Área de Ingeniería Química
INTERCAMBIO IÓNICO
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1. OBJETIVO
El objetivo de esta práctica es el estudio del comportamiento de un lecho fijo constituido por una resina de intercambio iónico, con el que se eliminarán los iones Na+ de una corriente de hidróxido sódico.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.
Una resina de intercambio iónico puede considerarse como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida grupos iónicos libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación 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 selección del grado de reticulación puede limitar la movilidad de los iones participantes.
Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones, de signo opuesto, denominados contraiones, que están libres y que son los que se intercambian realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan
aniónicos.
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El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes. Un ejemplo común del intercambio catiónico es la reacción para el ablandamiento del agua: Ca++ + 2NaR ↔ CaR + 2Na+ donde R representa un lugar estacionario aniónico univalente en la malla del polielectrolito de la fase intercambiador.
2.1. INTERCAMBIO IÓNICO EN LECHO FIJO
La operación de intercambio iónico se realiza habitualmente en semicontinuo, en un lecho fijo de resina a través del cual fluye una disolución. El régimen de funcionamiento no es estacionario por variar continuamente la concentración de los iones en cada punto del sistema. Las instalaciones constan generalmente de dos lechos idénticos, de forma que si por uno de ellos circula la disolución que contiene los iones que se desea intercambiar, el otro se está regenerando.
Al inicio de la operación de un lecho, la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar cerca de la entrada del lecho donde el fluido se pone en contacto con intercambiador fresco. A medida que transcurre el tiempo, el sólido próximo a la entrada se encuentra prácticamente saturado y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar lejos de la entrada. Debido a la resistencia que opone el sistema a la transferencia de iones desde el seno del líquido a los centros de intercambio, se establece un gradiente de concentración en el lecho (Figura 1). La región donde ocurre la mayor parte del cambio de concentración es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona virgen de la resina y la de saturación y sus límites frecuentemente se toman como c/co = 0,95 a 0,05.
A medida que progresa el intercambio iónico la zona de transferencia de materia se traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior (figura 2), instante a partir del cual la disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.
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Figura 1. Perfiles de concentración en el lecho a lo largo del tiempo
Zona de de Zona t.m. n transició
Zona de saturación
t
t
Zona de saturación
Zona Zona de de t.m. transición Zona virgen
Zona virgen
t Zona de saturación
Zona de Zona de transición t.m.
Figura 2. Evolución de la concentración en un lecho de intercambio iónico
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El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de la disolución aparecen en la corriente de salida o más concretamente, cuando se alcanza la máxima concentración permisible en el efluente, se denomina Tiempo de ruptura (tR). En este momento, la corriente se desviaría a un segundo lecho, iniciando el proceso de regeneración del primero. La curva que representa la evolución de la concentración del efluente que abandona el lecho recibe el nombre de Curva de ruptura. (Fig. 3)
El conocimiento de la curva de ruptura, es fundamental para el diseño de un lecho fijo de intercambio iónico, y en general debe determinarse experimentalmente, dada la dificultad que entraña su predicción.
C/C0 1
Capacidad/W
Curva de ruptura
tR
Volumen Tiempo
Figura 3. Diagrama concentración efluente – tiempo
2.2. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LA RESINA
Se define como Capacidad de la resina el valor de la concentración de iones que pueden ser retenidos por una unidad de peso de resina. Suele expresarse como meq de soluto retenidos/g resina seca. La capacidad de la resina es un parámetro fundamental para
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la selección del intercambiador ya que generalmente se requieren capacidades altas para la separación o purificación a realizar. La determinación de la capacidad máxima de una resina catiónica se realiza intercambiando ésta con una disolución básica: se produce una reacción irreversible entre el catión saliente de la resina con los iones OH- de la disolución de tal forma que si existe suficiente concentración de soluto llega a agotarse la capacidad total de la resina.
Para el cálculo de la capacidad de la resina en lecho fijo en unas condiciones determinadas es necesario conocer cuál es la cantidad total de soluto retenido por la misma. Este valor se puede determinar a partir de la curva de ruptura del sistema en función del volumen eluído (figura 4), calculando el área de la zona comprendida entre la curva de ruptura y la línea recta horizontal correspondiente a la concentración de la disolución de entrada. Dividiendo este valor entre el peso total de resina contenido en la columna, se determinará la capacidad de la resina utilizada en ciertas condiciones.
q0 =
Área sobre curva rotura (l ) x C0 (meq / l ) Peso re sin a ( g )
C/C0 1
Capacidad/W
Volumen
Figura 4. Cálculo de la capacidad de una resina.
(1)
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2.3 FRACCIÓN DE LECHO UTILIZADO
La fracción de lecho utilizado en el punto de ruptura o a cualquier tiempo de la operación se puede determinar a partir de la cantidad de soluto retenida en ese punto y la capacidad de la resina.
Fracción de lecho utilizado =
cantidad de soluto retenida (meq) q 0 (meq / g ) x peso de resina ( g )
(2)
La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calcula determinando el área de la zona comprendida entre el tramo correspondiente de la curva de ruptura y la línea recta horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada.
Cantidad de soluto retenida (meq) = At x C0
(3)
C/C0 1
Capacidad/W
At
Vt
Volumen
Figura 5. Calculo de la cantidad de soluto retenida a un tiempo determinado
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2.4. LONGITUD DE LECHO NO UTILIZADO
Una vez iniciada la operación de intercambio, el perfil de concentración en la zona de transferencia de materia adquiere pronto su forma característica y una anchura que no varía al desplazarse a través del lecho. Por tanto, si se utilizan diferentes longitudes de lecho, manteniendo constante el resto de las condiciones, se obtendrán curvas de ruptura de la misma forma. En lechos de gran longitud la zona de transferencia representa una fracción menor de forma que se utiliza una mayor fracción y longitud de lecho. La longitud de lecho no utilizado en un punto determinado se puede calcular a partir de la fracción del lecho utilizado y la longitud del lecho. Longitud de lecho = Longitud del lecho − [Fracción de lecho utilizada x Longitud del lecho] no utilizado (4)
3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL
La instalación experimental empleada en la práctica se esquematiza en la Figura 6. Consiste en una columna de vidrio (2 cm de diámetro) en la que se coloca cierta cantidad de resina de intercambio. Esta columna es alimentada alternativamente desde 3 ó 4 depósitos por disoluciones de agua, HCl y NaOH mediante respectivas válvulas. Una bomba de membrana, colocada a la salida de los depósitos, provoca el flujo de los diferentes fluidos. Se dispone de dos instalaciones para la realización de la práctica, la nº1 consta de 20 g de resina seca, mientras que la nº2 consta de 10 g. El análisis del efluente de salida se realiza mediante medidas de conductividad. Como la concentración de los diferentes iones es proporcional a la conductividad, se utilizarán conductividades normalizadas que equivalen a las concentraciones normalizadas (λ/λ0=C/C0).
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H2 O
HCl
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NaOH
Lecho de resina
Bomba
Figura 6. Instalación experimental.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se realizarán dos experimentos con cada lecho de resina. En la instalación n º1 se tratarán dos corrientes de NaOH 0,085 N con diferentes caudales de alimentación, 50 ml/min y 35 ml/min. En la segunda instalación se tratarán dos corrientes con concentraciones de NaOH 0,085 N y 0,14 N respectivamente, con un caudal de alimentación de 50 ml/min.
Se procederá de la siguiente forma: 1) Se bombea agua destilada a través del lecho, ajustando el caudal correspondiente al primer experimento que se va a realizar, hasta asegurarnos de que la conductividad registrada sea constante y correspondiente a la del agua destilada. 2) Es importante que la resina nunca se encuentre seca, siempre debe quedar el lecho sumergido en cierta cantidad de líquido.
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3) Regeneración de la resina: Se pasa una corriente de HCl 0,1N hasta que la conductividad del efluente de salida sea constante e igual a la de la disolución de entrada. 4) Se vuelve a alimentar agua destilada hasta la total eliminación del HCl residual. 5) A continuación se van a obtener los datos necesarios para dibujar la curva de ruptura. Se cierra la válvula de alimentación de agua destilada y se abre la de alimentación de NaOH. Se toma ese momento como tiempo cero y se anotan valores de la conductividad de la disolución procedente de la columna cada 30 s hasta obtener una lectura de conductividad constante e igual a la de disolución de entrada (λ∞). 6) Se sustituye la corriente de NaOH por la de agua destilada hasta eliminar la sosa residual en la columna. 7) Se vuelve a regenerar la resina según el apartado 3) y a bombear agua destilada según el apartado 4). 8) Se repite el proceso del punto 5) para las nuevas condiciones de alimentación.
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Se representa gráficamente el cociente de valores de conductividad λ/λ∞ frente al volumen eluido y de este modo, se obtiene la curva de ruptura del sistema. A partir de esta gráfica y del caudal utilizado se puede calcular el tiempo de ruptura del sistema que sería el tiempo que tardaría la disolución alcalina que sale de la columna en alcanzar la concentración de ruptura, siendo ésta un 20% de la concentración inicial.
A partir de la curva de ruptura por integración numérica se calcula el valor de la capacidad de la resina utilizada en el experimento (Ecuación 1), la cantidad de soluto retenida en el tiempo de ruptura (Ecuación 3) y la fracción de lecho utilizada (Ecuación 2).
A partir de los resultados obtenidos determinar cómo influye el peso de resina empleado, la concentración de NaOH y el caudal de alimentación utilizados sobre: el
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tiempo de ruptura, la capacidad de la resina y la cantidad total de soluto retenida, fracción de lecho utilizado y longitud de lecho no utilizado en el punto de ruptura.
6. BIBLIOGRAFÍA
1) Hines, A.L. y Maddox, R.M. (1985). “Mass Transfer. Fundamentals and Applications”. Prentice-Hall. New Jersey. 2) McCabe, W.L.; Smith, J.C. y Harriot, P. (1994). “Operaciones unitarias de Ingeniería Química”. McGraw-Hill. Madrid. 3) Perry, R.H. y Green, D.W. (Volumen III, 2001).”Manual del ingeniero químico”. McGraw-Hill. Madrid.
