Adsorción e Intercambio Iónico I Adsorción e Intercambio Iónico
El término adsorción parece haber sido introducido por Kaiser en 1881, para connotar la condensación de gases sobre superficies libres, a diferencia de la absorción gaseosa en donde las moléculas del gas penetran dentro del sólido. La adsorción (estrictamente, adsorción física) ha sido definida por la IUPAC como el enriquecimiento o el vaciamiento de uno o más componentes en una interface. En realidad, en 1909, McBain propuso el término sorción para abarcar tres tipos de fenómenos: la adsorción sobre las superficies, la absorción dentro del sólido y la condensación capilar que ocurre en el interior de los poros. Pero, quizás por razones de eufonía, el término nunca fue utilizado ampliamente y la palabra adsorción es frecuentemente utilizada para denotar indistintamente la condensación capilar o la adsorción en superficies. La adsorción es un proceso mediante el cual se extrae materia de una fase y se concentra sobre la superficie de otra fase (generalmente sólida). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción. No debe confundirse con la absorción ya que la característica que las distingue es que en un proceso de adsorción el fluido no se incorpora al volumen del material, sino que es retenido en su superficie y en la absorción las moléculas o átomos de una fase penetran casi uniformemente en los de otra fase constituyéndose una "solución" con esta segunda. Al medio adsorbente sólido = ADSORBENTE El contaminante o vapor adsorbido =ADSORBATO En términos generales consiste en la captación de sustancias solubles presentes en la interfase de una solución. Esta interfase puede hallarse entre un líquido y un gas, un sólido, o entre dos líquidos diferentes. A pesar de que la adsorción también tiene lugar en la interfase aire-líquido en el proceso de flotación.
Adsorción e Intercambio Iónico II La interfase del proceso puede ser: Sólido – gas. Sólido – líquido. Líquido – gas. Líquido – líquido. Seguidamente con lo anterior, el proceso de adsorción se basa en la retención sobre la superficie de un sólido de las moléculas en disolución, por acción de fuerzas químicas o físicas. Un parámetro fundamental es este caso será la superficie específica del sólido, dado que el compuesto soluble a eliminar se ha de concentrar en la superficie del mismo. Las moléculas absorbidas reciben el nombre de "adsorbato" y el material que las retiene "adsorbente". Cuando la unión es de tipo químico, el proceso es irreversible; si es física, es
reversible. La adsorción se rige por la “Ley de Freundlich y Langmuir”. Sobre las bases de las ideas expuestas, se tienen los factores que afectan a la adsorción y las características principales de dicho proceso: Factores:
Solubilidad: Menor solubilidad, mejor adsorción. Estructura molecular: Más ramificada, mejor adsorción. Peso molecular: Grandes moléculas, mejor adsorción. Problemas de difusión interna: pueden alterar la norma. Polaridad: Menor polaridad, mejor adsorción. Grado de saturación: Insaturados, mejor adsorción.
Adsorción e Intercambio Iónico III Características principales:
Al aumentar la superficie de adsorbente y la concentración de adsorbato, aumenta la cantidad adsorbida. La adsorción es altamente selectiva. La cantidad adsorbida depende en gran medida de la naturaleza y del tratamiento previo al que se haya sometido a la superficie del adsorbente, así como de la naturaleza de la sustancia adsorbida. Es un proceso rápido cuya velocidad aumenta cuando aumenta la temperatura, pero desciende cuando aumenta la cantidad adsorbida. Dado que los procesos de adsorción son generalmente exotérmicos, al aumentar la temperatura disminuye la cantidad adsorbida. Podemos diferenciar tres tipos de adsorción, dependiendo de qué tipos de fuerzas existan entre el soluto y el adsorbente. Estas fuerzas pueden ser de tipo eléctrico, de fuerzas de Van der Waals o de tipo químico.
1.
Adsorción por intercambio (Eléctrica): El intercambio iónico el ejemplo más representativo para este tipo de adsorción, es por ello que a menudo, se le llama adsorción por intercambio. En este proceso el soluto y el adsorbente se atraen por fuerzas electrostáticas, los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la referida atracción. Dicho de otra manera, los iones del soluto se concentran en la superficie del sorbente, que se encuentra cargada eléctricamente con signo contrario a los iones del soluto. Si tenemos dos adsorbatos iónicos iguales en varios factores, pero uno con mayor carga que otro, el de mayor carga será el que se adsorbido. Para adsorbatos con igual carga, el tamaño molecular (radio de solvatación) es el que determina cuál será adsorbido, es decir determina el orden de preferencia para la adsorción.
Adsorción e Intercambio Iónico IV 2.
Adsorción por fuerzas de Van der Waals (Física): También llamada adsorción física o fisisorción. En este tipo de adsorción, la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino más bien está libre de trasladarse dentro de la interfase. Esta adsorción, en general, predomina a temperaturas bajas y un ejemplo de la misma, es el de la mayoría de las sustancias orgánicas en agua con carbón activado considerándose así de naturaleza física y en el caso del adsorbato, conserva su naturaleza química.
3.
Adsorción (Química): Ocurre cuando hay interacción química entre adsorbato y adsorbente. También llamada adsorción química, adsorción activa o quimisorción. La fuerza de la interacción entre adsorbato y adsorbente es fuerte, casi como un enlace químico, debido a que el adsorbato forma unos enlaces fuertes localizados en los centros activos del adsorbente. Esta adsorción suele estar favorecida a una temperatura elevada. En este tipo de adsorción, el adsorbato sufre una transformación, más o menos intensa, de su naturaleza química.
Cabe destacar que la mayoría de los fenómenos de adsorción son combinaciones de estos tres tipos de adsorción, y muchas veces resulta difícil distinguir la fisisorción de la quimisorción. Un papel fundamental en el estudio de la adsorción, es la selectividad del proceso, en la cual se toma en cuenta los siguientes aspectos:
Masa o Volumen Molecular
Polaridad Estéricos
Forma del soluto
Químicos Carga Electrostática
En el equilibrio de la adsorción e isotermas de adsorción de una especie química presente en la solución del suelo (adsorbato) por los constituyentes de la fase sólida del suelo (adsorbente) ocurre debido a la interacciones entre la superficie activa de las partículas sólidas y el adsorbato.
Adsorción e Intercambio Iónico V La cantidad adsorbida de una determinada especie depende no sólo de la composición del suelo sino también de la especie química de la que se trata y de su concentración en la solución. Para estudiar la adsorción de un compuesto químico sobre un suelo pueden ser usadas dos técnicas de laboratorio: experiencias en batch y experiencias con columnas. Las experiencias en batch consisten en mezclar y agitar una cantidad determinada de suelo con disoluciones de diferentes concentraciones del soluto estudiado, por ejemplo, un metal pesado. Previamente, se tiene que determinar la concentración de este metal en el suelo. La gráfica que representa el metal adsorbido, Cs, en función de la concentración de la disolución, Cm, es la isoterma de adsorción, cuya expresión general es: Cs = Kd Cm Donde Kd se llama constante de adsorción, coeficiente de distribución o coeficiente de partición.
Cuando la isoterma no es lineal, hay otras aproximaciones para describir la distribución entre el suelo y la disolución. Las más utilizadas son las de Freundlich y Langmuir. A temperatura constante, se obtienen las isotermas de adsorción, que cuantifican la adsorción en función de la concentración del soluto en el equilibrio y se representan gráficamente:
Tipo I Isoterma de Langmuir Isoterma monomolecular
Tipo II Isoterma polimolecular Isoterma de B.E.T
Tipo II Baja interacción
Adsorción e Intercambio Iónico VI Existen diferentes modelos matemáticos para describir las isotermas que se obtienen experimentalmente. Cada modelo contempla una serie de consideraciones, como se menciona a continuación:
Isoterma de adsorción de Henry: Temperatura constante. Superficie lisa y homogénea.
Superficie “infinita” (adsorción sin restricciones). No existen interacciones entre las moléculas adsorbidas.
La isoterma de Henry, establece que la adsorción es directamente proporcional a la concentración del soluto. Este modelo, linealiza la primera parte de una isoterma experimental del Tipo I o del Tipo II, y por lo tanto, sólo se aplica a muy bajas concentraciones.
Isoterma de adsorción de Langmuir: Temperatura constante. Adsorción localizada, sólo en sitios definidos (activos) de la superficie. La superficie es homogénea y se forma una monocapa, asumiendo que cada sitio de adsorción puede adherir sólo una molécula de adsorbato. La energía de adsorción es la misma para todos los sitios de adsorción. No existe interacción entre las molécula adsorbidas.
Adsorción e Intercambio Iónico VII La isoterma de Langmuir linealiza la isoterma del Tipo I, la adsorción máxima (am) indica la máxima capacidad de adsorción (saturación monomolecular) del adsorbente. Ecuación de Langmuir linealizada:
Dónde: a = cantidad de soluto adsorbida. P o C = presión o concentración del adsorbato. K = constante de Langmuir. am = adsorción máxima.
Isoterma empírica de adsorción de Freundlich: Temperatura constante. Superficie rugosa (microporosa). Distribución exponencial de la energía de los sitios de adsorción. No supone la formación de una monocapa.
Dónde: a = cantidad de soluto adsorbida. 1/n = constante que representa la velocidad de saturación del adsorbato.
Adsorción e Intercambio Iónico VIII m = constante empírica que indica la capacidad de adsorción y la afinidad del adsorbato por el adsorbente. Ecuación de Freundlich linealizada:
Aunque la isoterma de Freundlich linealiza la isoterma del Tipo I, no predice la adsorción máxima y presenta desviaciones a valores elevados de adsorción.
Isoterma de adsorción de Brunauer, Emmet y Teller (BET): La adsorción en la primera capa tiene lugar sobre sitios en la superficie de energía homogénea. Las moléculas adsorbidas en la primera capa actúan como sitios de adsorción de la segunda capa y así sucesivamente, lo que en el caso más simple se aproxima a un espesor infinito conforme la presión de vapor Pv, se aproxima a la presión de vapor de saturación del líquido, Pº (presión de vapor de líquido puro). Las características de condensación y evaporación son idénticas en todas las capas excepto en la primera. El calor de adsorción en la segunda y demás capas son iguales al calor de condensación del gas (DHv).
Adsorción e Intercambio Iónico IX La
ecuación
de
Brunauer-Emmett-Teller se
emplea
rutinariamente
para
la
determinación del área específica superficial total de un adsorbente. Este modelo de adsorción linealiza la isoterma del Tipo II.
Dónde: a= cantidad de soluto absorbida am= adsorción máxima, cuando se forma la monocapa C= es una constante que relaciona el calor de adsorción de la primera capa y el calor de adsorción de las multicapas capas (DHv) El fenómeno de histéresis se manifiesta cuando la isoterma de adsorción no coincide con la isoterma de desorción. Esto se debe a la presencia de microporos en la superficie, que provoca condensación capilar del adsorbato y entonces, la desorción se lleva a cabo bajo la presión del líquido puro, Pº.
La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de la presión externa (del gas). La termodinámica sólo puede aplicarse a las isotermas de adsorción en el equilibrio.
Adsorción e Intercambio Iónico X Esto significa que se debe poder llegar a cualquier punto de la curva elevando o disminuyendo la presión; en otras palabras, las curvas de adsorción y desorción tienen que coincidir. Esto ocurre sólo si no existe histéresis. La histéresis no se da en poros menores de 2 nm, sin embargo, se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se condense gas para formar líquido. La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar mediante una ecuación del virial modificada:
Donde K es la constante de Henry (el valor de la isoterma de adsorción d n /dP cuando -1
la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio sólido (mol kg ) y C i son los coeficientes del virial. Normalmente tres coeficientes bastan para ajustar la curva a los datos experimentales. Nótese que las isotermas han de obtenerse a partir de la interpolación de datos experimentales, aunque existen también modelos moleculares, al margen de la termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la temperatura se basa en la ecuación:
Donde
es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es un
proceso exotérmico, como ya hemos comentado. El valor absoluto de
se denomina "calor
isostérico". Normalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (2) haciendo uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempeña un papel fundamental en la termodinámica de la adsorción.
Adsorción e Intercambio Iónico XI Se define como:
Donde F es la energía libre de Helmholtz. Las variables independientes son temperatura, volumen y potencial químico. Para adsorción en un gas puro, el gran potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma:
Ω
-1
se expresa en J kg de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial es la
variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente 'virgen' en el volumen del gas. La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:
Al igual que Ω, tiene unidades de J kg-1. Una vez obtenidas la energía de inmersión (Ω) y la entalpía de inmersión ( H ), la entropía de inmersión es:
A partir de estas ecuaciones se puede hacer todo el análisis termodinámico en un sistema formado por un adsorbente y un gas. No debemos dejar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación (1), de donde hemos derivado todas las demás, se hace a partir de mediciones experimentales. La contribución más sobresaliente para la descripción termodinámica de la adsorción, es la consideración de que este fenómeno tiene lugar en un plano imaginario que permite ver la zona de adsorción como una fase. A partir de este modelo el fenómeno de adsorción se puede entender como un proceso de transferencia de componente entre fases.
Adsorción e Intercambio Iónico XII Fundamentalmente, la adsorción depende de las concentraciones respectivas del catión en el adsorbente y el líquido. La fuerza iónica de la solución determina la intensidad de la adsorción, pues la adsorción relativa es proporcionalmente más intensa en soluciones diluidas que concentradas. Cuando se incrementa la fuerza iónica de la solución en contacto con la arcilla, la capa difusa se comprime y el potencial eléctrico decae más rápidamente con la distancia a la superficie.
Por consiguiente, la superficie potencial variará en función de la concentración de electrolito y del tipo de carga de la superficie de las partículas (constante o dependiente del pH). Para una superficie pH dependiente, un incremento en la concentración de electrolito generará un descenso de potencial al producirse un aumento de la distancia a la partícula. La temperatura influye en la medida que las reacciones de adsorción son normalmente exotérmicas y por tanto, el grado de adsorción será presumiblemente mayor, al disminuir la temperatura, aunque las variaciones normales de temperatura sólo tienen pequeños efectos sobre el proceso de adsorción. La fuerza de enlace con que los iones son retenidos o adsorbidos en los lugares de cambio depende, asimismo, de otros factores, entre los cuales cabe citar los siguientes:
Valencia y tamaño del ión. Densidad de carga, estructura y superficie específica del material de intercambio. Concentración relativa de los cationes presentes. Contenido de agua en el sistema (efecto dilución).
Es significativo señalar como los sistemas de adsorción tratan el agua mediante la adición de una sustancia, como carbón activado o alúmina (óxido de aluminio), a la fuente de suministro de agua. Los adsorbentes atraen a los contaminantes mediante procesos
químicos y físicos que causan que éstos se „adhieran‟ a sus superficies para su eliminación posterior. Por un gran margen, el adsorbente de uso más frecuente es el carbón activado, una sustancia similar al carbón común pero sumamente porosa.
Adsorción e Intercambio Iónico XIII El carbón activado en polvo a menudo se usa cuando surgen problemas temporales de calidad; éste se puede agregar sencillamente al agua y desecharlo con los fangos de desecho. El carbón granular activado a menudo se distribuye en una bandeja a través de la cual se hace pasar o percolar lentamente el agua fuente. El tratamiento de alúmina activada se usa para atraer y eliminar contaminantes, como el arsénico y el fluoruro, que tengan iones con carga negativa. Sin embargo, esta opción puede ser costosa y quizá requiera el mantenimiento complicado del sistema. Además, el agua puede requerir el ajuste de pH antes de la columna de adsorción, y con frecuencia surge el problema de residuos de aluminio excesivos. Para la regeneración se requieren ácidos y bases. Estos materiales se utilizan para almacenar gases, se utilizan también para el craqueo de petróleo, para destilación de petróleo, para filtrar aguas, purificar agua y sobretodo en industria química para tipos de procesos catalíticos. Los adsorbentes más utilizados son: Gel de sílice, Alúmina, Resinas Orgánicas y Carbón activo (granular y polvo). Existen adsorbentes específicos para determinados compuestos, pero el más utilizado es el carbón activo, aunque recientemente se están desarrollando diversos materiales sólidos que mejoran, en ciertas aplicaciones, las propiedades del carbón activo. Los equipos utilizados son los Adsorbedores, que adoptan la disposición en columnas de relleno. El proceso de adsorción tiene lugar en tres etapas: macrotransporte, microtransporte y sorción. El macrotransporte engloba el movimiento por advección y difusión de la materia orgánica a través del líquido hasta alcanzar la interfase líquido-sólido. Por su parte, el microtransporte hace referencia a la difusión del material orgánico a través del sistema de macroporos del carbón activado granular (CAG) hasta alcanzar las zonas de adsorción que se hallan en los microporos y submicroporos de los gránulos de carbón activado. La adsorción se produce en la superficie del gránulo y en sus macroporos y mesoporos, pero el área superficial de estas zonas del CAG es tan pequeña comparada con el área de los micro y submicroporos, la cantidad de material adsorbido es despreciable.
Adsorción e Intercambio Iónico XIV El uso del término sorción se debe a la dificultad de diferenciar la adsorción física de la adsorción química, y se emplea para describir el mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al CAG. El equilibrio se alcanza cuando se igualan las tasas de sorción y desorción, momento en el que se agota la capacidad de adsorción del carbón. La cantidad de adsorbato que puede retener un adsorbente es función de las características y de la concentración del adsorbato y de la temperatura. En general, la cantidad de materia adsorbida se determina como función de la concentración a temperatura constante, y la función resultante se conoce con el nombre de isoterma de adsorción. Hay dos formas clásicas de utilización de carbón activo, con propiedades diferentes y utilizadas en diferentes aplicaciones:
Carbón activado granular (gac): Se suele utilizar una columna como medio de contacto entre el agua a tratar y el carbón activado, en la que el agua entra por la parte inferior y asciende hacia la superior. El tamaño de partícula en este caso es mayor que en el otro. Se suele utilizar para eliminar elementos traza, especialmente orgánicos, que pueden estar presentes en el agua, y que habitualmente han resistido un tratamiento biológico. Son elementos, que a pesar de su pequeña concentración, en muchas ocasiones proporcionan mal olor, color o sabor al agua.
Carbón activo en polvo (cap): Este tipo de carbón se suele utilizar en procesos biológicos, cuando el agua contiene elementos orgánicos que pueden resultar tóxicos. También se suele añadir al agua a tratar, y pasado un tiempo de contacto, normalmente con agitación, se deja sedimentar las partículas para su separación previa. Suelen ser operaciones llevadas a cabo en discontinuo. La viabilidad económica de este proceso depende de la existencia de un medio eficaz de regeneración del sólido una vez agotada su capacidad de adsorción. El GAC se regenera fácilmente por oxidación de la materia orgánica y posterior eliminación de la superficie del sólido en un horno.
Adsorción e Intercambio Iónico XV Las propiedades del carbón activo se deterioran, por lo que es necesario reponer parte del mismo por carbón virgen en cada ciclo. Por otro lado el CAP es más difícil de regenerar, pero también es cierto que es más fácil de producir. El coste es un parámetro importante a la hora de la elección del adsorbente. Alternativas al carbón activo son las zeolitas, arcillas (montmorillonita, sepiolita, bentonita, entre otros), los denominados adsorbentes de bajo coste, procedentes en su mayor parte de residuos sólidos orgánicos. Recientemente se están desarrollando derivados de polisacáridos (biopolímeros derivados del almidón). La necesidad de una mayor calidad de las aguas está haciendo que este tratamiento esté en auge. Es considerado como un tratamiento de refino, y por lo tanto al final de los sistemas de tratamientos más usuales, especialmente con posterioridad a un tratamiento biológico. Algo semejante ocurre con las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y un electrolito insoluble con el cual se pone en contacto la solución. El mecanismo de estas reacciones y las técnicas utilizadas para lograrlas son tan parecidos a los de adsorción, que para la mayoría de los fines de Ingeniería, el intercambio iónico puede considerarse simplemente como un caso especial de la adsorción. En el intercambio de iones, el sólido elimina ciertos iones, pero como se debe conservar su electroneutralidad, libera iones de reemplazo a la solución. Los primeros materiales empleados para intercambio de iones fueron unas arenas porosas naturales llamadas zeolitas, que intercambian cationes. Los iones con carga positiva en solución, como el
, se difunden por los poros del sólido y se intercambian con los
iones Na+ del mineral.
+
CaR +
(Solución) (Sólido) (Sólido) (Solución) Donde R
representa al sólido. Ésta es la base del “ablandamiento” del agua. Para
regenerar la zeolita se agrega una solución de NaCl que impulsa la reacción reversible anterior a la izquierda.
Adsorción e Intercambio Iónico XVI Casi todos esos sólidos inorgánicos de intercambio de iones intercambian sólo cationes. Las resinas de intercambio iónico 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, entre otros) 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. La mayor parte de los sólidos de intercambio de iones en la actualidad son resinas o polímeros sintéticos. Ciertas resinas poliméricas sintéticas contienen grupos sulfónicos, carboxílicos o fenólicos, y estos grupos aniónicos pueden intercambiar cationes.
Na+ + HR
NaR +
(Solución) (Sólido) (Sólido) (Solución) Aquí R representa a la resina sólida. El Na+ en la resina sólida puede intercambiarse por
u otros cationes. Otras resinas sintéticas similares que contienen grupos amino se
usan para intercambiar aniones y en solución.
Cl- +
+
(Solución) (Sólido) (Sólido) (Solución) Las técnicas de operación utilizadas para la adsorción se utilizan también para el intercambio iónico. Por consiguiente, hay tratamientos por lotes o por etapas de soluciones, operaciones en lecho fluidizado o fijo y operaciones continuas a contracorriente. Las percolaciones en lecho fijo son muy comunes. Se han utilizado los métodos cromatográficos para el fraccionamiento de mezclas iónicas de varios componentes.
Adsorción e Intercambio Iónico XVII Se han aplicado estas técnicas en el
tratamiento de lodos de minerales (“resina en
pulpa”) para la obtención de metales valiosos. Además de las aplicaciones en el ablandamiento de aguas, antes mencionadas, la deionización total del agua se puede lograr por percolación, primero a través de un intercambiador catiónico y después a través de un intercambiador aniónico. Utilizando un lecho formado por una mezcla íntima de cantidades equivalentes de una resina intercambiadora catiónica fuerte y una aniónica fuerte, es posible la eliminaci6n simultánea de todos los iones hasta la neutralidad.
Para la regeneración, estas resinas en lecho mixto se separan mediante clasificación hidráulica por tamaño de partícula y diferencias de densidad para los dos tipos de resinas, las cuales se regeneran por separado. Los intercambiadores iónicos también se han utilizado para el tratamiento y concentración de soluciones de desecho diluidas. Tal vez la aplicación más notable de las resinas intercambiadoras es la separación de metales de las tierras raras mediante técnicas cromatográficas. En la exclusión iónica, se presatura una resina con los mismos iones que en una solución. Entonces, la resina puede rechazar los iones en una solución y al mismo tiempo adsorber sustancias orgánicas no iónicas como glicerina y similares, que también pueden estar en solución. Posteriormente, la materia orgánica puede extraerse de la resina en un estado iónico libre. Cabe destacar que la rapidez del intercambio iónico depende, como la adsorción ordinaria, de la rapidez de algunos procesos entre los cuales se señalan los siguientes:
Difusión de iones desde el seno del líquido hasta la superficie externa de una partícula intercambiadora. Difusión interna de iones a través del sólido hasta el sitio de intercambio. intercambio de los iones. Difusión externa de los iones liberados hasta la superficie del sólido. Difusión de los iones liberados desde la superficie del sólido hasta el líquido. En algunos casos, la cinética de la reacción de intercambio.
Adsorción e Intercambio Iónico XVIII La rapidez de difusión puede describirse mediante los coeficientes de transferencia de masa apropiados para la difusión a contracorriente equivalente a través del sólido y a través del líquido; en algunos casos, por lo menos, parece que la resistencia a la difusión en la fase líquida es el paso controlante.
En cuanto a la velocidad de intercambio iónico depende de la transferencia de masa de los iones desde el volumen de la solución a la superficie de la partícula, de la difusión de los iones en los poros del sólido hacia la superficie, del intercambio de los iones en la superficie y de la difusión de los iones de intercambio de regreso al volumen de la solución y teniendo en cuenta que este proceso es igual al de la adsorción. Cuando las reacciones de intercambio son rápidas en comparación con la rapidez de la transferencia de masa, los métodos de diseño desarrollados para los adsorbedores tradicionales pueden aplicarse directamente a las operaciones de intercambio iónico. Puede ser adecuada alguna modificación de las unidades de los términos en las diferentes ecuaciones, debido al uso acostumbrado de las concentraciones expresadas como equivalentes por unidad de volumen en el sistema cgs. Existen tres teorías que tratan de explicar el porqué de este proceso: Red cristalina: Considera las partículas de los minerales como sólidos iónicos. Los iones de los bordes están débilmente retenidos por lo que pueden abandonar la estructura y pueden cambiarse con los de la solución del suelo. Doble capa eléctrica: Considera el contacto entre el sólido y la fase líquida como un condensador plano. Entre el metal (el sólido) y el electrólito (la disolución) existe una diferencia de potencial que atrae a los iones de la solución del suelo. Se forma una doble capa eléctrica formada por los iones del sólido y los atraídos en la solución. Membrana semipermeable: La interfase sólido-líquido actúa como una membrana semipermeable que deja pasar los iones de la solución y a los de la superficie de las partículas pero no a los del interior de los materiales.
Adsorción e Intercambio Iónico XIX Básicamente las tres teorías son compatibles y simplemente se trata de enfoques distintos: Iones débilmente retenidos para la teoría cristalina, desequilibrios eléctricos para la teoría de la doble capa eléctrica y diferentes concentraciones para la teoría de la membrana semipermeable.
Adsorción e Intercambio Iónico XX CONCLUSIÓN La adsorción y el intercambio iónico son procesos de separación sólido-líquido con características muy particulares que los diferencian entre sí. Sin embargo, las técnicas utilizadas en ingeniería química y petroquímica para la adsorción y el intercambio iónico son tan parecidas que se estudian simultáneamente. La adsorción es un proceso de separación, en el cual algunos de los componentes presentes en una mezcla gaseosa o líquida son selectivamente transferidos a la superficie de un sólido, donde los componentes son mantenidos reversiblemente o irreversiblemente. La sustancia en cuya superficie se produce la adsorción se llama adsorbente, y la sustancia extraída de la mezcla gaseosa o líquida se llama adsorbato. Las operaciones de adsorción dependen de su reversibilidad para recuperar el adsorbente y de la recuperación de la sustancia adsorbida, pues el objetivo es la separación de la mezcla, por lo tanto, si la adsorción se va a utilizar como un proceso de separación, necesariamente estamos hablando de adsorción física, para que el proceso sea reversible. La adsorción física, o adsorción de Van der Waals resulta de las fuerzas secundarias de atracción (dipolo-dipolo y dipolos inducidos) entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida, y es similar en naturaleza a la condensación de moléculas de vapor en un líquido de la misma composición. El intercambio iónico es un proceso por medio del cual un sólido insoluble remueve iones de cargas positivas o negativas de una solución electrolítica y transfiere otros iones de carga similar a la solución en una cantidad equivalente. Este proceso ocurre sin que existan cambios estructurales en el sólido. Si los sólidos intercambian iones positivos (cationes) se denominan intercambiadores catiónicos e intercambiadores aniónicos si intercambian iones negativos (aniones).
Adsorción e Intercambio Iónico XXI En el diseño de equipos para operaciones de adsorción o intercambio iónico en forma continua, es necesario conocer la capacidad adsorbente o de intercambio del sólido a utilizar, y esta no es otra cosa que la cantidad de soluto que se puede retener por cantidad de sólido. Es frecuente encontrar instalaciones que usan resinas de intercambio iónico que no producen la calidad del agua requerida o la cantidad requerida, o ambas cosas a la vez, y esto puede deberse al desconocimiento de las propiedades de las resinas de intercambio iónico o a la falta de experiencia necesaria para manejar los imprevistos que pueden presentarse durante la operación de intercambiadores de iones. En muchas ocasiones se descartan prematuramente las resinas de intercambio iónico, en otras se sigue usando las resinas que ya cumplieron su vida útil y muchas veces se usan resinas que no son las adecuadas, es por ello la importancia del estudio y la comprensión en dichos temas.
Adsorción e Intercambio Iónico XXII
LISTA DE REFERENCIAS REFERENCIAS ELECTRÓNICAS
