INTERCAMBIO

IONICOINTEGRANTES:

FATIMA ROJAS

YOLANDA RIOS

INTERCAMBIO IÓNICO

• Desde 1850 Thompson y Way, 1906 Gans, 1935

Holmes y Adams, hasta la tecnología del

intercambio iónico ablandamiento del agua y agua

de alimentación en la ósmosis inversa.

• El intercambio iónico es una de las 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.

DEFINICION

• Es un método de separación química, y se

reconoce como una operación unitaria. Reacción

química que tiene lugar entre dos iones móviles de

una disolución y los iones de igual signo que se

hallan unidos a una partícula solida inmóvil. 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 alcanzar ya la separación

deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.

• La mayoría de los adsorbentes son resinas, compuestos

orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de

disponer de un residuo catiónico o aniónico intercambiable, y

gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar

fundamentalmente en el interior de las partículas, y

aumentado así el área de contacto. La separación se produce

debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y

aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección

del lecho favorecerá la separación de los iones y la eficacia

dependerá del equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de

transferencia de materia.

ALIMENTO AGENTE DE SEPARACION PRODUCTO PRINCIPIOS DE

SEPARACION

EJEMPLO

liquido resina solida liquido

+

resina solida

ley de accion de masas,

aplicada a inones o cationes

disponibles

ablandamiento de agua

EJEMPLO DE INTERCAMBIO IÓNICO ENTRE EL

SODIO Y EL POTASIO

• Propiedades generales:

Hinchamiento: facilita el movimiento de los iones dentro

de los gránulos e influye tanto en la velocidad del

intercambio como en la distribución.

• Cinética del intercambio iónico

Disfunción del ion a la superficie de la resina.

Difusión del ión a través de la resina l sitio del

intercambio.

Intercambio de los iones.

Difusión del ión cambiado a través de la resina a la

superficie.

Desorción y disfunción del ión cambiado en la solución

exterior.

TECNICA DEL INTERCAMBIO

IONICO• Concentrar un ión deseable en un pequeño volumen.

Ej. Separación de un alcaloide de una solución o extracto.

• Remover o separar un ión indeseable.

Ej. El agua purificada por calcio de la cual se desea

eliminar el ión calcio.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES IÓNICOS

• Los intercambiadores de iones pueden ser:

• Intercambiadores de cationes, que intercambian ionescargados positivamente (cationes).

• Intercambiadores de aniones que intercambian iones concarga negativa (aniones).

• Anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y anionesal mismo tiempo.

• El intercambio iónico puede explicarse como una reacciónreversible implicando cantidades químicamente equivalentes.

• Ejemplo

• Un ejemplo común del intercambio catiónico es la reacciónpara el ablandamiento del agua:

• Ca++ + 2NaR ↔ CaR + 2Na+

• Donde R representa un lugar estacionario aniónico univalenteen la malla del polielectrolito de la fase intercambiador.

SUSTANCIAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

• Las sustancias de intercambio iónico presentan

determinada selectividad o afinidad influenciada por las

propiedades de las sustancia, los iones intercambiados,

la solución en la cual están presentes los iónes, la

magnitud de la carga y el tamaño de los iónes.

Las sustancias intercambiadores se clasifican en:

• origen naturales arcillas zeolitas , resinas

naturales y permutitas.

• sintéticos resinas sintéticas, carbónsulfonado.• Los intercambiadores de iones suelen contener resinas

de intercambio iónico porosas o en forma de

gel, zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo.

RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO• Características

Una resina de intercambio iónico puede considerarse como unaestructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentranunidos de forma rígida grupos iónicos libres. Estas cadenas seencuentran unidas transversalmente formando una matriztridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde elgrado de reticulación o entrecruzamiento determina la estructuraporosa interna de la misma.Como los iones deben difundirse en el interior de la resina paraque ocurra el intercambio, la selección del grado de reticulaciónpuede limitar la movilidad de los iones participantes.Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con lasde otros iones, de signo opuesto, denominados contraiones, queestán libres y que son los que se intercambian realmente con losdel electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, loscambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuandoson aniones se denominan aniónicos.

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO SO DE DOS TIPOS: • Intercambiadores catiónicos

Contiene grupos activos ácidos que : sulfónico, carboxílico, fenólico, fosfórico.

Acido fuerte y acido débil.

• Intercambiadores aniónicos

• Contiene grupos amínicos: NH2, NHR, NR2

Base fuerte y base débil.

INTERCAMBIO IÓNICO EN LECHO FIJO

• La operación de intercambio iónico se realiza

habitualmente en semicontinuo, en un lecho fijo de

resina a través del cual fluye una disolución. El régimen

de funcionamiento no es estacionario por variar

continuamente la concentración de los iones en cada

punto del sistema. Las instalaciones constan

generalmente de dos lechos idénticos, de forma que si

por uno de ellos circula la disolución que contiene los

iones que se desea intercambiar, el otro se está

regenerando

EVOLUCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN EN UN LECHO

DE INTERCAMBIO IÓNICO

CAPACIDAD DE LA RESINA

El valor de la concentración de iones que pueden ser

retenidos por una unidad de peso de resina.

La determinación de la capacidad máxima de una resina

catiónica se realiza intercambiando ésta con una disolución

básica: se produce una reacción irreversible entre el catión

saliente de la resina con los iones OH- de la disolución de

tal forma que si existe suficiente concentración de soluto

llega a agotarse la capacidad total de la resina

Aplicaciones

• El intercambio iónico es utilizado para diversos fines entre losque se destacan :

• Ablandamiento, separación de calcio y magnesio.

• Desmineralización

• Tratamiento de agua. Este es un proceso típico para ablandaro desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarsedespués de un tratamiento previo adaptado a cada calidad deagua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminaciónde las materias en suspensión, materias orgánicas, clororesidual, cloraminas.

• Proceso muy utilizado en las fábricas textiles.

• El intercambio iónico es utilizado ampliamente en la industriasde alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, acabado demetales, química y petroquímica, farmacéutica, azúcar yedulcorantes, agua subterránea y potable, nuclear,ablandamiento industrial del agua, semiconductores, energía,acabado textil.

APLICACIONES FARMACEUTICAS

• Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la

separación de alcaloides en solución o contenido en

extractos vegetales.

• De dos modos:

• Con intercambiadores catiónicos o con aniónicos.

• A si mismo se han separado aminoácidos, proteínas,

enzimas, hormonas , vitaminas, antibióticos. Como la

penicilina, se separa con intercambiadores, esta se

fija sobre resinas carboxílicos y es eludida con ácidos

minerales.

• Desintegrantes en la elaboración de comprimidos.

• Prolongar el efecto de algunos fármacos.

Diagrama de flujo

• Esquema de un proceso de desionización de agua.

Intercambio iónico

REGENERACION DE RESINAS DE INTERCAMBIO IONICOTipos de regenerantes El cloruro de sodio (NaCl) se emplea normalmente para regenerar las resinas fuertemente ácidas usadas

en ablandamiento, y las resinas fuertemente básicas en la eliminación de nitratos.

En ablandamiento, el cloruro de potasio (KCl) puede también emplearse cuando la presencia de sodio en la solución tratada es indeseable.

En ciertos procesos de tratamiento de condensados muy calientes, el cloruro de amonio (NH4Cl) se puede utilizar también.

En la eliminación de nitratos, la resina fuertemente básica se puede regenerar con otros compuestos que producen iones de cloruro, tales como el ácido clorhídrico (HCl).

y a veces más barato, pero es menos eficaz que el clorhídrico: la capacidad útil de la resina SAC es En el proceso de descationización — la primera etapa de una desmineralización — la resina fuertemente ácida (SAC) se debe regenerar con un ácido fuerte. Los regenerantes más comunes son el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico.

El ácido clorhídrico (HCl) es muy eficaz y no produce precipitados en el lecho de resina.

o El ácido sulfúrico (H2SO4) es más fácil de transportar y almacenar menor. Además, su concentración se debe ajustar precisamente para impedir la precipitación de sulfato de calcio en la resina (detalles abajo). Una vez precipitado en la columna, CaSO4 es muy difícil disolver de nuevo.

o El ácido nítrico (HNO3) se puede también emplear, por lo menos en principio, pero no es recomendado, porque puede producir reacciones muy exotérmicas, hasta explosiones. Por lo tanto, hay que considerar el ácido nítrico como peligroso.

o En descarbonatación, lo mejor es regenerar la resina débilmente ácida (WAC) con ácido clorhídrico (HCl). El sulfúrico se debe aplicar a concentraciones muy bajas (< 0,8%) para que no precipite sulfato de calcio. La cantidad de agua de dilución es por lo tanto muy grande. Otros ácidos más débiles pueden también regenerar resinas WAC, por ejemplo el ácido acético (CH3COOH) o el ácido cítrico, una molécula con tres grupos —COOH: (CH2COOH-C(OH)COOH-CH2COOH = C6H8O7).

o En desmineralización las resinas fuertemente básicas se regeneran siempre con sosa cáustica (NaOH) aunque la potasa cáustica (hidróxido de potasio KOH) es otra opción, pero en general más cara.

o resinas débilmente básicas (WBA) se regeneran en general también con sosa cáustica, pero otras bases más débiles se pueden emplear:

o Amoníaco (NH4OH)

o Carbonato de sodio (Na2CO3)

Concentraciones

NaCl (ablandamiento y eliminación de nitratos): 10 %

HCl (descationización, descazrbonatación y desmineralización): 5 %

NaOH (desmineralización): 4 %

H2SO4: con resinas fuertemente ácidas, se debe ajustar la concentración del ácido sulfúrico con mucho cuidado entre 0,7 y 6 % según la proporción de calcio en el agua bruta (la cual es la misma en la resina).Empieza con una concentración baja de ácido sulfúrico, y luego se aplica una concentración más alta una vez eluida la mayor parte de los iones de calcio. Una tercera etapa se aplica a veces con una concentración aún más alta. La primera concentración es en general entre 1 y 2 %, y la segunda concentración es doble. De tal manera se puede reducir el volumen de agua de dilución, la regeneración es más eficaz y la capacidad útil más alta.

APLICACIONES

INDUSTRIALES

• Ablandamiento del agua

Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina. El agua ablandada sirve para varios usos:

Lavanderías

Calderas domésticas

Calderas industriales de baja presión

Industria textil

DESCARBONATACION

• En muchas regiones del mundo las aguas naturales contienen bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos se pueden elminar con resinas débilmente ácidas en forma hidrógeno. Este proceso se llama también eliminación de la dureza temporal. El agua tratada contiene gas carbónico que se puede eliminar con una torre de desgasificación. La salinidad del agua tratada es más baja que la del agua bruta. Agua descarbonatada sirve:

para tratar el agua de producción de cerveza y otras bebidas

para ablandar las aguas de abastecimiento en ciudades y pueblos

en casa, para filtrar, ablandar y desmineralizar parcialmente el agua para hacer café o té

como etapa inicial antes de una desmineralización completa

DESMINERALIZACION

• Para eliminar todos los iones, el agua pasa primero a

través de una columna intercambiadora de cationes en

forma hidrógeno, después a través de una columna

intercabiadora de aniones en forma base libre o

hidroxilo. Todos los cationes se cambian por iones H+ de

las resinas catiónicas, y los aniones por iones OH—de las

resinas aniónicas. Estos iones se recombinan formando

nuevas moléculas de agua (H2O). El agua tratada no

contiene sino trazas de sodio y de sílice.

CATALISIS

• Un catalizador es un compuesto que aumenta la

velocidad de una reacción química hasta su equilibrio sin

ser consumido durante la reacción. La mayoría de las

reacciones químicas, especialmente en la industria

petroquímica, donde se solía emplear un ácido

inorgánico como catalizador, se catalizan hoy con

resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas en

forma H+. Estas resinas funcionan en condiciones

difíciles, especialmente a temperaturas altas (130 – 170

°C), y deben tener la acidez más elevada posible.

Mencionaremos unos ejemplos:

• La alquilación

Producto Octilfenol

Reactantes Octano + fenol

Catalizador Amberlyst 15Dry

Temperatura 100 – 120 °C

• Condensación

Producto Bisfenol A

Reactantes Acetona + fenol

Catalizador Amberlyst 131

Temperatura 60 – 80 °C

• Esterificación

Producto Metil-ter-butil éter (MTBE)

Reactantes Isobutileno + metanol

Catalizador Amberlyst 35

Temperatura 40 – 80 °C

• La deshidratación

Producto Isobutileno

Reactantes Isobutanol

Catalizador Amberlyst 35

Temperatura 70 – 80 °C

• La hidrogenación

Producto Metil-isobutilcetona (MIBK)

Reactantes Acetona

Catalizador Amberlyst CH28 (dopado con paladio)