bead_cation3.gif INTERCAMBIO IÓNICO


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 transferenciade materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.
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 pasa continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y no es posible alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.
intercambio iónico.jpg

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



















CAMBIADORES IÓNICOS

Cuando los iones son cationes, los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan aniónicos.

RESINA DE INTERCAMBIO IÓNICO

Una resina de intercambio iónico se considera como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida los grupos iónicos libres. Estas cadenas están unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación 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 selección del grado de reticulación puede de alguna manera limitar la movilidad de los iones participantes

TIPOS DE RESINAS

Las resinas de intercambio iónico pueden cumplir varias funciones como: descalcificación, desnitratación, desionización, desnitratación. Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos (Desmineralizadores,2006).

Las resinas se clasifican en:

Resinas catiónicas de ácido fuerte:
  • Intercambian iones positivos (cationes).
  • Funcionan a cualquier pH.
  • Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).

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.

Resinas aniónicas de base fuerte:
  • Intercambian iones negativos (aniones).
  • Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).

Resinas aniónicas de base débil:
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración.No se puede utilizar a pH altos, pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.

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
El siguiente gráfico muestra el principio de la cromatografía de intercambio iónico:
intercambio.jpg
Fuente: http://javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/cromatografia.htm




Al inicio de la operación 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 sólido próximo a la entrada se encuentra prácticamente 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 líquido a los centros de intercambio, se establece un gradiente de concentración en el lecho (Figura 1). La región donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona virgen de la resina y la de saturación y sus límites frecuentemente se toman como c/co = 0,95 a 0,05.

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Figura 1. Perfiles de concentración en el lecho a lo largo del tiempo

A medida que progresa el intercambio iónico la zona de transferencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior (figura 2), instante a partir del cual la disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.

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Figura 2. Evolución de la concentración en un lecho de intercambio iónico



El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la disolución aparecen en la corriente de salida o más concretamente, cuando se alcanza la máxima concentración permisible en el efluente, se denomina Tiempo de ruptura (tR).

En este momento, la corriente se desviaría a un segundo lecho, iniciando el proceso de regeneración del primero. La curva que representa la evolución de la concentración 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 diseño de un lecho fijo de intercambio iónico, y en general debe determinarse experimentalmente, dada la dificultad que entraña su predicción.

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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

A continuacion, se muestra un archivo en el que se profundiza sobre lo tratado




Instalación



Para el cálculo de la capacidad de la resina en lecho fijo en unas condiciones determinadas es necesario conocer cuál es la cantidad total de soluto retenido por la misma. valor se puede determinar a partir de la curva de ruptura del sistema en función del volumen eluído (Ver figura), calculando el área de la zona comprendida entre la curva de ruptura y la línea recta horizontal correspondiente a la concentración de la disolución de entrada. Dividiendo este valor entre el peso total de resina contenido en la columna, se determinará la capacidad de la resina utilizada en ciertas condiciones

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FRACCIÓN DE LECHO UTILIZADO

La fracción de lecho utilizado en el punto de ruptura o a cualquier tiempo de la operación se puede determinar a partir de la cantidad de soluto retenida en ese punto y la capacidad de la resina.

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La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calcula determinando el área de la zona comprendida entre el tramo correspondiente de la curva de ruptura y la línea recta horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada.

Cantidad de soluto retenida (meq) = A1 x Co (3)


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LONGITUD DE LECHO NO UTILIZADO

Una vez iniciada la operación de intercambio, el perfil de concentración en la zona de transferencia de materia adquiere pronto su forma característica y una anchura que no varía al desplazarse a través del lecho.

Por tanto, si se utilizan diferentes longitudes de lecho, manteniendo constante el resto de las condiciones, se obtendrán curvas de ruptura de la misma forma. En lechos de gran longitud la zona de transferencia representa una fracción menor de forma que se utiliza una mayor fracción y longitud de lecho. La longitud de lecho no utilizado en un punto determinado se puede calcular a partir de la fracción del lecho utilizado y la longitud del lecho.


Longitud del lecho = Long del lecho - [Fracción de lecho utilizada x Long de lecho no utilizado] (4)



Un aparato de adsorción está constituido normalmente por un recipiente cilíndrico, cerrado, que en su interior contiene la resina. Debido a los dos tipos de resinas, catiónicas y aniónicas, se acostumbra a colocar adyacentes dos columnas, cada una con un tipo de resina, para así eliminar primero los cationes y con posterioridad los aniones. Las partículas de adsorbente se colocan en un lecho soportado sobre una matiz o placa perforada. La alimentación circula a través del lecho en sentido descendente, y cuando la concentración de soluto en el fluido de salida alcanza un cierto valor, o bien para un tiempo previamente establecido se ha de parar la operación y pasar a regenerar dicho lecho.


Para evitar estos inconvenientes, en el trabajo continuo, se colocan dos columnas, y así mientras una trabaja la otra efectúa la operación de regeneración. La regeneración de una resina catiónica se lleva a cabo añadiendo un ácido fuerte, aportar H+, mientras la aniónica se regenera con bases, compuestos que aporten OH-

Ventajas y aplicaciones

Este es un proceso típico para ablandar o desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarse después de un tratamiento previo adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminación de las materias en suspensión, materias orgánicas, cloro residual, cloraminas, etc.

Diagrama de flujo
Esquema de un proceso de desionización de agua. Intercambio iónico
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MECANISMO Y APLICACIÓN



























EXPERIMENTO























Regeneración de Resinas de Intercambio Iónico

Tipos 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).
  • 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.
    • El ácido sulfúrico (H2SO4) es más fácil de transportar y almacenar y a veces más barato, pero es menos eficaz que el clorhídrico: la capacidad útil de la resina SAC es 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.
    • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Las resinas débilmente básicas (WBA) se regeneran en general también con sosa cáustica, pero otras bases más débiles se pueden emplear:
    • Amoníaco (NH4OH)
    • Carbonato de sodio (Na2CO3)
Concentraciones

Las concentraciones usuales son:
  • 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 ague bruta (la cual es la misma en la resina). Con resinas débilmente ácidas, la concentración es en general 0,7 %. Una concentración demasiado alta puede resultar en precipitados de sulfato de calcio.
    Con resinas fuertemente ácidas (SAC) la regeneración se hace generalmente en varias etapas, dichas concentraciones progresivas. Empeza 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.
En ciertos casos se emplean concentraciones diferentes de las de arriba, muchas veces más bajas, raramente más altas.


DATOS INTERESANTES:
ELIMINACIÓN DEL COBRE EMPLEANDO INTERCAMBIO IÓNICO
















APLICACIONES INDUSTRIALES

1. Aplicaciones en el Tratamiento de Agua

1.1 Ablandamiento

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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

Resinas recomendadas:
  • AmberliteTM IR120 Na, AmberjetTM 1000 Na
  • Amberlite SR1L Na para agua potable


Calidad del agua tratada:Dureza residual < 0,02 meq/L (0,1 °f) con regeneración a contra-corriente
Regeneración: salmuera (NaCl en solución de 10 %)

1.2 Descarbonatación




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

Resinas recomendadas:
  • Amberlite IRC86 para aguas industriales
  • Amberlite PWC13 para aguas de abastecimiento
  • ImacTM HP333 y 335 para cartuchos domésticos


Calidad del agua tratada:
Alcalinidad residual = muy baja (fín de ciclo tradicional a 10% del TAC del agua bruta)
Dureza residual = dureza permanente (TH – TAC)

Regeneración: ácido (de preferencia HCl en solución de 5 %)

1.3. Desmineralización

Fig. Desmineralizador de Agua automatico de doble columna (cation - anion)
Fig. Desmineralizador de Agua automatico de doble columna (cation - anion)

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 OHde 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.
Resinas recomendadas:
  • Amberlite IRC86 (débilmente ácida)
  • Amberlite IR120 o Amberjet 1000 o 1200 (fuertemente ácida)
  • Amberlite IRA96 ou IRA67 (débilmente básica)
  • Amberlite IRA402 ou Amberjet 4200 ou 4600 (fuertemente básica)
El uso de resinas débiles depiende de la composición del agua bruta y del tamaño de la planta de tratamiento.
Calidad del agua tratada:

Conductividad de 0,2 a 1 µS/cm en regeneración a contra-corriente
Slice residual de 5 a 50 µg/L según la cantidad de sílice en el agua bruta y de la tasa de regeneración.
El pH del agua tratada no se puede medir en agua desmineralizada.
Estos valores son más bajos que los obtenidos con otros procesos, tales como destilación u ósmosis inversa.

Regeneración

Intercambiadores de cationes: un ácido fuerte (HCl o H2SO4)
intercambiadores de aniones: sosa cáustica (NaOH)

2. Catálisis


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:

  • 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
Dimetilmaleato
Reactantes
Anhídrido maléico
Catalizador
Amberlyst 46
Temperatura
110 °C
  • Eterificación
Producto
Metil-ter-butil éter (MTBE)
Reactantes
Isobutileno + metanol
Catalizador
Amberlyst 35
Temperatura
40 – 80 °C
  • Deshidratación
Producto
Isobutileno
Reactantes
Isobutanol
Catalizador
Amberlyst 35
Temperatura
70 – 80 °C

  • Hydrogenación
Producto
Metil-isobutilcetona (MIBK)
Reactantes
Acetona
Catalizador
Amberlyst CH28 (dopado con paladio)
Temperatura
130 – 140 °C




BIBLIOGRAFIA:

Desmineralizadores. 2006.Consultado el 19 de Enero del 2012.Disponible en: http://www.desmineralizadores.com/tipos.html
UAM. 2006. Consultado el 19 de Enero del 2012.Disponible en: http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/experimentacionIQII/Intercambioionico2006.pdf
Metodos de Regeneración de una columna de Intercambio Ionico.François de Dardel 2010-2011. Consultado el 11 de Abril del 2012. Disponible en: http://dardel.info/IX/processes/regeneration_ES.html