Repblica Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular
para la DefensaUniversidad Nacional Experimental PolitcnicaDe la
Fuerza ArmadaNcleo Falcn Sede Coro
Intercambio Inico
Profesora: Bachiller CI: Ing. Flor Snchez. Abdalla Samir
24596124 Aguilera Deysi 21012694 Chirino Yender 24590187 Ochoa
Valentina 2360205 IP7D-C
Santa Ana de Coro, Mayo 2015ndice
pg.Introduccin3Intercambio inico5Aplicaciones6Aplicaciones
Industriales6Aplicaciones Farmacuticas7Cintica y equilibrio del
intercambio8Estructuras de las resinas de intercambio
inico12Propiedades de las resinas de intercambio inico12Conclusin
17Bibliografa18
Introduccin
El intercambio inico es una operacin de separacin basada en la
transferencia de materia fluido-slido. Implica la transferencia de
uno o ms iones de la fase fluida al slido por intercambio o
desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos
por fuerzas electrostticas a grupos funcionales superficiales. La
eficacia del proceso depende del equilibrio slido-fluido y de la
velocidad de transferencia de materia. Los slidos suelen ser de
tipo polimrico, siendo los ms habituales los basados en resinas
sintticas. Aunado a esto, se encuentra dos tipos de resinas bsicas,
el intercambio de cationes estas resinas emiten ionesHidrgeno (H+)
u otros iones como intercambio por cationes impuros presentes en el
agua y el intercambio de aniones que despedir iones de hydroxil
(OH) u otros iones de cargas negativas en intercambio por los iones
impuros que estn presentes en el agua. Las resinas de intercambio
inico son particularmente adecuadas para la eliminacin de estas
impurezas por varias razones: las resinas poseen una alta capacidad
para los iones que se encuentran en bajas concentraciones, las
resinas son estables y se regeneran fcilmente, los efectos de la
temperatura son en su mayora insignificantes, y el proceso es
excelente tanto para grandes como pequeas instalaciones. A s mismo,
La velocidad a la que se lleva a cabo el intercambio inico viene
controlada por la difusin de los iones. Adems es utilizado para
diversos fines entre los que se destacan: Ablandamiento, separacin
de calcio y magnesio. Desmineralizacin Tratamiento de agua. Proces
muy utilizado en las fbricas textiles.
El intercambio inico es utilizado ampliamente en la industrias
de alimentos y bebidas, hidrometalrgica, acabado de metales, qumica
y petroqumica, farmacutica, azcar y edulcorantes, agua subterrnea y
potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua,
semiconductores, energa, acabado textil. De igual manera, este
posee propiedades elementales dentro de las que destacan, se
encuentran la selectividad, cada de presin, densidad, estabilidad,
entre otros. Por otra parte, esta tiene estructura de cadenas
hidrocarbonadas (grupos inicos libres). La unin entre estas
estructuras es transversalmente lo cual proporciona rigidez a la
resina y donde el grado de reticulacin o entrecruzamiento determina
la estructura porosa interna de la misma (Ingeniera de Tratamiento
y Acondicionamiento de Aguas). Para finalizar, el intercambio inico
puede explicarse como una reaccin reversible implicando cantidades
qumicamente equivalentes.
1. Intercambio inico:
El intercambio inico es una operacin unitaria que consiste en la
sustitucin de uno o varios iones de una disolucin por otros que
forman inicialmente parte de la estructura de un slido (resina de
intercambio inico). Los poros de una resina contienen iones
positivos y negativos formando una sal. En estado seco los iones
mantienen su posicin media en la estructura, pero cuando se
sumergen en un lquido polar, uno o varios iones quedan libres para
desplazarse hacia el seno del lquido mientras otros iones de carga
equivalente pasan del lquido al slido, de modo que la resina
permanece elctricamente neutra. Cuando la resina contiene iones
negativos fijos y slo puede intercambiar cationes se llama resina
catinica; en caso contrario se llama resina aninica. La velocidad a
la que se lleva a cabo el intercambio inico viene controlada por la
difusin de los iones. Esta operacin se aplica sobre todo en
procesos de acondicionamiento de agua a nivel industrial. El
ablandamiento de agua es la eliminacin de los cationes divalentes
Ca2+ y Mg2+ del agua, con lo que disminuye su dureza. Se realiza el
intercambio en una columna catinica, donde se sustituyen los iones
indicados por Na+ que no forma sales insolubles, y se evitan as las
incrustaciones. Las resinas, con el paso de agua dura, se agotan y
deben regenerarse con la operacin inversa, esto es, haciendo
circular a su travs una disolucin concentrada de NaCl. La
desmineralizacin o desionizacin del agua es la eliminacin (por
intercambio) de los cationes y aniones que contenga. Ello se lleva
a cabo normalmente con dos columnas consecutivas, una catinica y
otra aninica. En la primera se sustituyen los cationes por H+ y en
la segunda los aniones por OH-. El agua queda, en principio, neutra
desde el punto de vista cido-base. Las resinas se regeneran,
respectivamente con HCl y NaOH.
2. Aplicaciones:Aplicaciones industriales Ablandamiento de agua
(Ca+2 o Mg+2 por Na+):
Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente
cida 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:
Lavanderas. Calderas domsticas. Calderas industriales de baja
presin. Industria textil.
Desmineralizacin parcial (ablandamiento y eliminacin de
carbonatos):
En muchas regiones del mundo las aguas naturales contienen
bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos
se pueden eliminar con resinas dbilmente cidas en forma hidrgeno.
Este proceso se llama tambin eliminacin de la dureza temporal. El
agua tratada contiene gas carbnico que se puede eliminar con una
torre de desgasificacin. La salinidad del agua tratada es ms baja
que la del agua bruta. Agua descarbonatada sirve: Para tratar el
agua de produccin 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
caf o t Como etapa inicial antes de una desmineralizacin
completa
Desmineralizacin completa (sin o con eliminacin de
silicatos):
Para eliminar todos los iones, el agua pasa primero a travs de
una columna intercambiadora de cationes en forma hidrgeno, despus a
travs de una columna intercambiadora de aniones en forma base libre
o hidroxilo. Todos los cationes se cambian por iones H+ de las
resinas catinicas, y los aniones por iones OHde las resinas
aninica. Estos iones se recombinan formando nuevas molculas de agua
(H2O). El agua tratada no contiene sino trazas de sodio y de
slice
Tratamiento de aguas residuales radiactivas:
Este es un proceso tpico para ablandar o desionizar el agua,
aunque es recomendable aplicarse despus de un tratamiento previo
adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista,
especialmente, en la eliminacin de las materias en suspensin,
materias orgnicas, cloro residual, cloraminas.
Separacin del NH4+del agua.
Aplicaciones farmacuticas: Las resinas de intercambio inico se
utilizan en la separacin de alcaloides en solucin o contenido en
extractos vegetales.
Con intercambiadores catinicos o con anicnicos.
A si mismo se han separado aminocidos, protenas, enzimas,
hormonas, vitaminas, antibiticos. Como la penicilina, se separa con
intercambiadores, esta se fija sobre resinas carboxlicos y es
eludida con cidos minerales.
Desintegrantes en la elaboracin de comprimidos.
Prolongar el efecto de algunos frmacos.
3. Cintica y equilibrio del intercambio :
Una reaccin de intercambio inico es aquella en la cual un tomo o
una molcula que han ganado o perdido un electrn, y que por lo tanto
adquiere una carga positiva o negativa, se intercambia por otra
partcula de igual signo pero de naturaleza diferente. Esta ltima
partcula inicialmente est ligada a la superficie de un cuerpo slido
inerte y pasa a solucin y su lugar es ocupado por otra partcula que
queda retenida (temporalmente) en la superficie del polmero o
soporte. Este soporte slido puede ser una zeolita natural o un
polmero sinttico, aunque en la actualidad por su mayor capacidad de
intercambio y menor costo, casi siempre se emplea una resina
sinttica. Una reaccin de intercambio en una resina puede ser
representada de la siguiente manera:R es la fase o soporte (el
copolmero de divinilbenceno) y Na+ y Ca+2 son las especies que
reaccionan.
Figura 1. Resina de intercambio inico en ciclo sodio, en proceso
de suavizacin del agua y durante el paso de regeneracin de la
capacidad de intercambio de la resina.
En esta reaccin qumica, el calcio Ca+2 se intercambia por su
equivalente que son dos iones sodio Na+. Qumicamente esta reaccin
es de intercambio o desplazamiento y el grado o extensin en que se
lleva a efecto tal reaccin depende de factores tales como:
temperatura, pH, concentracin de la especie en solucin y naturaleza
del in. Para la reaccin anterior, la constante de equilibrio
sera:
Para una temperatura determinada K, la constante de equilibrio,
tiene un valor fijo que depende de la naturaleza del in que es
desplazado y del que se adhiere a la superficie del polmero. Por
ejemplo, si sobre la superficie de la resina se tienen iones
hidrgeno la reaccin sera:
El valor de la constante de equilibrio es:
Es evidente que K1 y K2 sern diferentes para las dos reacciones
anteriores. Tambin, el desplazamiento o sentido de la reaccin, de
acuerdo al principio de Le Chatellier, depender de la concentracin
de las especies en solucin, y este hecho se aplica para la
regeneracin de la resina intercambiadora. Por ejemplo: para
regenerar una resina saturada en calcio se revierte el equilibrio
incrementando sensiblemente la concentracin de sodio y la reaccin
sera:
En otras palabras, si a una resina saturada en calcio se le
agrega una solucin de alta concentracin de sodio, los iones sodio
desplazan el calcio de los sitios activos de la resina y la resina
se "regenera". De igual manera, si a una resina saturada en calcio
se le agregan iones hidrgeno en alta concentracin, los sitios
activos son ocupados por hidrgeno y la resina vuelve a su condicin
original.
En la prctica o en el "mundo real", los iones que se adhieren a
los sitios activos de la resina son de muy diferente tipo y pueden
ser removidos total o parcialmente durante el proceso de
regeneracin. Si la naturaleza o la concentracin de los iones en
solucin son similares, el orden de preferencia o la selectividad de
la resina para los diferentes iones es la que se presenta en la
Tabla I.
La cintica o velocidad con que se efecta la reaccin de
intercambio se ha observado que es sumamente rpida y ocurre en
segundos, cuando el catin o el anin tienen contacto con el grupo
funcional de la resina. Esta alta velocidad de reaccin se debe a
que no es necesario romper enlaces qumicos para que proceda la
reaccin. La velocidad de intercambio est en funcin de la movilidad
del in o su facilidad a difundirse en la estructura de la resina.
La estructura tipo gel de la resina y el grado de porosidad
obtenido en el proceso de polimerizacin, es lo que determina la
eficiencia de la resina en su capacidad de intercambiar iones con
el agua en su contacto.
4. Estructuras de las resinas de intercambio inico:
Una resina de intercambio inico puede considerarse como una
estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran
unidos de forma rgida grupos inicos libres. Estas cadenas se
encuentran unidas transversalmente formando una matriz
tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado
de reticulacin o entrecruzamiento determina la estructura porosa
interna de la misma. Como los iones deben difundirse en el interior
de la resina para que ocurra el intercambio, la seleccin del grado
de reticulacin puede limitar la movilidad de los iones
participantes. Las cargas de los grupos inicos inmviles se
equilibran con las de otros iones, de signo opuesto, denominados
contraiones, que estn libres y que son los que se intercambian
realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son
cationes, los cambiadores inicos se denominan catinicos y cuando
son aniones se denominan aninica.
5. Propiedades de las resinas de intercambio inico: Tamao de
partcula :
Para uso industrial el tamao de partcula de las esferas de
resina resulta de la relacin entre la velocidad de intercambio (la
cual es mayor con partculas pequeas) y la tasa de flujo (la cual
requiere partculas grandes para tener menores prdidas de presin).
El tamao estndar vara entre partculas con un dimetro entre 0,3 y
1,2 mm, pero se pueden conseguir tamaos menores o mayores segn la
necesidad del uso.
Solubilidad:
El intercambio inico de sustancias puede ser soluble bajo
operacin normal. Todas las resinas intercambiadoras usadas
actualmente son policidas o polibases de alto peso molecular que
son virtualmente insolubles pero despus de ciertas temperaturas se
solubilizan.
Forma:
La forma de los grnulos esfricos debe tener mxima homogeneidad y
dimensin uniformes, tal que el fluido en la filtracin permanezca
aceptable
Densidad:
Esta es una propiedad muy importante en las resinas. Existen
varios tipos de densidad, la ms representativa es la densidad hmeda
y vara de 1.02 a 1.38 segn el tipo de resina.
Cada de Presin:
La cada de presin es muy importante en el diseo de equipos. Esta
relaciona el tamao, forma, uniformidad y compresibilidad de las
partculas, la viscosidad de la solucin, temperatura y tasa de flujo
utilizada.
Resistencia a la Fractura:
La expansin y contraccin de la resina durante el agotamiento y
la regeneracin no sera causa para que se revienten los grnulos. El
diseo de aparatos de intercambio inico debe tambin estar dirigido a
la expansin, a evitar excesiva tensin o abrasin mecnica de la
resina. El agua a ser ionizada por resinas de intercambio inico
debe estar libre de material suspendido y coloidal ya que pueden
obstruir la resina, disminuir el flujo e intercambio, as como
tambin el tiempo de vida
Estabilidad:
Al deteriorarse una resina se va perdiendo la estabilidad. El
deterioro se manifiesta en diferentes formas cada una de ellas es
independiente o relacionada con otros factores; bajo condiciones
normales. El deterioro puede ser de naturaleza qumica y se
manifiesta en una prdida gradual de su capacidad de
intercambio.
El siguiente listado muestra las formas de deterioro:
Ruptura de las partculas de la resina. Despolimerizacin de la
resina y consecuentemente hinchamiento. Disminucin de la capacidad
total. Dao de los grupos funcionales. Ensuciamiento por
precipitacin de elementos extraos sobre la partcula del
intercambiador.
Selectividad
Una consideracin importante al determinar la posibilidad de una
reaccin de intercambio inico, es la preferencia observada de
ciertas resinas por ciertos iones que poseen unas caractersticas de
carga similares; el que un equilibrio sea favorable para un sistema
inico determinado depende mayormente de la selectividad de la
resina. Actualmente se conocen las razones de las selectividades de
las resinas; en general, la selectividad depende de la carga y el
tamao de los iones. La influencia ms importante es la magnitud de
la carga del ion ya que una resina prefiere contraiones de elevada
valencia. As, para una serie de aniones tpicos encontrados en los
tratamientos de agua podran esperarse el orden de preferencia
siguiente: PO4 3- > SO4 2- > Cl-.. De una forma similar para
una serie de cationes: Th4+ > Nd3+ > Ca2+ >Na+. Un segundo
factor que influye en la selectividad inica es la presin de
hinchamiento de la resina. En un disolvente polar como el agua los
grupos activos de la resina y los iones mviles en las fases resinan
y disolucin tienden a solvatarse. La solvatacin o hidratacin de los
iones ejerce una presin de hinchamiento dentro de la resina, sta
presin esta incrementada por las fuerzas de repulsin entre los
grupos inicos fijos y est contrarrestada por los enlaces de
reticulacin que unen a la partcula. Para una resina y solucin
electroltica en agua el radio de solvatacin influye en las
variables que afectan a la presin con el resultado de que las
resinas prefieren los iones con menor radio de solvatacin. En
general los iones multivalentes hidratados son adsorbidos con
prioridad debido a que su tamao es inferior al de una unidad
cargada equivalente de iones de menor carga. En una serie inica de
igual carga el ion con menor radio en la fase en disolucin ocupa el
primer lugar de la serie. A continuacin se da el orden de
preferencia para los metales alcalinos: Cs+ > Rb+ > K+ >
Na+ > Li+ y para los alcalinotrreos: Ba2+ > Sr2+ > Ca2+
> Mg2+ > Be2+. Se observa que para cada serie la preferencia
aumenta con el nmero atmico y el radio inico y disminuye con el
radio de solvatacin. De forma similar, para una serie aninica
monovalente se obtiene: CNS- > ClO4 - > I- > NO3 - >
Br- > CN- > HSO4 - >NO2 - > Cl- > HCO3 - >
CH3COO- > OH- > F-. El tercer factor que influye en la
selectividad es la interaccin inica dentro de la resina y en el
volumen de la disolucin. La resina prefiere como regla general los
contraiones que presentan mayor afinidad para los grupos inicos
fijos; la resina adsorber con prioridad los iones que pueden formar
precipitados o complejos con los grupos inicos de la resina. El
ltimo factor significante en la selectividad inica es la accin
tamizadora o de filtracin. Los iones orgnicos y complejos
inorgnicos son en su mayora demasiado grandes para penetrar la
matriz de la resina. Este efecto es mucho ms pronunciado para
resinas que tengan un grado elevado de reticulacin; de hecho, el
grado de reticulacin influye en la selectividad de la resina.
Cuanto mayor sea el grado de reticulacin mayor es la selectividad
de una resina para un in por encima de otro, cuando la reticulacin
disminuye el efecto de ste factor disminuye llegando a ser
despreciable.
Conclusin El intercambio inico es una operacin unitaria que
consiste en la sustitucin de uno o varios iones de una disolucin
por otros que forman inicialmente parte de la estructura de un
slido (resina de intercambio inico). Los poros de una resina
contienen iones positivos y negativos formando una sal. Las resinas
de intercambio inico descritas pueden tener diversos usos
comerciales e industriales, incluyendo la suavizacin,
desmineralizacin, eliminacin de nitratos, control de contaminacin,
y muchos otros. Adems, la velocidad de intercambio est en funcin de
la movilidad del in o su facilidad a difundirse en la estructura de
la resina. De acuerdo a esto, una resina de intercambio inico puede
considerarse como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las
que se encuentran unidos de forma rgida grupos inicos libres. Sin
embargo, estas se encuentran unidas transversalmente formando una
matriz tridimensional, donde el grado de reticulacin o
entrecruzamiento determina la estructura porosa interna de la
misma. En ese mismo sentido, las propiedades de las resinas pueden
ser por el tamao de la partcula de las esferas de las resinas, el
ser soluble bajo operacin normal, la forma de los grnulos esfricos
debe tener dimensin uniforme, la densidad debe ser hmeda y vara de
1.02 a 1.38 segn el tipo de resina, la cada de presin est
relacionado con el diseo del equipo, debe ser resistente a la
expansin y contraccin, al deteriorarse una resina se va perdiendo
la estabilidad, y finalmente, una consideracin importante al
determinar las propiedades de intercambio inico, es la preferencia
o selectividad observada de ciertas resinas por ciertos iones que
poseen unas caractersticas de carga similares.Bibliografa
Intercambio inico. Consultado el 13 de Mayo 2015. Disponible en:
http://www.oocities.org/edrochac/sanitaria/resinasintercambio7.pdf
http://www.ecured.cu/index.php/Intercambio_i%C3%B3nicoFecha:
16/05/15 hora: 2:30.
http://es.slideshare.net/rosaynhe/intercambio-ionico-39204309Fecha:
16/05/15 hora: 4:30
https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdf
Fecha: 16/05/15 hora: 6:30
A. Marcilla Gomis, 1998 INTRODUCCIN A LAS OPERACIONES DE
SEPARACIN Clculo por etapas de equilibrio.