República Bolivariana de Venezuela
La Universidad del Zulia
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
Laboratorio de Operaciones Unitarias II
Practica # 7
Intercambio iónico
Autor: Ing. Alexis Manuel Faneite
Realizado por:
Barboza Marconi; Lugo Malleli; Pirela José Daniel; Simancas José Daniel;
Sulbarán Nathaly; Torrealba Leisy; Torres Keivi; Villalobos Learsy
Mejorado por:
Annybeth Fernández; Ana Nieto;
Daniel Paternina; Aidin Urribarri
Intercambio iónico
Objetivo general
Estudiar el proceso de intercambio iónico
mediante el tratamiento de una solución
de una sal inorgánica con un lecho fijo de
una resina de intercambio catiónico en su
forma de hidrógeno.
Intercambio iónico
Objetivos específicos
1. Determinar la densidad, diámetro de partícula
de la resina, la porosidad del lecho y flujo
volumétrico del efluente.
2. Representar gráficamente la etapa de
intercambio y agotamiento como altura del
lecho y altura de la zona gastada en función del
volumen acumulado del efluente.
Intercambio iónico
Objetivos específicos
3. Medir de forma aproximada la altura de la zona
de intercambio.
4. Representar gráficamente la etapa de
regeneración como altura del lecho y altura de la
zona regenerada en función del volumen
acumulado del efluente.
5. Representar gráficamente la etapa de lavado
como altura del lecho en función del volumen
acumulado del efluente.
Intercambio iónico
Objetivos específicos
Con los datos suministrados por el Profesor:
6. Representar gráficamente la concentración de
cationes del efluente con respecto al volumen
acumulado del efluente en el proceso de
intercambio iónico, indicando el punto de quiebre y
el punto de agotamiento.
Intercambio iónico
Objetivos específicos
7. Determinar la velocidad de descenso, la altura y
el tiempo de formación de la zona de intercambio.
8. Determinar el porcentaje de hinchamiento del
lecho de resina.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
¿Que es el intercambio iónico?
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.
Magnesio
Calcio
Calcio Magnesio
Sodio
Sodio
Sodio
Calcio
Magnesio
Sodio Sodio
Sodio Sodio
Sodio
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Qué es una resina?
RESINA
Matriz
polimérica
Las resinas de intercambio iónico son
materiales
sintéticos,
sólidos
e
insolubles en agua, que se presentan en
forma de esferas o perlas, aunque
también las hay en forma de polvo.
Están compuestas de una alta concentración de grupos polares,
ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero
sintético y actúan tomando iones de las soluciones
(generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de
otros iones.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Resinas: Prop. Físicas y Químicas
Insoluble al
agua
•Union
cruzada
•Capacidad
de
humedad
Resistencia
A la
fractura
El sitio activo
se Encuentra
Ligado a la
esfera
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Propiedades físicas de las resinas
•Macromolécula esférica de 0,4 a 1 mm de diámetro.
• Resinas con pocas uniones entrecruzadas tienden a
ser muy acuosas y cambian de dimensión.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Propiedades físicas de las resinas
•El contenido de humedad cambia con la cantidad de
unión entrecruzada.
•Las resinas macroporosas, tienen apariencia
esponjosa tiene una menor capacidad porque las
esferas contienen menos sitios de intercambio
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Tipos de Resina
•Fuertes
Resinas catiónicas de ácidos
•Débiles
•Fuertes
Resinas aniónicas de bases
•Débiles
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Tipos de Resina
Resinas catiónicas de ácido fuerte:
• Intercambian iones positivos (cationes).
• Funcionan a cualquier pH.
• Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua.
Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad
de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Tipos de Resina
Resinas catiónicas de ácido débil:
• Tienen menor capacidad de intercambio.
• No son funcionales a pH bajos.
• Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las
perdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no
cuentan con suficiente espacio en su interior.
• Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su
regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido
fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de
las de ácido fuerte.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Tipos de Resina
Resinas aniónicas de base fuerte:
• Intercambian iones negativos (aniones).
• Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua,.
Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad
de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico NaOH).
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Tipos de Resina
Resinas aniónicas de base débil:
• Es una resina muy eficiente, de fácil regeneración.
• No se puede utilizar a pH altos.
• Pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Figura ilustrativa del
proceso de intercambio
iónico con un lecho fijo
en donde se aprecia el
desplazamiento de la
zona de intercambio.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
La zona de intercambio se basa en la interacción que existe
entre la resina de intercambio y el efluente.
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.
El circulo rojo representa la zona de
intercambio,
inicialmente
el
volumen de efluente recolectado
tiene una baja concentración de
cationes, ya que estos al entrar en
contacto con el lecho, quedan
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
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.
Se observa el desplazamiento de
la zona de intercambio, lo cual se
ve reflejado en el aumento leve
de la concentración de cationes
en el efluente (figura inferior), ya
que la resina empieza a saturarse
y a disminuir la capacidad de
intercambio.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
A medida que aumenta el
volumen
de
efluente
va
aumentando
lentamente
la
concentración de cationes en el
mismo, porque el lecho se va
saturando con el soluto, hasta
llegar a un punto denominado
quiebre, el cual es el instante
cuando la concentración del ión
metálico en el efluente alcanza
un 5% del valor en el fluido, la
zona
de
intercambio
ha
alcanzado el fondo del lecho.
Intercambio iónico
Fundamentos Teóricos
Se
observa
el
punto
de
agotamiento, este se alcanza
cuando la concentración del ión
metálico en el efluente alcanza el
95% de su valor en el fluido.
En este punto la resina no permite
más intercambio de iones, ya que
esta saturada, si la solución
continua fluyendo después de este
punto ocurre poca adsorción
puesto que el lecho esta
completamente en el equilibrio
con la solución alimentada.
Intercambio iónico
Justificación e importancia
Ablandamiento de agua para calderas
¿ Que separa?
¿Que resina usa?
Cuando el agua contiene una cantidad
significante de calcio y magnesio, es
llamada agua dura.
Mg+ Ca+
Ca+ Mg+
zeolitas
¿Qué es el ablandamiento del agua?
Estructura de zeolita
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.
Aluminio
Calcio
Intercambio iónico
Justificación e importancia
Ablandamiento de agua para calderas
El agua dura es conocida por taponar las tuberías y complicar la
disolución de detergentes en agua.
CAUSAN
incrustaciones en los tubos y
superficies de las calderas
Disminución de la eficiencia energética y aumento en el consumo de
combustible.
Paradas imprevistas por roturas de tubos en la caldera.
Intercambio iónico
Justificación e importancia
Desmineralización y desionización del agua con
que se producen las bebidas carbonatadas
La desmineralización es un proceso
mediante el cual se eliminan sólidos
disueltos en el agua. El proceso
mediante intercambio iónico emplea
resinas catiónicas y aniónicas , que
pueden ser base fuerte o base débil
dependiendo la calidad del agua a
obtener y los contaminantes que se
requiera remover.
Desionización: Proceso que utiliza
resinas de intercambio iónico de
fabricación especial que eliminan las
sales ionizadas del agua. Teóricamente
puede eliminar el 100% de las sales.
La desionización normalmente no
elimina los compuestos orgánicos, virus
o bacterias excepto a través del atrapado
“accidental” en la resina
Intercambio iónico
Justificación e importancia
Desmineralización y desionización del agua con que se
producen las bebidas carbonatadas
¿Que resina usa?
alimentación
Cambiador
catiónico
Aireación para eliminar
carbonatos en forma de CO2
Cambiador
aniónico
Agua
Desmineralizada
Intercambio iónico
Justificación e importancia
Desmineralización y desionización del agua con
que se producen las bebidas carbonatadas
Salida del cambiador Catiónico
Elimina los minerales
del agua
Unidad catiónica
Los Cationes son Reemplazados
por Iones Hidrogeno (H+)
ejemplo: Ca y Mg
(H+, HCO3-)
Se da la siguiente reacción:
H+ + HCO3--------> H2CO3
H2CO3----------> H2O + CO2
Unidad aniónica
ejemplo: HCO3-, SO4=
Los Aniones son
Reemplazados
por Iones Hidróxido (OH-)
H2CO3 -------->desgasificador
Intercambio iónico
Descripción del equipo
Embudo de decantación
Bureta
Resina de sulfonato de
Poliestireno.
Soporte universal
Vaso de precipitado
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
1. Preparar la solución de Sulfato
de Cobre, previamente pesado y
diluido en agua destilada
2. Preparar todos los
implementos para realizar el
experimento
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
3. Llenar el embudo de
decantación con Sulfato de
Cobre
4. Armar el equipo según
el modelo
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
5. Poner a gotear el sulfato de
cobre y habrir la válvula de la
bureta.
Regule con el goteo de la solución
de sulfato de cobre la altura del
líquido sobre la resina
6. Luego, cada 2 minutos mida el
volumen acumulado, la altura de
la resina y la longitud de la resina
gastada
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
Anotar los valores de
volumen
acumulado,
altura de la resina y la
longitud de la resina
gastada en la tabla
señalada
cada
dos
minutos
que
corresponden a la etapa
de
intercambio
y
agotamiento.
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
Zona
Agotada
7. Observar Zona de
Intercambio
8. Leve lavado de resina con
Agua Destilada. Resina Agotada
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
9. Trasvasado del ácido
Sulfúrico al embudo de
decantación
10. Regeneración de la Resina:
Ácido Sulfúrico concentrado
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
Anotar los valores de
volumen
acumulado,
altura y longitud de la
resina regenerada en la
tabla señalada cada dos
minutos
que
corresponden a la etapa
de regeneración.
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
11. Resina completamente
regenerada
12. Etapa final de lavado con agua
destilada
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
Anotar los valores de
volumen acumulado y
altura en la tabla
señalada
cada
dos
minutos
que
corresponden a la etapa
de lavado de la resina.
Intercambio iónico
Procedimiento experimental
Resina completamente
regenerada y libre de ácido
sulfúrico
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Implementos de protección personal
Guantes
Lentes
Bata
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Ácido Sulfúrico (H2SO4): riesgos a la salud
Inhalación: Respirar los vapores de acido
sulfúrico puede causar severa irritación en el
sistema respiratorio.
Contacto con la piel:
quemaduras y ulceraciones.
causa
irritación,
Ingestión: causa irritación en la garganta esófago,
estomago y en la boca.
Contacto con los ojos:
quemaduras y ceguera.
causa
irritación,
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Ácido Sulfúrico (H2SO4): primeros auxilios
Inhalación: respirar aire fresco, si se dificulta la
respiración aplicar oxigeno.
Contacto con la piel: enjuagar con grandes
cantidades de agua, por 15 minutos.
Ingestión: tomar bastante agua, no inducir el
vomito.
Contacto con los ojos: enjuagar con bastante
agua.
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Resina de Sulfato de Poliestireno: riesgos a la sa
•Puede causar irritación gástrica y retención de sodio.
•No es carcinógeno.
Resina de Sulfato de Poliestireno: primeros auxi
Obtenga atención médica en todos los casos
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Sulfato de Cobre (Cu2SO4): riesgos a la salud
Inhalación:
respiratorio.
causa
irritación
del
tracto
Contacto con la piel: es irritante y corrosivo
sobre la piel, puede causar quemaduras sino se lava
a tiempo.
Ingestión: causa severas quemaduras a las
membranas mucosas del esófago, estomago y en la
boca.
Contacto con los ojos: causa severa irritación en
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Sulfato de Cobre (Cu2SO4): primeros auxilios
Inhalación: respirar aire fresco, si la víctima no
respira aplicar respiración artificial.
Contacto con la piel: enjuagar con grandes
cantidades de agua y jabón, por 15 minutos.
Ingestión: tomar bastante agua, inducir el vomito
dirigido por personal médico.
Contacto con los ojos: enjuagar con bastante
agua por 20 minutos como mínimo, manteniendo
los párpados abiertos.
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Limpiar todo
No botar por el drenaje
No dejar residuos
Intercambio iónico
Seguridad, Higiene y ambiente
Botar la basura
Ordenar todo
Lavar todo
Intercambio iónico
Se abre el ciclo de preguntas
¡Gracias!
Descargar

Diapositiva 1