Adsorcion de Inter Cam Bio Ionico

8/8/2019 Adsorcion de Inter Cam Bio Ionico

1/13

PROGRAMA DE POSGRADO INGENIERIA AMBIENTAL QUIMICA DEL AGUA

1

TEMA DE INVESTIGACIN:ADSORCIN E INTERCAMBIO INICO

1. INTRODUCCIONEl agua es el componente qumico ms abundante en la biosfera y quiz tambin el

ms importante. Casi toda la vida en la Tierra, incluso la humana, utiliza agua como mediofundamental para el funcionamiento metablico. La eliminacin y dilucin de la mayor parte de los desechos naturales y de origen humano estn a cargo del agua casi en sutotalidad. El agua posee varias propiedades fsicas peculiares que son la causa directa de laevolucin de nuestro medio ambiente y de la vida y funciona dentro de l. Su capacidadpara conducir y almacenar calor no tiene igual en ninguna otra sustancia[4].

El agua contiene diversas sustancias fsicas y qumicas. Por stas razones suele sernecesario, suele ser necesario tratarlas a fin de hacerla adecuada para su uso.

El agua que contiene sustancias microscpicas qumicas y en general materialparticulado puede ser perjudicial para ciertos procesos industriales e idnea para otros.

Las aguas subterrneas con piedra caliza ,pueden tener un alto contenido de dureza

y requerir ablandamiento previo a sus uso. En tal caso es posible realizar su tratamiento atravs de procesos unitarios como son la Adsorcin e Intercambio Inico.

En 1852, Way descubri que la eliminacin del amoniaco de lquidos acuosos quese hacan pasar a travs de ciertos suelo eran en realidad un intercambio con calcio de untipo especial de silicato que existia en los suelos. El verdadero estimulo para las resinasorgnicas intercambiadoras se presento cuando Adams y Holmes [7] publicaron susresultados sobre las resinas orgnicas intercambiadoras, completamente sintticas, ydescribieron las resinas cambiadoras aninicas. En la actualidad el intercambio inico se havuelto un valioso proceso de conversin qumica. Su utilizacin a gran escala industrialesta muy extendida, incluso en la produccin comercial de agua desmineralizada con bajaconductividad elctrica

En ste sentido el presente trabajo tiene por objetivo estudiar los diferentes principios cientficos, por los que est fundamentado el proceso de Adsorcin eIntercambio Inico como opcin de tratamiento de aguas mediante carbn activado y unintercambiador inico con el fin de obtener un tipo de agua con caractersticas msatrayentes para su uso, en lo que se refiere a : olor, color, sabor, pH , dureza, etc..

1.2. OBJETIVOS GENERALES

El objetivo del presente trabajo es presentar un fundamento cientfico de lo queengloba el proceso de Adsorcin e Intercambio Inico para tratamientos de aguas concaractersticas agresivas para el uso tanto en industrias como para su consumo.

1.3. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diagnstico del proceso de Adsorcin Estudio del carbn activado Diagnstico del proceso de Intercambio inico Estudio de un intercambiador inico


2/13


2

2. FUNDAMENTO TERICO

2.1. PRINCIPIOS DE LA ADSORCIN [6]

La adsorcin, es la transferencia selectiva de uno o ms solutos (adsorbato) de una

fase fluida a una de partculas slidas (adsorbente). La selectividad comn de un sorbenteentre el soluto y el fluido portador o entre varios solutos, hace posible la separacin deciertos componentes presentes en el fluido.

En forma similar, en la operacin inversa, llmese Desorcin, .se realiza a menudola separacin de las especies que se encontraban originalmente en el slido.

En general, la Adsorcin incluye la acumulacin de molculas de soluto en unainterfase.

La acumulacin por unidad de rea es pequea; por consiguiente se prefieren losslidos altamente porosos con reas internas muy grandes por unidad de volumen.Generalmente las superficies son irregulares y las energas de enlace debidas bsicamente alas fuerzas de Van der Waals

Los adsorbentes son materiales naturales o sintticos de estructura amorfa ymicrocristalina. Los utilizados en gran escala incluyen el Carbn activo, la almina activa,el gel de slice , la tierra de fuller , otras arcillas ,etc..

Se tienen dos tipos de adsorcin: Adsorcin Qumica y Fsica

El nivel de actividad de la adsorcin se basa en la concentracin de la sustancia enel agua, la temperatura y la polaridad de la sustancia. Una sustancia polar ( sustancia que essoluble en agua) no puede ser adsorbida por el carbn activo, contrariamente, una sustanciano polar es posible ser adsorbida por el carbn activo. Cada clase de carbn tiene su propio

isoterma de la adsorcin (vase que el cuadro 1) y en el negocio del tratamiento de aguaseste isoterma es definido por la ecuacin de Freundlich[4].

Ecuacin de Freundlich:

x/m = sustancia adsorbida por gramo de carbn activoCe = diferencia de concentracin (entre antes y despus)

Kf, n = constantes especificas

Existen otras isotermas como las de Langmuir y otros, pero debido a la mayoraplicabilidad se da mayor relevancia a la funcin de Freundlich

3. MECANISMOS DE ADSORCIN

Las molculas a partir de la fase del gas o del lquido sern unidas de una manera fsicaa una superficie, en este caso que la superficie es del carbn activo. El proceso de laadsorcin ocurre en tres pasos:

Macro transporte : El movimiento del material orgnico a travs del sistema delmacro-poros del carbn activo (macro-poros > 50nm)

n

efCKm

X /1=


3/13


3

Micro Transporte : El movimiento del material orgnico a travs del sistema delmicro-poros del carbn activo (microporo < 2nm; meso-poro los 2-50nm)

Absorcin: El accesorio fsico del material orgnico en la superficie del carbnactivo en los mesoporos y micro-poros del carbn activo

3.1. PROCESO DE ADSORCIN

El proceso de Adsorcin esta de acuerdo a la siguiente figura 1, en donde se tiene lacantidad adsorbida en miligramos por cada gramo de carbn(adsorbente) en funcin de laconcentracin de equilibrio

Figura 1. cantidad necesaria de carbn Vrs concentracin de equilibrio

La descripcin de la ocurrencia del proceso de adsorcin es el siguiente:

Figura 2. volumen tratado Vrs concentracin


4/13


4

La figura 2 muestra, la variacin de la concentracin del adsorbato (agotamiento del filtrode carbn) en relacin al volumen tratado de agua.

3.2. CARACTERISTICAS DEL CARBON ACTIVADOEl Carbn Activado es un excelente adsorbente que ha sido utilizado exitosamente

durante siglos: al principio en forma de polvo para propsitos medicinales y purificacindel alcohol; ms tarde en forma granular durante la 1ra Guerra Mundial en las mscarasantigases y ms recientemente para la recuperacin de solventes.

El carbn activo se produce especficamente para alcanzar una superficie internamuy grande (entre 500 - 1500 m 2 /g). Esta superficie interna grande hace el carbn tengauna adsorcin ideal. El carbn activo viene en dos variaciones: Carbn activado polvo(PAC) con un dimetro menor a la malla de tamiz # 200, y el carbn activo granular (CAG)con un dimetro de partcula de 0.1 mm. .

La superficie del carbn es no polar por lo cual este resulta afn a los adsorbatos no polares como son las materias orgnicas. La adsorcin es un fenmeno superficial en el

cual el adsorbato es retenido sobre la superficie del carbn debido a las fuerzas de Van derWaals.

La saturacin est representada como su punto de equilibrio. Estas fuerzas sonfsicas, lo cual significa que el proceso es reversible (a partir del uso de calor, presin, etc.).El carbn tambin es capaz de absorcin. En estos casos ocurre una reaccin qumica en lasuperficie del carbn que cambia el estado del adsorbato. Esta es una reaccin irreversible yest ejemplificada en el proceso de declorinacin el cual se produce por una reduccincataltica.

Ejemplos de aplicacin de carbn activos en diferentes procesos:

Depuracin de agua subterranea El proceso de decloracion del agua Depuracin de aguas para piscinas Refinamiento de las aguas residuales tratadas

Los parmetros importantes y valores tpicos usados para caracterizar el diseo yoperacin de adsorbentes como el CAG. Estn descritos de acuerdo a la tabla 1.

Tabla 1. Parmetros de diseo de un adsorbedor CAG.

Factores UnidadesVolumen de camarea de seccin transversalLongitudVelocidad de filtroTiempo de contacto de cama vacaTiempo de operacinCantidad de uso de carbn

10-50 ...m35-30 m21.8-4 ...m

5-15...m7h5-30.... min

100-600 dias5-10 g7m3

Fuente: Sheppard T. Powell


5/13


5

Tabla 3. Los diferentes tipos de carbn estn de acuerdo al cuadro siguiente.Propiedad Coco Carbn Mineral Lignito Madera

Microporo Alto Alto Mediano Bajo

Macroporo

Bajo Mediano Alto AltoDureza Alta Alta Baja Mediana

Cenizas 5% 10% 20% 5%

Cenizas Solubles enAgua

Alta Baja Alta Mediana

Polvo Bajo Mediano Alto Mediano

Regeneracin Buena Buena Pobre Regular

Densidad Aparente 0,42 g/cc 0,48 g/cc 0,3 g/cc 0,35 g/cc

Indice de Yodo 1100 1000 600 100

Fuente: Vergara Yayon Francisco

3.4. INTERCAMBIADOR INICO

Definicin: Es una reaccin qumica en la que los iones mviles hidratados de un slidoson intercambiado equivalentemente, por iones de igual carga en solucin. El slido tieneuna estructura de red de pesca abierta y los iones mviles neutralizan elctricamente a losgrupos cargados, o potencialmente cargados, que estn adheridos a ala matriz slida,conocido como intercambiador inico. El intercambio de cationes ocurre cuando el catinmvil, cargado positivamente y unido al grupo cargado negativamente, este a su vez fijo enel intercambiador inico, se cambia por otro catin en solucin. De modo semejante, elintercambio aninico ocurre cuando el anion mvil, cargado negativamente y unido a ungrupo unido positivamente y fijo sobre la resina intercambiara, se intercambia por otroanion en la solucin[5].

En 1852, Way descubri que la eliminacin del amoniaco de lquidos acuosos que sehacan pasar a travs de ciertos suelo eran en realidad un intercambio con calcio de un tipoespecial de silicato que exista en los suelos. El verdadero estimulo para las resinasorgnicas intercambiadoras se presento cuando Adams y Holmes [4] publicaron susresultados sobre las resinas orgnicas intercambiadoras, completamente sintticas, ydescribieron las resinas cambiadoras aninicas. En la actualidad el intercambio inico se havuelto un valioso proceso de conversin qumica. Su utilizacin a gran escala industrialesta muy extendida, incluso en la produccin comercial de agua desmineralizada con bajaconductividad elctrica

Los primeros productos empleados en la industria como intercambiadores inicosfueron las zeolitas inorgnicas de origen natural, como los silicatos de aluminio, que tenermuy baja capacidad de intercambio por meros cubico del material. La siguiente mejoraconsisti en la introduccin de intercambiadores inicos orgnicos, hecho a partir de productos naturales sulfonados como el carbn, la lignita y la turba, sin embargo , la


6/13


6

mayora de las resinas intercambiadoras de iones de alta capacidad se basan en el poliestireno divinilbenceno (SDVB). Mas del 80% de las resinas intercambiadoras seemplean para tratamientos de agua. La literatura que se refiere a la mltiples aplicacionesde los intercambiadores inicos, es muy extensa[6]. Pueden escogerse para eliminar ypurificar, por ejemplo uranio, itrio, de soluciones acuosas diluidas; para retirar impurezas

de soluciones acuosas, como en el jarabe del azcar para mejorar la cristalizacin, en latecnologa de alimentos, para catalizadores, o simplemente para secar solventes no polares.En el intercambio inico, la fase slida contiene grupos enlazados o unidos que portan

una carga ionica, ya sea positiva o negativa, en combinacin con iones libres de cargaopuesta que se pueden desplazar. Los primeros intercambiadores inicos fueron polmerosde silicatos inorgnicos de tipo microcritalino; zeolitas o arenas verdes, que serelacionaban con los tamices moleculares. A estos siguiendonlos carbones oxidados(carboxilados) o sulfonados, la mayora de los intercambiadores inicos en uso hoy en dase basan en resinas sintticas, casi siempre poliestireno copolimerizado con divinilbenceno(para conferir la cantidad necesaria de enlaces cruzados); son permeables solo adimensiones moleculares, excepto cuando se superponen deliberadamente una red de porosmas bastos. En la siguiente figura 3 se ilustra de manera esquemtica la estructuramolecular de un intercambiador en forma de iones de hidrogeno.

Figura 3. Distribucin estructural de los iones intercambiables inico orgnico, sinttico

Las resinas para intercambio catinico contienen por lo general, grupos enlazados alcido sulfonico; en un grado menor, estos grupos pueden ser del tipo carboxilo, fosofonico,dosfinico, etc. Las resinas aninicas comprenden grupos de amonio cuaternario(fuertemente bsicos) u otros grupos amino (dbilmente bsicos).

El intercambio inico se expresa como una reaccin reversible que comprendecantidades qumicamente equivalentes; como ejemplo del intercambiador catinico, se

citara la reaccin ya conocida para suavizar el agua:

)(2)()(2)( 2 aqNaresinaCaresinaNaaqCa++++++ ++


7/13


7

O bien,

3.4.1. En el proceso de intercambio con catin sodio

Es el que se emplea en forma mas amplia para el ablandamiento del agua[7]. Duranteel proceso de ablandamiento, los iones de calcio y magnesio son eliminados del agua dura por intercambio catinico con los iones de sodio. Cuando la resina intrercambiadora aquitado los iones de calcio y magnesio prcticamente al limite de su capacidad, se regeneraa su forma de sodio con una solucin de sal en el intervalo 6 a 8 de pH. La capacidad deintercambio de las resinas de poliestireno es de 650 Kg/m cuando se regeneran con 250 gsal por kilogramo de dureza eliminada. Los intercambiador cationicos del ciclo del sodio odel hidrogeno para el ablandamiento del agua son, por lo general del tipo de resina sintticade estireno divilbenceno sulfonado. Este tipo es excepcionalmente estable a temperaturaselevadas (hasta de 150C) y en todo el amplio intervalo de pH, desde 0 hasta 14. Adems,es un tip muy resistente a las condiciones de oxidacin. La capacidad total deintercambiador con un ciclo de hidrogeno es de hasta 925 Kg de CaC03 por metro cubico enun intercambiador con un ciclo de hidrogeno y arriba de 810 kg de CaC03 por metro cubicoen un intercambiador con un ciclo de sodio. La capacidad en la practica de operacincomn no son tan elevadas.

El smbolo R representa el radical el intercambio cationico en las siguientes reaccionespara el ablandamiento:

Calcio Bicarbonato Intercambiador intercambiador Bicarbonatoy/o Sulfato y/o catinico cation de calcio sodio sulfato y/omagnesio Cloruro de sodio y/o magnesio cloruro(soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble)

cuando se agota la habilidad del lecho de intercambio catinico para producir aguacompletamente blanda, la unidad de ablandamiento se pone temporalmente fuera de

servicio; se le hace un lavado inverso para limpiar y reclasificar hidraulicamente laspartculas de resina en el lecho; se le regenera con una columna de sal comun (cloruro desodio), la cual elimina el calcio y el magnesio en forma de cloruros solubles ysimultneamente vuelve al intercambiador catinico a su forma de sodio; y se le regresa alservicio ya listo para ablandar otro volumen igual de agua dura. Las reacciones deregeneracin pueden indicarse como mediante el empleo de la sal (o cido sulfrico en unciclo de hidrogeno):

++

2

4

23

22

2

4

23 )(

2

)(

Cl

SO

HCO

NaRMg

CaNaR

Cl

SO

HCO

Mg

Ca

+++ ++ NaCaRNaRCa 22 2


8/13


8

En donde R representa un sitio aninico univalente y estacionario en la red del polielectrolito de fase del intercambiador. Como sucede en casi todas las operaciones desorcion, el sorbente slido debe conservarse despus de su uso, ya se mediante untratamiento de regeneracin o revivifivcacion con una solucin que contenga el ion queestaba presente inicialmente en el solido. Un exceso perpetuo de este ion durante la etapa

de regeneracin har que el equilibrio de la reaccin se invierta por si solo, restaurando a laresina a su condicin inicial.El intercambio inico entre electrolitos fuertes se desarrolla usualmente hasta que se

agota casi por completo, la capacidad estequiomentrica del intercambiador, enconsecuencia la capacidad del sorbante es mas o menos constante, sea cual fuera lacomposicin de la solucin tratada, se presenta una excepcin aparentemente cundo se trataun cidos o una bases dbiles, ya sea en la resina o en la solucin (o en ambas), en que lacapacidad aparente de la resina puede ser mucho menor que su valor estequiometrico; unejemplo de esto se observa en la eliminacin incompleta del cido silisico (H2SiO4) durantela etapa anionica de la desmineralizacin del agua.

Se han sintetizado resina quelatantes de intercambio inico que manifiestan unaselectividad desacostumbradamente marcada hacia ciertos cationes.

Existe una presentacin comercial (Dowx A-1) de una matriz de poliestireno quecontiene grupos imino diacetato particularmente selectivo por cobre, nquel, cobalto yhierro.

El equipo de ablandador de zeolitas se disea para operar ya sea a flujo porgravedad o por presin, los suavizadores por gravedad se construyen en tanquesrectangulares de concreto o tanques cilndricos de acero, se emplea este tipo donde serequiera amplia capacidad, y por lo tanto una extensa rea de lecho; tales ablandadorestiene la ventaja de ser rpidamente accesibles para inspeccin y mantenimiento. Estaoperacin tratamiento se realiza para eliminar la dureza formada por las sales de calcio ymagnesio que provienen de la dureza natural de las aguas de suministro y que causanincrustaciones en los equipos y calderos. Se lograra remover la dureza temporal ypermanente[2] .

3.4.2. Tipos de resinas

Tambin se han desarrollado resinas de transferencia e electrones o de oxidacinreaccin, para llevar a cabo reacciones de oxido reduccin. Algunas de esa ndoleincorporan grupos de hidroquinona a la estructura del polmero que sufre la oxidacinreversible a quinona. Del mismo modo se han empleado poli (mercaptoestirenos) para elmismo fin. Estas dos clases de resinas son capaces de aumentar (en oxidaciones) o reducir(reducciones) la valencia de los iones metlicos susceptibles sin afectar a ninguna otraforma la solucin tratada. Tambin parecen ser apropiados para eliminar oxigeno de agua.

Infiltracin de un gel proporciona una separacin basada en el tamao moleculardesarrollada con un sustrato liquido. Implica el uso de grnulos de un material permeable ysumamente sovlatado, como el que se unas en el dilisis de membrana, por ejemplo lacelulosa. El granulo admite solutos cristaloides ya sea inicos o moleculares, hasta de 10o 15 angstroms de dimetro; pero rechaza por completo materiales coloidales dedimensiones mayores que este tamao limite que el cristaloide abandone la partcula y serecupere en el efluente, dejando slido listo para reutilizarse.


9/13


9

Tabla 3. Propiedades fsicas de materiales para el intercambio inico

Capacidadde

intercambio

Material

Formadelaspartculas

Densidad

dem

asa

hmeda

(escurrido)(lb/pies3)

Contenido

de

humedad

(escurrido)

Esponjamiento

debido

al

intercambio(%)

Mxima

temperatura

de

operacin(F)

PH

Seco(meq/g)

Hmedo

(meq/g)

Designacin

del

nombre

industrialregistrado

Fuertemente cidoPoliestireno sulfonadoResina homognea E j 250(H)-300(Na) 0-141% de enlaces cruzados 44-55 84-92 5-5,8 0,4 Diasion SKIResina derivadas de cidosulfrico y fenolmetileno

G 43-48 50-65 2 100(H)-200(Na) 0-14 1,3-1,7 0,6 Allasion C; Dusarit;Permutit H-62

Arena verde G 80 1-5 140 6-8 7-8 0,5 Cochranex CG. CRH;Zeo-Dur

Silicato de aluminio 40-60 100 7-8 1,4 0,5 Cochranex CSL, DecalsoMatriz de poliestireno E 44 50 1-13 3,2 1,2 Diaon SA21AFuente: Perry

3.4.3. Proceso de intercambio catinico con hidrogeno

Se parece mucho al procedimiento con cation sodio, excepto en que las resinasintercambiara contienen un ion hidrogeno intercambiable y que se puede emplear paraeliminar todos los cationes. El simbolo R representa el radical complejo para elintercambiador de cation hidrogeno en las siguientes reacciones para intercambios con

bicarbonatos:Calcio Intercambiador intercambiador DioxidoMagnesio Bicarbonatos catinico de catinico de Agua deY/o sodio hidrogeno calcio y/o Mg Carbono(soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble)

Las reacciones con sulfito y cloruros, cuando se emplean el smbolo R para representarel radical orgnico del intercambiador, pueden indicarse como sigue:

Calcio Sulfato Intercambiador Intercambiador Acido sulfricoMagnesio y/o catinico de catinico de calcio y/o clorhdricoY/o sodio cloruro hidrogeno magnesio y/o sodio(soluble) (insoluble) (insoluble) (soluble)

222223

2

222)( COOHRMgNa

Ca

HRHCONaMg

Ca

++

+

+

+

2

4222

2

4

2

2Cl

SOHR

Mg

Na

Ca

HRCl

SO

Na

Mg

Ca


10/13


10

3.4.4. Regeneracin con cido sulfrico

Es el mtodo mas usado y mas econmico entre todos los mtodos de regeneracin. Lasreacciones, en forma condensada, pueden indicarse como sigue:

Intercambiador Acido sulfrico Intercambiador sulfato de calciocatinico de catinico de magnesio y/oCalcio, magnesio hidrogeno sodioY/o sodio(insoluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

El agua cida no es deseable en la mayor parte de los propsitos, por lo que el efluentedel tratamiento de intercambio con cation de hidrogeno debe ser neutralizada o mezcladacon agua tratada con zeolita de sodio. Si se requiere desmineralizacin, se hace pasar atravs de un material intercambiador de aniones.

3.4.5. intercambiador aninicos

Son de dos tipos de resinas, las fuertemente bsicas o dbilmente bsicas. Ambos tiposeliminan cidos fuertemente ionizados, como sulfrico, el clorhdrico o el ntrico, pero sololos intercambiadores aninicos fuertemente bsicos eliminan tanto los cidos dbilmenteionizados, como el silicato y el carbnico. Las reacciones que siguen el intercambioaninico de un cido fuertemente ionixado, en donde R4N representa el radical complejo deintercambio aninico (algunas de las R pueden ser hidrogeno):

Regeneracin:

Los intercambiadores aninicos fuertemente bsicos se regeneran con sosa custica, concarbonato de sodio y e ocasiones con hidrxido de amonio.

Los sistemas de intercambio de inicos escogidos varan de acuerdo con: El volumen y composicin de las aguas crudas. Los requerimientos de la calidad del efluente para diferentes empleos. Costos comparativos del capital y de operacin

Como el ablandamiento de zeolitas depende de reemplazar iones sodio y potasio porcalcio y magnesio, la regeneracin puede efectuarse por cualquiera de las sales de sodio o

4

2

422

2

2 SO

Na

MgCa

HRSOHR

Na

MgCa

++

OHSONRNOHRSOH 2424442 2)(2 ++

SONaNoHRNaOHSONR 24424 22)( ++


11/13


11

potasio. El cloruro de sodio sin embargo, es comnmente usado porque es bajo en costos yobtenible en forma comercial y rpida en la mayor parte de las reas. La cantidad de salrequerida depender, de la cantidad de iones de sodio que reemplazaron al calcio ymagnesio removidos del agua que se han tratado. La cantidad de sal para regenerar elmaterial cambiador de iones, excede gradualmente al requisito terico de 75,82 gramos por

1 Kg de dureza removida, calculada como carbonato de calcio. Este proceso es necesario acausa de la mayor afinidad de la zeolita por el calcio y magnesio que por el sodio, lo que alregenerar la zeolita requiere accin de masa para sobreponer este factor.

La eficacia de regeneracin de la zeolita y otras resinas cambiadoras de iones, se definecomo los gramos de regenerante por Kg. De iones removidos. En el uso de arena verdenatural y zeolitas sintticas para suavizar agua, fue comn durante muchos aos emplear0,227 Kg de sal por Kg de dureza removido. Mejores materiales y proceso condujeron auna mejora en la eficiencia obtenindose 0,136 Kg por Kg en algunos casos. El nivel deregeneracin, esto es, los Kg de regeneracin por metro cubico de zeolita, varanconsiderablemente de las zeolitas arenosas verdes a las resinas de alta capacidad que seusan en ciclo de sodio. (En la tabla 4 se detalla los costos estimados para el diseo de unintercambiador inico)

Los factores que influyen en la consumos de sal durante la regeneracin dependen de:1. El tipo de material de intercambio.2. El grado de dureza: las aguas mas duras requieren para su regeneracin, un consumo

mayor de sal de la necesidad de aguas de baja o dureza media.3. La efectividad de la distribucin de la sal en el lecho.4. Procedimiento para economizar sal, aplicables a algunos tipos de materiales de zeolita.5. Ablandamiento y regeneracin incompletas, sistemas conocido como restriccion de

sal.

Es un proceso unitario en el que los iones de los diferentes especies en disolucindesplazan a los iones insolubles de un determinado material de intercambio. El uso masextenso de este proceso es el ablandamiento de aguas residuales domesticas, en los que losiones sodicos de la resina catinica de intercambio sustituyen los iones de calcio ymagnesio presentes en el agua, reduciendo por lo tanto su dureza. Para la reduccin de losslidos disueltos totales, es necesario utilizar tanto resinas de intercambio aninico comoresinas de intercambio catinico. Primeramente, el agua residual se hace circular a travs deun intercambiador de catinies, en el que los iones positivos se sustituyen por los ioneshidrogeno. El efluente del intercambio catinico se hace pasar por una resina deintercambio inico, proceso en que los iones aninicos se sustituyen por iones hidrxilo.Por lo tanto, los slidos en suspensin se sustituyen por iones hidrogeno e hidrxilo quereaccionan para formar molculas de agua.

Los intercambiadores inicos suelen ser del tipo de columna con flujo descendente. Elagua entra por la parte superior de la columna sometida a una cierta presin, circula ensentido descendente a travs del lecho de resina, y se extrae por la parte inferior, cuando seagota la capacidad de la resina, la columna se somete a un ciclo de lavado a contracorrientepara eliminar los slidos atrapados y proceder a la posterior regeneracin.


12/13


12

La resina de intercambio catinico se regenera con un cido fuerte, como el sulfuro o elclorhdrico. El regenerador de resinas aninicas mas comnmente empleados es elhidrxido de sodio. La desmineralizacin por intercambio inico puede tener lugar endiferentes columnas de intercambio dispuestas en serie, si bien resinas se pueden mezclaren un nico reactor.

Las elevadas concentraciones de slidos en suspensin en el agua que entra en lasunidades de proceso pueden taponar los lechos del intercambio inico, provocando grandes prdidas de carga y rendimientos ineficaces. La obturacin de las resinas puede venir producida por la presencia de materia orgnica residual en los efluentes de tratamientobiolgicos. Antes de la desmineralizacin por intercambio inico, es necesario llevar a caboalguna forma de tratamiento qumico y de decantacin. No todos los iones disueltos seeliminan por igual: cada resina de intercambio inico se caracteriza por una serie selectiva,y algunos de los iones del final de la serie tan solo se eliminan parcialmente. En lasaplicaciones de reutilizacion, la reduccin de los slidos suspendidos hasta un nivelaceptable se podra conseguir con el tratamiento de parte del agua por intercambio inico,seguida de la mezcla con agua no intercambi inico alguno. Aun cuando el fenmeno deintercambio inico fue notado y reportado vagamente a principios de la historia del hombre,se registraron las observaciones sin tenerse un conocimiento de las leyes qumicas quegobiernan estos fenmenos, o las aplicaciones practicas o comerciales de ellas.Investigaciones y desarrollos subsecuentes han confirmado la exactitud de algunasobservaciones y conclusiones siguientes:

1. El descubrimiento de los iones calcio y magnesio pueden ser removidos al pasar atravs de algunas clases de suelos, ha sido confirmado.

2. Ciertos iones son mas fciles de ser removidos que otros, y los iones se intercambian eniones equivalentes.

3. Los silicatos de aluminio son los materiales activos responsables del intercambio deiones.

4. La velocidad del intercambio es menor, tanto por la influencia del coeficiente detemperatura, como los requeridos por la reaccin qumica verdadera.

5. Las propiedades del intercambio inico se destruyen al calentar el material.6. El intercambio de iones no es debido a la absorcin fsica.7. El material cambiador de iones puede ser producido sintticamente mediante la

combinacin de silicatos solubles y compuestos de aluminio.

Los intercambiadores inicos mas usado son las resinas procedentes del cido estiresulfonico, cuyo peso molecular es 180 y de formula CH4 = CHC6H4 -SO3 H, que viene enla practica en forma de esferas, o perlas, con un contenido aproximado de 50% de agua.(Vergara Yayon, 1984). Durante los comienzos del intercambio inico el proceso fueutilizado nicamente para suavizar por remocin de calcio y magnesio y en menor grado,del hierro y manganeso. El nombre aceptado para el tratamiento fue suavizacin porzeolitas. El termino zeolitas (zein y lithos) significan piedra que hierve. Los proceso deintercambio inico usados en la purificacin de aguas incluyen en intercambiador de ion -sodio, generalmente descritos por ablandamiento de zeolitas de sodio; intercambiador deion hidrogeno, o de ablandamiento por zeolitas de hidrogeno, usualmente empleado encombinacin con ablandamiento con zeolitas de sodio e intercambiador aninico, que


13/13


13

generalmente sigue al intercambio de iones hidrogeno para efectuar desmineralizacin odesionizacin, pero tambin aplicado a la remocin de iones especficos como en ladesalcalinizacin.

El ablandamiento con zeolitas de sodio, para el agua de proceso, alimentacin de

calderas y uso domestico, es la forma en que el intercambiador inico ha sido masampliamente familiar. Este tratamiento sirve bien para presentar los conceptos y fenmenosfundamentales del intercambio inico. La suavizacin con zeolitas de sodio, el procesobsico, consiste en pasar el agua a travs de un lecho de material que posee la propiedad deremover el calcio y magnesio del agua y de remplazar estos iones con sodio o potasio. Elintercambio tiene lugar rpidamente, de tal manera que el agua cruda, a su paso por el lechode zeolita, pueda ser ablandada casi completamente, independientemente de las variacionesen dureza. El calcio y magnesio sern removidos de cualquiera de sus sales en solucin,como bicarbonatos, sulfuros, cloruros, etc. (Sheppard T. Powell)

4. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. VERGARA YAYON FRANCISCO (1984) Tratamiento de Aguas Industriales,Kavin Editores S.A., Lima Per.

2. SHEPPARD T. POWELL (1987) Manual de Aguas para Usos Industriales,Editorial Limusa S.A. Mexico.

3. JOHN H. PERRY (1980) Manual del Ingeniero Qumico, Unin TipogrficaEditorial Hispano- Americana, Mxico.

4. Soc. Chem. Ind. London Chem. Eng. Group Proc. 54 1-6T; Aden, WaterPurification by Ion Exchange, Plenum. New Yor, 1968.

5. NcGraw-Hill Encycloedia of Science and Technology, VOL 14, NcGraw-Hill, NewYork, 1997, p. 415.

6. METCALF Y EDDY (1995) Ingeniera de Aguas Residuales, MacGraw, Ing,Espaa.

7. Gol and Calmon, ion Exchange, Present, Needs and Trends, AIChE Symp. Ser.,vol. 76 no. 192, p. 60, 1980, a review with 106 references.

8. USO DE INTERNE9. M.Sc. OMAR ARCE GARCA (2003) Texto proporcionado en la materia de

Qumica del agua

Adsorcion de Inter Cam Bio Ionico

Documents

Transcript of Adsorcion de Inter Cam Bio Ionico