationes Grupo funcional ms caracterstico resinas cido fuerte es el grupo benceno-sulfnico Operan a cualquier pH Son las preferidas para suavizacin y es la primera unidad en undesmineralizador de dos lechos.*(a) RESINA CIDA FUERTEAcido Benceno sulfnico

RESINAS CIDAS DBILES: Esqueleto slido: Copolmeros de DVB y Ac. Acrlico o metacrilato Tienen grupos carboxilicos como los sitios de intercambio Son altamente eficientes en su regeneracin Son sometidas a una capacidad reducida de un incremento en el flujo volumtrico, bajas temperaturas y una relacin de dureza a alcalinidad por debajo de uno Parcialmente ionizadas (menor capacidad de cambio) No se pueden utilizar a pH bajos La resina de acido dbil es regenerada con el cidop de desecho de la unidad de cido fuerteResinas de Intercambio Inico.

*(c) RESINA CIDA DBILAcido poliacrlico entrecruzado con DVB

RESINAS BSICAS FUERTES: Esqueleto slido: Poliestireno entrecruzado con divinilbenceno Grupo funcionales amonio cuaternario constituyen las cargas fijas positivas Resinas equivalentes a NaOH aunque pueden degradarse a T>60C, particularmente a altos pH Los dos principales grupos son Tipo I y Tipo II Las de tipo I tienen 3 grupos metilo Las de Tipo II un grupo etanol reemplaza uno de los grupos metilo.

*(b) RESINA BASE FUERTEEstructuras de amonio cuaternario

RESINAS BASICAS DBILES: Amplia variedad Ej. Estructura polimrica de poliestireno-DVB pero con grupos amina ternaria No se utilizan a alto pH Pueden sufrir problemas de oxidacin y ensuciamiento.*(d) RESINA BASE DBILAmina ternaria sobre poliestireno

INTERCAMBIO EN LECHO FIJO

La operacin de intercambio inico se realiza habitualmente en semicontinuo, en un lecho fijo de resina a travs del cual fluye una disolucin. El rgimen de funcionamiento no es estacionario por variar continuamente la concentracin de los iones en cada punto del sistema. Las instalaciones constan generalmente de dos lechos idnticos, de forma que si por uno de ellos circula la disolucin que contiene los iones que se desea intercambiar, el otro se est regenerando. Al inicio de la operacin de un lecho, la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar cerca de la entrada del lecho donde el fluido se pone en contacto con intercambiador fresco. A medida que transcurre el tiempo, el slido prximo a la entrada se encuentra prcticamente saturado y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar lejos de la entrada. Debido a la resistencia que opone el sistema a la transferencia de iones desde el seno del lquido a los centros de intercambio, se establece un gradiente de concentracin en el lecho (Figura 1). La regin donde ocurre la mayor parte del cambio de concentracin es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona virgen de la resina y la de saturacin y sus lmites frecuentemente se toman como c/co = 0,95 a 0,05. A medida que progresa el intercambio inico la zona de transferencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior (figura 2), instante a partir del cual la disolucin de salida contendr cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.

El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operacin en el lecho hasta que los iones de la disolucin aparecen en la corriente de salida o ms concretamente, cuando se alcanza la mxima concentracin permisible en el efluente, se denomina Tiempo de ruptura (tR). En este momento, la corriente se desviara a un segundo lecho, iniciando el proceso de regeneracin del primero. La curva que representa la evolucin de la concentracin del efluente que abandona el lecho recibe el nombre de Curva de ruptura. (Fig. 3) El conocimiento de la curva de ruptura, es fundamental para el diseo de un lecho fijo de intercambio inico, y en general debe determinarse experimentalmente, dada la dificultad que entraa su prediccin .

DETERMINACIN DE LA CAPACIDAD DE LA RESINA

Se define como Capacidad de la resina el valor de la concentracin de iones que pueden ser retenidos por una unidad de peso de resina. Suele expresarse como meq de soluto retenidos/g resina seca. La capacidad de la resina es un parmetro fundamental para la seleccin del intercambiador ya que generalmente se requieren capacidades altas para la separacin o purificacin a realizar. La determinacin de la capacidad mxima de una resina catinica se realiza intercambiando sta con una disolucin bsica: se produce una reaccin irreversible entre el catin saliente de la resina con los iones OH- de la disolucin de tal forma que si existe suficiente concentracin de soluto llega a agotarse la capacidad total de la resina. Para el clculo de la capacidad de la resina en lecho fijo en unas condiciones determinadas es necesario conocer cul es la cantidad total de soluto retenido por la misma.Este valor se puede determinar a partir de la curva de ruptura del sistema en funcin del volumen eludo (figura 4), calculando el rea de la zona comprendida entre la curva de ruptura y la lnea recta horizontal correspondiente a la concentracin de la disolucin de entrada. Dividiendo este valor entre el peso total de resina contenido en la columna, se determinar la capacidad de la resina utilizada en ciertas condiciones.

FRACCIN DE LECHO UTILIZADO

La fraccin de lecho utilizado en el punto de ruptura o a cualquier tiempo de la operacin se puede determinar a partir de la cantidad de soluto retenida en ese punto y la capacidad de la resina.

La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calcula determinando el rea de la zona comprendida entre el tramo correspondiente de la curva de ruptura y la lnea recta horizontal que corresponde a la concentracin de la disolucin de entrada.

EJEMPLO EXPERIMENTAL :

. Consiste en una columna de vidrio (2 cm de dimetro) en la que se coloca cierta cantidad de resina de intercambio. Esta columna es alimentada alternativamente desde 3 4 depsitos por disoluciones de agua, HCl y NaOH mediante respectivas vlvulas. Una bomba de membrana, colocada a la salida de los depsitos, provoca el flujo de los diferentes fluidos. Se dispone de dos instalaciones para la realizacin de la prctica, la n1 consta de 20 g de resina seca, mientras que la n2 consta de 10 g. El anlisis del efluente de salida se realiza mediante medidas de conductividad. Como la concentracin de los diferentes iones es proporcional a la conductividad, se utilizarn conductividades normalizadas que equivalen a las concentraciones normalizadas (/0=C/C0).

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se realizarn dos experimentos con cada lecho de resina. En la instalacin n 1 se tratarn dos corrientes de NaOH 0,085 N con diferentes caudales de alimentacin, 50 ml/min y 35 ml/min. En la segunda instalacin se tratarn dos corrientes con concentraciones de NaOH 0,085 N y 0,14 N respectivamente, con un caudal de ali mentacin de 50 ml/min. Se proceder de la siguiente forma: 1) Se bombea agua destilada a travs del lecho, ajustando el caudal correspondiente alprimer experimento que se va a realizar, hasta asegurarnos de que la conductividad registrada sea constante y correspondiente a la del agua destilada. 2) Es importante que la resina nunca se encuentre seca, siempre debe quedar el lecho sumergido en cierta cantidad de lquido.3) Regeneracin de la resina: Se pasa una corriente de HCl 0,1N hasta que la conductividad del efluente de salida sea constante e igual a la de la disolucin de entrada. 4) Se vuelve a alimentar agua destilada hasta la total eliminacin del HCl residual. 5) A continuacin se van a obtener los datos necesarios para dibujar la curva de ruptura. Se cierra la vlvula de alimentacin de agua destilada y se abre la de alimentacin de NaOH. Se toma ese momento como tiempo cero y se anotan valores de la conductividad de la disolucin procedente de la columna cada 30s hasta obtener una lectura de conductividad constante e igual a la de disolucin de entrada (). 6) Se sustituye la corriente de NaOH por la de agua destilada hasta eliminar la sosa residual en la columna. 7) Se vuelve a regenerar la resina segn el apartado 3) y a bombear agua destilada segn el apartado 4). 8) Se repite el proceso del punto 5) para las nuevas condiciones de alimentacin.

RESULTADOS EXPERIMENTALES Se representa grficamente el cociente de valores de conductividad / frente al volumen eluido y de este modo, se obtiene la curva de ruptura del sistema. A partir de esta grfica y del caudal utilizado se puede calcular el tiempo de ruptura del sistema que sera el tiempo que tardara la disolucin alcalina que sale de la columna en alcanzar la concentracin de ruptura, siendo sta un 20% de la concentracin inicial. A partir de la curva de ruptura por integracin numrica se calcula el valor de la capacidad de la resina utilizada en el experimento la cantidad de soluto retenida en el tiempo de ruptura y la fraccin de lecho utilizada

APLICACIONES:

TRATAMIENTO DE AGUA- Ablandamiento de agua (Ca+2 o Mg+2 por Na+)- Desmineralizacin parcial (ablandamiento y eliminacinde carbonatos)

- Desmineralizacin completa (sin o con eliminacin desilicatos)

TRATAMIENTO DE EFLUENTES INDUSTRIALES- Compuestos orgnicos (hidrocarburos halogenados, compuestos fenlicos, detergentes...)- Efluentes radioactivos- Efluentes de industrias de plateado (Ni, Cr, Zn...)- Efluentes de industrias textiles.

BIBLIOGRAFA

1) Hines, A.L. y Maddox, R.M. (1985). Mass Transfer. Fundamentals and Applications. Prentice-Hall. New Jersey. 2) McCabe, W.L.; Smith, J.C. y Harriot, P. (1994). Operaciones unitarias de Ingeniera Qumica. McGraw-Hill. Madrid. 3) Perry, R.H. y Green, D.W. (Volumen III, 2001).Manual del ingeniero qumico. McGraw-Hill. Madrid.4)http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdf5) http:// /ingenieria/csalas/OPIV/intercambio_ionico.pdf

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