OPERACIÓN UNITARIA OPERACIÓN UNITARIA INTERCAMBIO IÓNICOINTERCAMBIO IÓNICO

Paulett Henriquez C.Paulett Henriquez C.

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN El intercambio iónico en general se El intercambio iónico en general se

refiere a un proceso en donde una refiere a un proceso en donde una resina (intercambiador iónico) resina (intercambiador iónico) remueve iones de cargas positivas o remueve iones de cargas positivas o negativas de una solución. Los iones negativas de una solución. Los iones no deseados son cambiados por no deseados son cambiados por iones deseados que se encuentran iones deseados que se encuentran en la resina.en la resina.

Clasificación Clasificación intercambiadores iónicosintercambiadores iónicos

Los intercambiadores iónicos forman un Los intercambiadores iónicos forman un grupo de materiales muy heterogéneo, grupo de materiales muy heterogéneo, cuya única característica común es que cuya única característica común es que contienen una carga eléctrica fija capaz de contienen una carga eléctrica fija capaz de enlazar a iones de carga opuesta. Se enlazar a iones de carga opuesta. Se clasifican en dos grandes grupos: clasifican en dos grandes grupos:

- - intercambiadores orgánicos intercambiadores orgánicos - intercambiadores inorgánicos.- intercambiadores inorgánicos.

Intercambiadores iónicos Intercambiadores iónicos inorgánicosinorgánicos

Naturales: Son aluminosilicatos como zeolitas, Naturales: Son aluminosilicatos como zeolitas, arcillas minerales y feldespatos.arcillas minerales y feldespatos.

Sintéticos: Generalmente se pueden subdividir en Sintéticos: Generalmente se pueden subdividir en las siguientes categorías:las siguientes categorías:

- Óxidos metálicos hidratados, Ej. Óxido de titanio - Óxidos metálicos hidratados, Ej. Óxido de titanio hidratado, ácido poliantimónicohidratado, ácido poliantimónico- Sales insolubles de metales polivalentes, Ej. - Sales insolubles de metales polivalentes, Ej. Fosfato de titanioFosfato de titanio- Sales insolubles de heteropoliácidos, ej. - Sales insolubles de heteropoliácidos, ej. Molibdofosfeato amónicoMolibdofosfeato amónico- Sales complejas basadas en hexacianoferratos - Sales complejas basadas en hexacianoferratos insolublesinsolubles- Zeolitas sintéticas.- Zeolitas sintéticas.

Intercambiadores iónicos Intercambiadores iónicos orgánicosorgánicos

Resinas orgánicas naturales: Resinas orgánicas naturales: Existen varios Existen varios polímeros naturales que actúan como polímeros naturales que actúan como intercambiadores iónicos, como celulosa, ácido intercambiadores iónicos, como celulosa, ácido algínico, chitina, chitosan, dextrano y agarosa, y algínico, chitina, chitosan, dextrano y agarosa, y también derivados de éstos.también derivados de éstos.

Resinas orgánicas sintéticas: Resinas orgánicas sintéticas: Las resinas Las resinas sintéticas de intercambio iónico consisten en una sintéticas de intercambio iónico consisten en una matriz polimérica reticulada por la acción de un matriz polimérica reticulada por la acción de un agente entrecruzante y derivatizada con grupos agente entrecruzante y derivatizada con grupos inorgánicos que actúan como grupos funcionales. inorgánicos que actúan como grupos funcionales. Son los materiales más habituales en las Son los materiales más habituales en las aplicaciones de intercambio iónico en la industria. aplicaciones de intercambio iónico en la industria.

Tipos de resinas de Tipos de resinas de intercambio iónico intercambio iónico

Tipo gel o microporosa: tamaño de poros Tipo gel o microporosa: tamaño de poros pequeñospequeños

Resinas macroporosas o macroreticulares: Resinas macroporosas o macroreticulares: mayor capacidad de intercambio mayor capacidad de intercambio

Resinas isoporosas: tamaño uniforme y Resinas isoporosas: tamaño uniforme y alta capacidad con una regeneracion alta capacidad con una regeneracion eficienteeficiente

TIPO DE RESINAS DE TIPO DE RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO INTERCAMBIO IONICO

SEGÚN GRUPO SEGÚN GRUPO FUNCIONALFUNCIONAL

El grupo funcional es el ácido sulfónico, -SOEl grupo funcional es el ácido sulfónico, -SO33H H

Intercambian iones positivos (cationes).Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH. Funcionan a cualquier pH. Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como

primera columna de desionización en los desmineralizadores o primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).clorhídrico (HCl).

Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio. intercambio de sodio por el calcio y el magnesio.

Resinas catiónicas de hidrogeno : pueden eliminar todos los Resinas catiónicas de hidrogeno : pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio, etc) por intercambio cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio, etc) por intercambio con hidrógeno. con hidrógeno.

Resinas catiónicas de ácido Resinas catiónicas de ácido fuertefuerte

Resinas catiónicas de ácido Resinas catiónicas de ácido débildébil

El grupo funcional es un ácido carboxílico –COOHEl grupo funcional es un ácido carboxílico –COOH

Tienen menor capacidad de intercambio.Tienen menor capacidad de intercambio.

No son funcionales a pH bajos. No son funcionales a pH bajos.

Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.

Eliminan los cationes que están asociados con Eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatosbicarbonatos

El grupo funcional es una sal de amonio cuaternario, El grupo funcional es una sal de amonio cuaternario, R4N+.R4N+.

Intercambian iones negativos (aniones).Intercambian iones negativos (aniones). Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua,

como segunda columna de desionización en los como segunda columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. desmineralizadores o para lechos mixtos.

Elimina los aniones del agua y necesitan una gran Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).(hidróxidosódico - NaOH).

Eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado Eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos.concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos.

Resinas aniónicas de base Resinas aniónicas de base fuertefuerte

Resinas funcionalizadas con grupos de amina Resinas funcionalizadas con grupos de amina primaria, -NH2, secundaria, -NHR, y terciaria, -primaria, -NH2, secundaria, -NHR, y terciaria, -NR2. NR2.

Se trata de una resina muy eficiente, Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración.requiere menos sosa para su regeneración.

No se puede utilizar a pH altos.No se puede utilizar a pH altos. Pueden sufrir problemas de oxidación o Pueden sufrir problemas de oxidación o

ensuciamiento.ensuciamiento.

Eliminan con gran eficiencia los aniones de Eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros.y cloruros.

Resinas aniónicas de base Resinas aniónicas de base débildébil

Reacción intercambio Reacción intercambio iónicoiónico

Selectividad de las resinas Selectividad de las resinas de intercambio iónicode intercambio iónico

Resinas catiónicas de ácidos fuertes: Ag+, Pb++, Resinas catiónicas de ácidos fuertes: Ag+, Pb++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd ++, Zn++, Fe++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd ++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, H+Mg++, K+, Na+, H+

Resinas catiónicas de ácidos débiles: H+, Cu++, Resinas catiónicas de ácidos débiles: H+, Cu++, Ca++, Mg++, K+, Na+Ca++, Mg++, K+, Na+

Resinas aniónicas de bases fuertes: CO=3, SIO=3, Resinas aniónicas de bases fuertes: CO=3, SIO=3, I-, HSO4-, NO-3, Br-, HSO-3,NO2-,Cl-, HCO3-, F-I-, HSO4-, NO-3, Br-, HSO-3,NO2-,Cl-, HCO3-, F-

Resinas aniónicas de bases débiles: SO=4, Resinas aniónicas de bases débiles: SO=4, CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F-CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F-

Resinas quelatantesResinas quelatantes

En estas resinas el grupo funcional tiene las En estas resinas el grupo funcional tiene las propiedades de un reactivo específico, ya que propiedades de un reactivo específico, ya que forman quelatos selectivamente con algunos forman quelatos selectivamente con algunos iones metálicos. iones metálicos.

Los átomos más frecuentes son azufre, Los átomos más frecuentes son azufre, nitrógeno, oxígeno y fósforo, que forman nitrógeno, oxígeno y fósforo, que forman enlaces de coordinación con los metales. enlaces de coordinación con los metales.

Son pocos utilizadas estas resinas en la Son pocos utilizadas estas resinas en la industria por ser caras y por tener una industria por ser caras y por tener una cinética de absorción mas lenta cinética de absorción mas lenta

Resinas ImpregnadasResinas Impregnadas

Constan de un soporte polimérico que se Constan de un soporte polimérico que se impregna con una disolución orgánica que impregna con una disolución orgánica que contiene a un extractante selectivo a un metal en contiene a un extractante selectivo a un metal en concreto. Estas resinas tienen un grave concreto. Estas resinas tienen un grave inconveniente que es la pérdida de disolvente inconveniente que es la pérdida de disolvente durante su uso, lo cual reduce su aplicabilidad. durante su uso, lo cual reduce su aplicabilidad.

Reacción de intercambio Reacción de intercambio iónicoiónico

A medida que la disolución pasa a través de la resina, los A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha disolución desplazan a los que iones presentes en dicha disolución desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La eficiencia estaban originariamente en los sitios activos. La eficiencia de este proceso depende de factores como la afinidad de la de este proceso depende de factores como la afinidad de la resina por un ión en particular, el pH de la disolución si el resina por un ión en particular, el pH de la disolución si el grupo activo tiene carácter ácido y básico, la concentración grupo activo tiene carácter ácido y básico, la concentración de iones o la temperatura.de iones o la temperatura.

Para que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben Para que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la resina y viceversa. Este moverse de la disolución a la resina y viceversa. Este movimiento se conoce como proceso de difusión. movimiento se conoce como proceso de difusión.

La difusión de un ión está en función de su dimensión, carga La difusión de un ión está en función de su dimensión, carga electroestática, la temperatura y también está influenciada electroestática, la temperatura y también está influenciada por la estructura y tamaño de poro de la matriz. por la estructura y tamaño de poro de la matriz.

El proceso de difusión tiene lugar entre El proceso de difusión tiene lugar entre zonas de distinta concentración de zonas de distinta concentración de

iones, de más concentrado a menos, iones, de más concentrado a menos, hasta que tengan la misma hasta que tengan la misma

concentración.concentración.

EquiposEquipos

Intercambio iónico en Intercambio iónico en discontinuodiscontinuo

Intercambio iónico en columnaIntercambio iónico en columna

Intercambio iónico en Intercambio iónico en discontinuodiscontinuo

En las operaciones en discontinuo, se mezcla el En las operaciones en discontinuo, se mezcla el intercambiador y la disolución en un recipiente intercambiador y la disolución en un recipiente hasta que el intercambio de iones alcanza el hasta que el intercambio de iones alcanza el equilibrio. equilibrio.

Esta configuración no puede aplicarse para Esta configuración no puede aplicarse para devolver el intercambiador a su forma iónica devolver el intercambiador a su forma iónica original, ya que el proceso de regeneración en original, ya que el proceso de regeneración en discontinuo no es químicamente eficiente. Es discontinuo no es químicamente eficiente. Es necesario recuperar el intercambiador por necesario recuperar el intercambiador por decantación y transferirlo a una columna para decantación y transferirlo a una columna para proceder a su regeneración.proceder a su regeneración.

Intercambio iónico en columnaIntercambio iónico en columna

Empaquetamiento de la columnaEmpaquetamiento de la columna

Acondicionamiento del Acondicionamiento del intercambiadorintercambiador

Etapa de regeneraciónEtapa de regeneración

Regeneración de resinas de intercambio Regeneración de resinas de intercambio catiónico:catiónico:

R-Ca + H2SO4----- CaSO4 +R-2H (resina regenerada)R-Ca + H2SO4----- CaSO4 +R-2H (resina regenerada)R-Mg + H2SO4------MgSO4 +R-2H (resina regenerada)R-Mg + H2SO4------MgSO4 +R-2H (resina regenerada)R-2Na+ H2SO4------Na2SO4 +R-2H (resina regenerada)R-2Na+ H2SO4------Na2SO4 +R-2H (resina regenerada)R-2K + H2SO4----- K2SO4 +R-2H (resina regenerada)R-2K + H2SO4----- K2SO4 +R-2H (resina regenerada)

Regeneración de resinas de intercambio Regeneración de resinas de intercambio aniónico:aniónico:

R-2Cl +2NaOH-----R 2OH +2NaClR-2Cl +2NaOH-----R 2OH +2NaClR-2NO3 +2NaOH-----R 2OH +2NaNO3R-2NO3 +2NaOH-----R 2OH +2NaNO3R-SO4 +2NaOH-----R 2OH +Na2SO4R-SO4 +2NaOH-----R 2OH +Na2SO4R-CO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2CO3R-CO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2CO3R-SiO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2SiO3R-SiO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2SiO3

Factores que afectan las Factores que afectan las operaciones de intercambio iónicooperaciones de intercambio iónico

Regenerantes de mala calidad Regenerantes de mala calidad

Variaciones de la calidad del agua a ser tratadaVariaciones de la calidad del agua a ser tratada

Falta de purgas de aire y gases u operación defectuosa de Falta de purgas de aire y gases u operación defectuosa de estosestos

Presencia de agentes oxidantes, tales como oxigeno, cloro, Presencia de agentes oxidantes, tales como oxigeno, cloro, ozono u otrosozono u otros

Cambios bruscos de temperaturaCambios bruscos de temperatura

Regeneraciones inadecuadasRegeneraciones inadecuadas

Selección inadecuada de las resinas de intercambio iónicoSelección inadecuada de las resinas de intercambio iónico

AplicacionesAplicaciones Calderas de vapor (normal y alta presión)Calderas de vapor (normal y alta presión)

Fabricación de pinturas.Fabricación de pinturas.

Lavado de componentes electrónicos.Lavado de componentes electrónicos. Aclarado final de vehículos, vidrio o instrumental.Aclarado final de vehículos, vidrio o instrumental. Industria farmacéutica.Industria farmacéutica. Empresas agroalimentarias.Empresas agroalimentarias. Laboratorios.Laboratorios. Túneles de pintura.Túneles de pintura.

IMPACTO AMBIENTALIMPACTO AMBIENTAL El mecanismo de intercambio iónico El mecanismo de intercambio iónico

nos proporciona una herramienta nos proporciona una herramienta muy importante pues este tipo de muy importante pues este tipo de procedimiento es económico y no procedimiento es económico y no proporciona residuos al medio proporciona residuos al medio ambiente, al contrario, sirve para ambiente, al contrario, sirve para tratar aguas residuales y no tan solo tratar aguas residuales y no tan solo estas, sino también gasesestas, sino también gases..

CONCLUSIÓNCONCLUSIÓN Es un proceso de gran importancia , muy Es un proceso de gran importancia , muy

utilizado en el área industrial, utilizado en el área industrial, farmacéutica, en alimentos, etc., farmacéutica, en alimentos, etc., permitiendo mejorar la calidad de los permitiendo mejorar la calidad de los productos, facilitando los procesos de productos, facilitando los procesos de purificación de ciertas sustancia.purificación de ciertas sustancia.

Además por ser un proceso que no Además por ser un proceso que no involucra grandes costos cada día hay más involucra grandes costos cada día hay más industrias que lo están incorporando en la industrias que lo están incorporando en la en la fabricación y mejoramiento de sus en la fabricación y mejoramiento de sus productos.productos.