Intecambio ionico

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Área de Ingeniería Química

INTERCAMBIO IÓNICO

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 latransferencia 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 tipopolimérico, 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 oentrecruzamiento 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 yque 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 esla 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 defuncionamiento 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 tienelugar 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 deintercambio, 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 demateria 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 Zona de t.m. transición

Zona de saturación

t
Zona de Zona de t.m. transición Zona...
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