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2013

TRATAMIENTO DE AGUA

Ing. Levano

10/05/2013

INTERCAMBIO INICO


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INTERCAMBIO INICO 2013

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Introduccin

El intercambio inicoes un intercambio deiones entredoselectrolitos o entre una disolucin de electrolitos y uncomplejo.Enla mayora de los casos se utiliza el trmino para referirse a procesos de

purificacin, separacin, y descontaminacin de disoluciones quecontienen dichos iones, empleando para ello slidos polimricos ominerales dentro de dispositivos llamadosintercambiadores de iones.

Los intercambiadores de iones suelen contenerresinas de intercambioinico (porosas o en forma degel),zeolitas,montmorillonita,arcilla yhumusdel suelo. Losintercambiadores de iones pueden ser intercambiadores de cationes,que intercambian iones cargados positivamente (cationes), ointercambiadores de aniones que intercambian iones con carganegativa (aniones). Tambin hay cambiadoresanfteros que soncapaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo. Sinembargo, el intercambio simultneo de cationes y aniones puede serms eficiente si se realiza en dispositivos mixtos que contienen unamezcla de resinas de intercambio de aniones y cationes, o pasar lasolucin tratada a travs de diferentes materiales de intercambioinico.
http://es.wikipedia.org/wiki/Ionhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electrolitohttp://es.wikipedia.org/wiki/Complejo_de_coordinaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Intercambiador_de_iones&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Resina_de_intercambio_i%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Resina_de_intercambio_i%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Zeolitahttp://es.wikipedia.org/wiki/Montmorillonitahttp://es.wikipedia.org/wiki/Arcillahttp://es.wikipedia.org/wiki/Humushttp://es.wikipedia.org/wiki/Cationeshttp://es.wikipedia.org/wiki/Anioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Anf%C3%B3terohttp://es.wikipedia.org/wiki/Anf%C3%B3terohttp://es.wikipedia.org/wiki/Anioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Cationeshttp://es.wikipedia.org/wiki/Humushttp://es.wikipedia.org/wiki/Arcillahttp://es.wikipedia.org/wiki/Montmorillonitahttp://es.wikipedia.org/wiki/Zeolitahttp://es.wikipedia.org/wiki/Resina_de_intercambio_i%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Resina_de_intercambio_i%C3%B3nicohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Intercambiador_de_iones&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Complejo_de_coordinaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electrolitohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ion


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CONDICIONES GENERALES:

La operacin de intercambio inico comprende el intercambioentre los iones presentes en una disolucin (contaminantes) y los ionesde un slido (resina).Las operaciones de intercambio inico son

bsicamente reacciones qumicas de sustitucin entre un electrolito ensolucin y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto lasolucin los mecanismos de estas reacciones son tan parecidos a lasoperaciones de adsorcin que se considera como un tipo especial deadsorcin.

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.


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INTERCAMBIO IONICO SERVIDORES FUNCIONALES

Funcionales qumicos tpicos usados para intercambiocomercial.


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GRUPOS FUNCIONALES

SELECTIVIDADLas sustancias de intercambio inico presentan deter

minada se lect ividad o

a f i n i d a d i n f l u e n c i a d a p o r l a s p r o p i e d a d e s d

e l a s u s t a n c i a , l o s i o n e s intercambiados, la solucin en lacual 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, deaf in id ad se in vi er te en co nc en tr ac io ne s

altas, este es el motivo por el cual lasresinas son regenerables,

se someten a soluciones de alrededor de 100.000 ppmde cloruro desodio, en el caso de regeneracin de resina para ablandamiento.Las

resinas de intercambio inico presentan diferentes

selectividades hacia losiones. A continuacin se detallan

algunas series tipicas de selectividad o afinidad de la s re si na s


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de intercambio inico , en orden decreciente (de mayor a

menor selectividad):Resinas catinicas de cidos 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 monovalenteentre 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

.


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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

un

desmineralizador de dos lechos.

*(a) RESINA CIDA FUERTE

Acido Benceno sulfnico


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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


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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 FUERTE

Estructuras de amonio cuaternario


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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 DBIL

Amina ternaria sobre poliestireno


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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 suextremo inferior (figura 2), instante a partir del cual la

disolucin de salida contendr cantidades crecientes de los iones

que se desea intercambiar.


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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 deruptura (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, dadala dificultad que entraa su prediccin .


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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 unidadde 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 realizaintercambiando 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.


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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 dela cantidad de soluto retenida en ese punto y la capacidad de la

resina.

La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calculadeterminando 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.


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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


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normalizadas que equivalen a las concentraciones normalizadas

(/0=C/C0).

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALSe 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


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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 alimentacinde 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.


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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 elexperimento la cantidad de soluto retenida en el tiempo de

ruptura y la fraccin de lecho utilizada


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APLICACIONES:

TRATAMIENTO DE AGUA

- Ablandamiento de agua (Ca+2 o Mg+2 por Na+)- Desmineralizacin parcial (ablandamiento y eliminacin

de carbonatos)

- Desmineralizacin completa (sin o con eliminacin de

silicatos)

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.


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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

ingenieroqumico. McGraw-Hill. Madrid.

4)http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experiment

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5)http:// /ingenieria/csalas/OPIV/intercambio_ionico.pdf
http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdfhttp://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdfhttp://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/csalas/OPIV/intercambio_ionico.pdfhttp://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/csalas/OPIV/intercambio_ionico.pdfhttp://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdfhttp://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdf