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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.