OPERACIONES UNITARIAS TRANSFERENCIA DE MASA INTERCAMBIO IONICO BUSTAMANTE

OPERACIONES UNITARIAS TRANSFERENCIA DE MASA INTERCAMBIO IONICO BUSTAMANTE CERVANTES, Alexis Cristhian

Introducción Las operaciones de transferencia de masa tienen una gran importancia desde el punto de vista químico industrial, ya que es muy difícil encontrar un proceso químico que no requiera previamente la purificación de la materia prima o un producto intermedio, o simplemente separar el o los productos finales del proceso de sus subproductos. La transferencia de masa es la tendencia de uno o más componentes de una mezcla a transportarse desde una zona de alta concentración del o de los componentes a otra zona donde la concentración es menor.

CONCEPTO Es un intercambio de iones entre dos electrolitos o entre una disolución de electrolitos y un complejo. En la mayoría de los casos se utiliza el término para referirse a procesos de purificación, separación, y descontaminación de disoluciones que contienen dichos iones, empleando para ello sólidos poliméricos o minerales dentro de dispositivos llamados intercambiadores de iones.

CONCEPTO Antes de continuar con los tipos definiremos que es un intercambiador de iones o resina de intercambio de iones: Son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0. 3 a 1. 2 mm de tamaño efectivo, 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 (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc. ) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante.

TRATAMIENTO Después de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas de intercambio iónico sufren la pérdida de sitios de intercambio activo o sufren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio. Las resinas catiónicas fuertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar cationes asociados a los ácidos fuertes y las resinas aniónicas fuertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a baja concentración, tales como los carbonatos y silicatos.

Esta técnica es la más antigua: la solución de tratar pasa de arriba abajo, y la solución de regeneración pasa en la misma dirección. La regeneración en co-corriente no es óptima, porque las resinas fuertemente ácidas y fuertemente básicas no están convertidas totalmente en forma H+ o OH— respectivamente al finalde la regeneración: una conversión completa necesitaría cantidades excesivas de regenerantes. Resulta que las capas inferiores del lecho de resina son mal regeneradas, mientras las capas superiores son muy bien convertidas. Al principio de la fase siguiente de agotamiento, la fuga iónica es alta porque los iones no eliminados en la parte baja de la columna son desplazados por iones H+ (o OH—) producidos por el intercambio en la parte superior.

Regeneración en co-corriente (CFR)

La zona oscura en la imagen de arriba representa laproporción de resina agotada y la zona amarilla clara la de resina regenerada. La imagen de la derecha muestra lo que quiero decir: por ejemplo, al nivel A en la columna, la resina está 50% agotada y 50% regenerada. Por encima de la zona de intercambio, la resina es totalmente agotada, y por debajo, totalmente regenerada (en esta imagen). En una regeneraciíon en co-corriente, la única manera de reducir la fuga permanente es aumentar la cantidad de regenerante para dejar una proporción menor de resina agotada en la parte baja de la columna al final de la regeneración.

El cloruro de sodio (Na. Cl) 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 (NH 4 Cl) 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).

RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO Las resinas de intercambio iónico están destinadas a varios usos, descalcificación, deshitratación, desionización, desnitratación. Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos. Detalle de las esferas de resina de intercambio iónico. El tamaño real de las esferas es superior a 0. 2 mm para que no puedan pasar a través de las crepinas del desmineralizador, y generalmente inferior a 1 mm.

Resinas catiónicas de ácido fuerte: Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier p. H. 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 p. H 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.

En la parte superior de la imagen se muestra resina catiónica, en la parte inferior aniónica.

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 - Na. OH). Monoesfera Monoesferica

Resinas aniónicas de base débil: Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración. No se puede utilizar a p. H altos. pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento. A la izquierda resina catiónica, a la derecha resina para lecho mixto y en la parte inferior resina aniónica. Se puede observar como en la resina de lecho mixto existendiferentes tamaños y colores. Las resinas aniónica y catiónica son monoesfera y de color uniforme

Selectividad Las resinas de intercambio iónico presentan diferentes selectividades hacia los iones. A continuación se detalla el orden de selectividad de las resinas de intercambio iónico, en orden decreciente (de mayor a menor selectividad): Resinas catiónicas de ácidos fuertes: Ag+, Pb++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, H+ Resinas catiónicas de ácidos débiles: H+, Cu++, Ca++, Mg++, K+, Na+ Resinas aniónicas de bases fuertes: CO=3, SIO=3, I-, HSO 4 -, NO-3, Br-, HSO-3, NO 2 -, Cl-, HCO 3 -, F- Resinas aniónicas de bases débiles: SO=4, CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F-

TIPOS INTERCAMBIADORES DE CATIONES caracterizados por la presencia en su molécula de radicales de función ácida, sulfúrica o carboxílica, tipo HSO 3 o HCO 2, capaces de fijar cationes minerales u orgánicos y de intercambiarlos entre sí, o por el ión hidrógeno.

Intercambiadores de cationes minerales y carbones sulfonados: estos productos apenas presentan más que un interés histórico. Intercambiadores de cationes sintéticos: estos productos pueden clasificarse en dos grupos: intercambiadores fuertemente ácidos, caracterizados por la presencia de radicales sulfónicos HSO 3, que tienen una acidez próxima al ácido sulfúrico, e intercambiadores débilmente ácidos, caracterizados por la presencia de radicales carboxílicos HCO 2, que pueden equipararse a los ácidos orgánicos del tipo del ácido fórmico o acético. Poliestirenos sulfonados: estos productos constituyen la mayor parte de los intercambiadores de cationes que se utilizan en la actualidad. Intercambiadores carboxílicos: estos productos, de fórmula general HCO 2 -R, son del tipo débilmente ácido. En el tratamiento de aguas, pueden liberar el ácido carbónico por fijación de los cationes Ca, Mg, Na correspondiente a los bicarbonatos, pero no pueden intercambiar los cationes en equilibrio con aniones sulfato, cloruro o nitrato.

INTERCAMBIADORES DE ANIONES sus moléculas contienen radicales de función básicas, por ejemplo funciones capaces de fijar aniones minerales u orgánicos y de intercambiarlos entre sí ó por el ión hidroxilo OH-.

Cambiadores de aniones débil o medianamente básicos Cambiadores de aniones fuertemente básicos Todas las resinas fuertemente básicas utilizadas en el proceso de desmineralización, pueden incluirse en dos grandes grupos: - Tipo I: La basicidad es fuerte y la capacidad débil; el rendimiento de regeneración es mediocre. - Tipo II: La basicidad es más débil la capacidad, en cambio, más elevada; el rendimiento de regeneración es mejor. Cada uno de estos tipos de resinas tienen su propio campo de aplicación, condicionado por la naturaleza del agua a tratar y por las modalidades de regeneración.

EQUIPOS DESMINERALIZADORES El desmineralizador es un equipo utilizado para eliminar 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

DESCALCIFICADORES El descalcificador es un equipo utilizado para la eliminación de la dureza en el agua (calcio y magnesio) mediante el uso de resinas de intercambio iónico: al pasar los iones calcio y magnesio a través del descalcificador éstos quedan retenidos en la resina de intercambio iónico, siendo en su lugar liberados iones sodio. El descalcificador consta de: Una botella, generalmente de fibra de vidrio, parcialmente llena de resina. Una válvula (ó válvulas) para el correcto funcionamiento del equipo. Un depósito lleno de sal (cloruro sódico). La dureza del agua producirá incrustaciones en la instalación a la que suministra el agua (caldera, circuito de refrigeración, …) lo que hace que disminuya su eficacia y su vida útil.

DESNITRIFICADOR El desnitrificador es un equipo automático utilizado para la eliminación de nitratos del agua. Los desnitrificadores trabajan mediante resinas de intercambio iónico, con regeneración volumétrica retardada o instantánea. El desnitrificador reemplaza aniones disueltos con mayor afinidad por la resina que los cloruros por estos últimos. Esta alternativa es altamente recomendable en aguas de alto contenido de nitratos y baja salinidad, donde no es necesario desmineralizar Cabe indicar que los nitratos son unos de los contaminantes más habituales presentes en aguas superficiales y especialmente en aguas subterráneas.

DESCARBONATADOR Es un equipo cilíndrico que cuenta con una zona central de mezcla y reacción, equipado co una hélice de diseño especial y un faldón de repartición para favorecer el cambio de velocidad del agua cruda y pasar por la zona clarificación. En el descarbonatador se emplea una resina carboxílica previamente regenerada con ácido. Esta resina tiene la propiedad de fijar los cationes metálicos y liberar los aniones correspondientes en forma de ácido libre, hasta que el p. H del agua tratada alcance un valor comprendido entre 4 y 5, lo que corresponde a la liberación total del ácido carbónico de los bicarbonatos, no siendo fijados por la resina los cationes ligados a los aniones de ácido fuerte (Cloruros, nitratos, sulfatos).

APLICACIONES

DESCALSIFICACION O ABLANDAMIENTO 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: • Amberlite. TM IR 120 Na, Amberjet. TM 1000 Na • Amberlite SR 1 L Na para agua potable Calidad del agua tratada: Dureza residual < 0, 02 meq/L (0, 1 °f) con regeneración a contra-corriente Regeneración: salmuera (Na. Cl en solución de 10 %)

Para ablandar agua se toma una resina intercambiadora de cationes en la cual los iones móviles dentro de la resina son sodio (Na+) y se pasa el agua a través de una columna llenada con esta resina en forma sodio. Los iones de dureza Ca++ et Mg++ entran en las perlas de resina, y cada uno de estos iones produce la salida de dos iones de sodio. La reacción de intercambio se puede escribir: La figura 4 ilustra esta reacción: las perlas de resina son inicialmente cargadas con iones de sodio (Na+). Cada ion de calcio o de magnesio que penetra en la resina es reemplazado por dos iones que salen. Los aniones del agua — no representados en esta figura — no pueden entrar en la resina, porque serían rechazados por los aniones sulfonato fijos (SO 3—) que forman los grupos activos de la resina.

DESMINERALIZACION El agua desmineralizada o el agua demi es el agua a la cual se le quitan los minerales y las sales. Se utiliza cuando se requiere agua con bajo contenido en sal o baja conductividad. 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 intercambiadora 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 OH— de las resinas aniónicas. Estos iones se recombinan formando nuevas moléculas de agua (H 2 O). El agua tratada no contiene sino trazas de sodio y de sílice.

Si cambiamos todos los cationes disueltos en el agua por iones H+ y todos los aniones por iones OH—, esos se van a recombinar para producir nuevas moléculas de agua. Para conseguir esto, necesitamos una resina intercambiadora de cationes en la forma H y una resina intercambiadora de aniones en la forma OH. Todos los cationes y aniones del agua se intercambian y el resultado neto es una desaparición completa de las impurezas ionizadas. La reacción del intercambio de cationes es: En estas ecuaciones, R' representa la resina intercambiadora de cationes. El intercambio es ilustrado en la figura 5. La resina es inicialmente en la forma hidrógeno (H+). Los aniones no aparecen en esta ilustración. Se ve que un ion calcio Ca++ entrando en la resina causa la salida de dos iones H+, mientras un ion Na+ se intercambia por un ion H+.

REGENERACION DE UN ABLANDADOR La regeneración de una resina ablandadora se hace con iones sodio (Na+) suministradas por una solución de cloruro de sodio (sal común Na. Cl). la reacción de regeneración es: La regeneración es eficaz solo cuando la concentración del regenerante es alta, típicamente 1000 veces la concentración en agua normal. Por ejemplo, la sal de regeneración de un ablandador se utiliza en una salmuera con una concentración de 10 % (un poco más de 100 g/L). Ahora sabe porqué pone sal en su lavaplatos: esta sal diluida en agua regenera el cartucho de resina ubicada en el fondo de la máquina, fuera de vista.

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