Ingenieria ambiental

Purificación de aguas por intercambio iónico1.OBJETIVO
Esta práctica tiene como objetivo la purificación de agua contaminada con
cloruro sódico mediante la utilización de una resina de intercambio iónico. Para ello, se
llevarán a cabo estudios cinéticos (operación discontinua) y en columna (operación
semicontinua).
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
El intercambio iónico es una operación básica deseparación con una interfase
sólido-líquido. El intercambio iónico se produce al poner en contacto un sólido iónico
(intercambiador) y una disolución conteniendo iones (electrolito).
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 (Figura 1). Estas cadenas estánunidas 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, mediante una
selección adecuada del grado de reticulación, puede limitarse la movilidad de los ionesparticipantes en el mismo.
Figura 1. Estructura de una resina de intercambio Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones,
de signo opuesto (contraiones) que están libres y que son los que realmente se
intercambian con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, los
cambiadores iónicos se llaman catiónicos y cuando son aniones, sedenominan
aniónicos.
3. ESTUDIO CINÉTICO
La operación discontinua se lleva a cabo en un reactor tanque agitado donde se
pone en contacto una cierta masa de resina con la disolución a tratar, hasta que se
alcance el equilibrio. El régimen de funcionamiento es “no estacionario” por variar
continuamente, en cada punto del sistema, las concentraciones de iones. Esta operación
presenta elinconveniente de que en ella sólo se aprovecha parte de la capacidad de la
resina, a menos que la selectividad iónica sea muy elevada en las condiciones de
equilibrio.
Esta operación se utiliza con éxito cuando el ión liberado por la resina reacciona
irreversiblemente con iones presentes en la disolución como ocurre en el caso de los
iones hidrógeno o hidroxilo, que se combinan con el iónhidroxilo o hidrógeno,
respectivamente, para formar agua.
Este tipo de operación se utiliza generalmente a escala de laboratorio, para la
obtención de datos de equilibrio o cinéticos.
4.- OPERACIÓN SEMICONTINUA
En este caso, la resina cambiadora constituye un lecho fijo a través del cual fluye
una disolución. Al igual que en la operación discontinua, el régimen de funcionamientoes “no estacionario”. Este método es más sencillo que el continuo al eliminarse el flujo
de sólido intercambiador, siempre delicado y costoso. Sin embargo, al transcurrir la
operación en régimen no estacionario, el dimensionado y diseño del lecho junto con el cálculo de la cantidad de cambiador necesaria, exige un tratamiento matemático
bastante más complejo que el requerido para laoperación continua.
La mayoría de los procesos industriales se realizan de forma semicontinua en
lechos fijos. Las instalaciones semicontinuas de lecho fijo constan de dos lechos
idénticos, para que, mientras por uno de ellos circula la disolución que contiene los
iones que se desean intercambiar, el otro se está regenerando. A medida que transcurre
el tiempo, el primer lecho se va saturandode los iones de la disolución, pero debido a la
resistencia que opone el sistema a la transferencia de los iones desde el seno del líquido
a los centros de intercambio, existe una zona de transición que separa la zona virgen de
la resina y la de saturación. En esta zona intermedia, el grado de saturación varía con un
perfil en forma de S.
A medida que progresa el intercambio iónico la...