Intercambio iónico
Resumen: Se defne el concepto de intercambio iónico, los pos de resina que se ulizan y la capacidad de estas, la ulidad de esta operación, y la evolución del lecho iónico en este proceso de adsorción. Se trata también r!fcamente alunas caracter"scas importantes de esta operación unitaria. #dem!s se analiza como e$emplo del intercambio intercambio iónico la des ionización y el ablandamiento ablandamiento del aua. Summary: %he ion e&chane concept is defned, the types o' resin used and the capacity o' these, the ulity o' this operaon, and the evoluon o' the ionic bed in this adsorpon process. Some important 'eatures o' this unitary operaon are also discussed raphically. In addion, the deionizaon and the so(enin o' the )ater are analyzed as an e&le o' ion e&chane.
Introducción
*l intercambio iónico es una reacción qu"mica reversible, este proceso ene luar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inor!nica como en las células vivas. +or sus propiedades como disolvente y su ulización en diversos procesos industriales, el aua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. as sales se disuelven en el aua separ!ndose en iones, cuya presencia es indeseable para los usos habituales del aua. *l medio para el intercambio iónico es conocido como resina de intercambio. *sta se presenta como un pol"mero sintéco de estructura ranular, confnada dentro de un recipiente. El intercambio iónico
*l intercambio iónico es una operación unitaria, que enen como 'unción la separación, se basa en la trans'erencia de materia -uidosolido, adem!s, involucra la trans'erencia de uno o m!s iones de la 'ase -uida al solido por intercambio intercambio o desplazamiento de iones de la misma cara,
que se encuentran unidos por 'uerzas electroest!cas a rupos 'uncionales superfciales. a efcacia del proceso depende del equilibrio solido -uido y de la velocidad de trans'erencia de materia. *ste proceso es de adsorción, ya que se basa en la retención de un ión en la superfcie de los sólidos por medio del comple$o de la es'era e&terior y por mecanismos de capa di'usa, pueden ser intercambiados intercambiados por iones de cara similar presentes en la solución. +ara que se pueda realizar esta operación se necesita un material, habitualmente denominado resinas de intercambio iónico, estas se pueden hallar en dos pos: intercambio intercambio de caones, los cuales son resinas que emiten iones hidróeno y el intercambio de aniones, los cuales son resinas que emiten iones hidro&ilo, hidro&ilo, ambas se pueden subdividir en 'uertes o débiles. /n e$emplo de este proceso es la des ionización del aua, la cual consiste en reducir la concentración de iones presentes en ella a niveles muy ba$os, para obtener una des ionización total se debe tomar en cuenta la concentración de iones en el aua, ya que
esta determina la capacidad de conducir la electricidad y la e'ecvidad del proceso de ionización se determina midiendo los par!metros de resisvidad o conducvidad. +ara esto se uliza una resina caónica de intercambio para eliminar los caones 0sodio, calcio, manesio, etc.1 y dos resinas aniónicas, una b!sica débil que absorber! los !cidos 'uertes y una b!sica 'uerte para intercambiar los aniones 0cloruro, sul'ato, bicarbonato, etc.1 a ulidad del intercambio iónico ene un amplio campo, como en las industrias de alimentos y bebidas, hidrometaluria, acabado de metales, qu"mica y petroqu"mica, 'armacéuca, az2car y enducolorantes, aua subterr!nea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del aua, semiconductores, ener"a, entre otras. *l proceso se desarrolla con un lecho que al inicio la mayor parte de la trans'erencia de materia ene luar cerca de la entrada del lecho donde el -uido se pone en contacto con intercambiador 'resco. # medida que transcurre el empo, el sólido pró&imo a la entrada se encuentra pr!ccamente saturado y la mayor parte de la trans'erencia de materia ene luar le$os de la entrada. 3ebido a la resistencia que opone el sistema a la trans'erencia de iones desde el seno del l"quido a los centros de intercambio, se establece un radiente de concentración en el lecho. a reión donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de trans'erencia de materia, esta zona separa la zona viren de la resina y la de saturación. # medida que proresa el intercambio iónico la zona de trans'erencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su e&tremo in'erior, instante a parr
del cual la disolución de salida contendr! candades crecientes de los iones que se desea intercambiar.
*l empo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la disolución aparecen en la corriente de salida o m!s concretamente, cuando se alcanza la m!&ima concentración en el e-uente, se denomina %iempo de ruptura 0tR1. *n este momento, la corriente se desviar"a a un seundo lecho, iniciando el proceso de reeneración del primero. a resina del intercambiador iónico se le atribuye una capacidad que es la candad de iones que pueden ser retenidos por unidad de peso de la resina, y este se determina mediante la 'órmula de q o4 candad de soluto retenido 0meq1 5 resina seca 0r1. a candad de soluto retenido se obene del !rea entre la curva de ruptura 0en 'unción del volumen eluido1 y la l"nea horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada. 3espués de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas su'ren la perdida de sios de intercambio acvo o su'ren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio.
as resinas caónicas 'uertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar caones asociados a los !cidos 'uertes y las resinas aniónicas 'uertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a ba$a concentración, tales como los carbonatos y silicatos. a mayor"a de autores de la especialidad asinan una vida 2l esperada de las resinas de intercambio iónico entre los 6 y los 78 a9os. Se2n la *mpresa R;< #=3 #SS 0'abricante de resinas de intercambio iónico1 las resinas aniónicas enen una vida 2l teórica de >8 a ?88 m? de aua tratada por litro de resina y las resinas caónicas de @88 a 7688 m? de aua tratada por litro de resinasA en ambos casos depender! de la calidad del aua a tratar. *&isten métodos de laboratorio que permiten determinar la capacidad de intercambio iónico de una resina dada, la mayor"a de los cuales han sido desarrollados por las empresas 'abricantes. a ulidad de poder determinar la capacidad de intercambio iónico reside en poder comparar las capacidades de varias resinas cuando se necesita escoer una resina adecuada a las necesidades de operaciónA as" mismo sirve para saber el estado de la vida 2l de una resina que est! en uso y determinar en qué momento necesita ser cambiada. a curva de operación de un sistema connuo de intercambio iónico se construye rafcando la concentración del e-uente en 'unción del empo. *l empo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la disolución aparecen en la corriente de salida o m!s concretamente, cuando se alcanza la m!&ima concentración permisible en el e-uente, se denomina %iempo de ruptura 0tR1. *n este
momento, la corriente se desviar"a a un seundo lecho, iniciando el proceso de reeneración del primero. a curva que representa la evolución de la concentración del e-uente que abandona el lecho recibe el nombre de Burva de ruptura.
*l conocimiento de la curva de ruptura, es 'undamental para el dise9o de un lecho f$o de intercambio iónico, y en eneral debe determinarse e&perimentalmente, dada la difcultad que entra9a su predicción. *sta se ve modifcada principalmente por la temperatura, concentración inicial del eluente y -u$o de operación. *l punto de aotamiento es el punto en el que un desionizador ya no puede realizar el intercambio iónico. *l punto de aotamiento se a$usta normalmente en 'unción de la reducción en la calidad del aua tratada, se2n se determina por un medidor de conducvidad. *n la r!fca se representa cuando la curva llea a una saturación. /n procedimiento e&perimental para ablandamiento de auas ser"a el método cal soda: a1 tratamiento con cal: en esta etapa del proceso se elimina toda la dureza temporaria
y adem!s la permanente debida al <@C por el areado de cal, Ba0;1@. b1 %ratamiento con soda: en esta etapa del proceso se elimina la dureza permanente debida al Ba @C por el areado de carbonato de sodio. %écnica: Bolocar en dos tubos de ensayos 78cm? de aua con dureza temporaria y permanente. /no de ellos quedar! como teso. # uno de ellos arear 7cm? de aua de cal previamente fltrada y aitar. ueo al mismo tubo arear 7 cm? de solución de carbonato de sodio y aitar. Diltrar la solución y recoerla en un tubo limpio. #rear a este tubo y al tubo sin tratar 0teso1 tres otas de solución de $abón y aitar. *n qu"mica, se denomina dureza del aua a la concentración de compuestos minerales, en parcular sales de manesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del aua, y el rado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales met!licas. a dureza del aua ene una disnción comparda entre dureza temporal 0o de carbonatos1 y dureza permanente 0o de nocarbonatos1. a dureza temporal se produce por carbonatos 0B;? @1 y bicarbonatos 0B; ? 1 y puede ser eliminada al hervir el aua o por la adición de cal 0hidró&ido de calcio1. *l bicarbonato de calcio es menos soluble en aua caliente que en aua 'r"a, as" que al hervir se precipitar! el carbonato de calcio 'uera de la solución, de$ando el aua menos dura. os carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de !cido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye. Si el !cido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de 'uentes de
carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. %odo esto est! en relación con el p de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. *ste proceso de disolución y precipitación es el que provoca las 'ormaciones de estalamitas y estalactas. a dureza permanente no puede ser eliminada al hervir el aua, es usualmente causada por la presencia del sul'ato de calcio y manesio 0BaS;E y <S;E respecvamente1 y5o cloruros 0BlF1 en el aua, que son m!s solubles mientras sube la temperatura. +uede ser eliminada ulizando el método S;3# 0Sul'ato de Sodio1. %ambién es llamadaGdureza de no carbonatoG. *l valor de alcalinidad es ulizado en la interpretación y control del tratamiento de auas claras y auas usadas. #uas usadas crudas de orien domésco enen una alcalinidad menor de o lieramente mayor que el suministro de aua potable. *l sobrenadante de diestores anaerobios que 'uncionan adecuadamente presenta valores de alcalinidad en el rano de @888 a E888 m de carbonato de calcio por litro. 3ado que la alcalinidad var"a con la concentración de carbonatos y éstos in-uyen en la dureza del aua, es un indicador importante en el tratamiento de auas. os métodos anal"cos que se ulizan para determinar la concentración de calcio, manesio y. carbonatos y bicarbonatos presentes en el aua son los siuientes: 3ureza 0Ba C <1: # 78 m de la muestra en el tubo de ensayo del estuche se a9aden 6 otas de disolución reuladora de p 78 y otras tres otas de la disolución de nero de eriocromo % y se homoeneiza la mezcla con
la varilla de vidrio. #9adir, ota a ota y aitando con la varilla, la disolución de =a@ *3%# hasta el cambio de color del ro$o al azul y anotar el n2mero de otas astadas. Si la dureza es mayor de @68 m BaB;?5 reper la valoración tomando 6 m de muestra. 3eterminación de calcio: +oner 78 m de muestra en el tubo de ensayo del estuche, a9adir ? otas de =a; E < y unos cristales de mure&ida. #itar con la varilla de vidrio hasta homoeneizar el contenido del tubo y, a connuación, ir a9adiendo ota a ota y aitando la disolución de =@*3%# 8,87888 < hasta el cambio a color violeta de la disolución y anotar el n2mero de otas de la disolución de *3%# astadas. Si la dureza es mayor de @68 m BaB;?5 reper la determinación tomando 6 m de muestra. Barbonatos y Hicarbonatos: Se tomar!, en principio, un volumen de 788 ml de muestra en un erlenmeyer limpio. Se a9adir! a dicha muestra @ o ? otas de solución indicadora 'enol(ale"na al 7 . Si la reacción anterior da coloración rosa se valorar! volumétricamente la muestra con !cido sul'2rico 8.87=. *l punto fnal de la valoración coincidir! con la desaparición de la coloración rosa pasando a incolora, coincidiendo con el valor de p J.? comprob!ndose el valor de p. #notaremos el volumen astado. # connuación a9adimos a dicha muestra K o > otas de solución indicadora #naran$ado de
. #notaremos el volumen astado y el p alcanzado en dicha valoración. B;=B/SI;=*S:
+or todo lo anteriormente e&puesto podemos concluir la ran importancia que posee el intercambio iónico en las variadas aplicaciones en importantes industrias. # través de un tratamiento de intercambio iónico se lora ablandar el aua. a dureza del aua se debe a la presencia de disntos mineralesA pero eneralmente es por la presencia de Barbonatos de Balcio. *l intercambio iónico es una operación de separación basada en la trans'erencia de materia -uidosólido. *n el intercambio iónico un sólido insoluble remueve iones de caras posivas o neavas de una solución electrol"ca y transfere otros iones de cara similar a la solución en una candad equivalente. *l intercambio iónico puede e&plicarse como una reacción reversible implicando candades qu"micamente equivalentes. os iones comunes que se encuentran en la mayor"a de las auas incluyen los caones de cara posivaA calcio y manesio, 0que eneran dureza, los cuales hacen que el aua sea LduraG1 y sodio. os aniones de cara neava incluyen alcalinidad, sul'ato, cloruro, y silicio y es por medio de un proceso de intercambio iónico por el cual se lora el LablandamientoG de las auas. R*B;<*=3#BI;=*S: Bontar con el sufciente empo para la preparación de soluciones necesarias para la implementación de la pr!cca de laboratorio. Se recomienda estudiar la in-uencia de velocidad de -u$o en el intercambio iónico,
bien sea en peque9a escala como en columnas de intercambio iónico industrial.
Qp:55)ebs.ono.com5desmineralizadores5 pos.html, ulio @87>.
*s importante analizar la in-uencia de la temperatura en el proceso de intercambio.
NKO %R*XH#, R.*. L;peraciones de %rans'erencia de
*studiar la in-uencia de la concentración inicial de los metales en la soluciones a tratar mediante intercambio iónico. Realizar ensayos de desorción con otros aentes reenerantes tales como, !cido clorh"drico y n"trico. *studiar la cinéca del proceso de intercambio iónico. R*D*R*=BI#S HIHI;MR#DIB#S: N7O #. . N@O Drancisco osé Muerra , de /niversidad Iberoamericana Sio )eb: hQp:55Tartnmusic.com5+ersonal5JoUSemestr eUfles5I#+re+K.pd' N?O . +ua. Resinas de intercambio iónico. Qp:55))).monorafas.com5traba$os675int ercambio[email protected], ulio @87>. NEO =#. 0@8761. I=%*RB#, de *&perimentación en Inenier"a Wu"mica I Sio )eb: hQp:55eina.unizar.es5rados5quimica5)p content5uploads5@87@58K5+K.pd' N6O =#. %ipos de resinas de intercambio iónico.
