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Intercambio ionico

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Intercambio ionico

  1. 1. INTERCAMBIO IONICO INTEGRANTES: FATIMA ROJAS YOLANDA RIOS
  2. 2. INTERCAMBIO IÓNICO • Desde 1850 Thompson y Way, 1906 Gans, 1935 Holmes y Adams, hasta la tecnología del intercambio iónico ablandamiento del agua y agua de alimentación en la ósmosis inversa. • El intercambio iónico es una de las operación unitaria, que tienen como función la separación, que está basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Que involucra 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.
  3. 3. DEFINICION • Es un método de separación química, y se reconoce como una operación unitaria. Reacción química que tiene lugar entre dos iones móviles de una disolución y los iones de igual signo que se hallan unidos a una partícula solida inmóvil. El intercambio iónico está basado en la adsorción, que es un proceso de separación de ciertos componentes de una fase fluida hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.
  4. 4. • La mayoría de los adsorbentes son resinas, compuestos orgánicos de gran peso molecular que tiene la propiedad de disponer de un residuo catiónico o aniónico intercambiable, y gracias a su alta porosidad, la adsorción puede tener lugar fundamentalmente en el interior de las partículas, y aumentado así el área de contacto. La separación se produce debido a la diferente afinidad de las resinas con los cationes y aniones que se desean eliminar, y por tanto la buena elección del lecho favorecerá la separación de los iones y la eficacia dependerá del equilibrio sólido-líquido y de las velocidades de transferencia de materia.
  5. 5. ALIMENTO AGENTE DE SEPARACION PRODUCTO PRINCIPIOS DE SEPARACION EJEMPLO liquido resina solida liquido + resina solida ley de accion de masas, aplicada a inones o cationes disponibles ablandamiento de agua EJEMPLO DE INTERCAMBIO IÓNICO ENTRE EL SODIO Y EL POTASIO
  6. 6. • Propiedades generales: Hinchamiento: facilita el movimiento de los iones dentro de los gránulos e influye tanto en la velocidad del intercambio como en la distribución. • Cinética del intercambio iónico Disfunción del ion a la superficie de la resina. Difusión del ión a través de la resina l sitio del intercambio. Intercambio de los iones. Difusión del ión cambiado a través de la resina a la superficie. Desorción y disfunción del ión cambiado en la solución exterior.
  7. 7. TECNICA DEL INTERCAMBIO IONICO • Concentrar un ión deseable en un pequeño volumen. Ej. Separación de un alcaloide de una solución o extracto. • Remover o separar un ión indeseable. Ej. El agua purificada por calcio de la cual se desea eliminar el ión calcio.
  8. 8. TIPOS DE INTERCAMBIADORES IÓNICOS • Los intercambiadores de iones pueden ser: • Intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes). • Intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa (aniones). • Anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo. • El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes. • Ejemplo • 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.
  9. 9. SUSTANCIAS DE INTERCAMBIO IÓNICO • Las sustancias de intercambio iónico presentan determinada selectividad o afinidad influenciada por las propiedades de las sustancia, los iones intercambiados, la solución en la cual están presentes los iónes, la magnitud de la carga y el tamaño de los iónes. Las sustancias intercambiadores se clasifican en: • origen naturales arcillas zeolitas , resinas naturales y permutitas. • sintéticos resinas sintéticas, carbónsulfonado. • Los intercambiadores de iones suelen contener resinas de intercambio iónico porosas o en forma de gel, zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo.
  10. 10. RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO • Características 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.
  11. 11. RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO SO DE DOS TIPOS: • Intercambiadores catiónicos Contiene grupos activos ácidos que : sulfónico, carboxílico, fenólico, fosfórico. Acido fuerte y acido débil. • Intercambiadores aniónicos • Contiene grupos amínicos: NH2, NHR, NR2 Base fuerte y base débil.
  12. 12. INTERCAMBIO IÓNICO EN LECHO FIJO
  13. 13. • 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
  14. 14. EVOLUCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN EN UN LECHO DE INTERCAMBIO IÓNICO
  15. 15. CAPACIDAD DE LA RESINA El valor de la concentración de iones que pueden ser retenidos por una unidad de peso de resina. 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
  16. 16. Aplicaciones • El intercambio iónico es utilizado para diversos fines entre los que se destacan : • Ablandamiento, separación de calcio y magnesio. • Desmineralización • Tratamiento de agua. Este es un proceso típico para ablandar o desionizar el agua, aunque es recomendable aplicarse después de un tratamiento previo adaptado a cada calidad de agua bruta, y que consista, especialmente, en la eliminación de las materias en suspensión, materias orgánicas, cloro residual, cloraminas. • Proceso muy utilizado en las fábricas textiles. • El intercambio iónico es utilizado ampliamente en la industrias de alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, acabado de metales, química y petroquímica, farmacéutica, azúcar y edulcorantes, agua subterránea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua, semiconductores, energía, acabado textil.
  17. 17. APLICACIONES FARMACEUTICAS • Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la separación de alcaloides en solución o contenido en extractos vegetales. • De dos modos: • Con intercambiadores catiónicos o con aniónicos. • A si mismo se han separado aminoácidos, proteínas, enzimas, hormonas , vitaminas, antibióticos. Como la penicilina, se separa con intercambiadores, esta se fija sobre resinas carboxílicos y es eludida con ácidos minerales. • Desintegrantes en la elaboración de comprimidos. • Prolongar el efecto de algunos fármacos.
  18. 18. Diagrama de flujo • Esquema de un proceso de desionización de agua. Intercambio iónico
  19. 19. REGENERACION DE RESINAS DE INTERCAMBIO IONICO Tipos de regenerantes  El cloruro de sodio (NaCl) se emplea normalmente para regenerar las resinas fuertemente ácidas usadas en ablandamiento, y las resinas fuertemente básicas en la eliminación de nitratos.  En ablandamiento, el cloruro de potasio (KCl) puede también emplearse cuando la presencia de sodio en la solución tratada es indeseable.  En ciertos procesos de tratamiento de condensados muy calientes, el cloruro de amonio (NH4Cl) se puede utilizar también.  En la eliminación de nitratos, la resina fuertemente básica se puede regenerar con otros compuestos que producen iones de cloruro, tales como el ácido clorhídrico (HCl).  y a veces más barato, pero es menos eficaz que el clorhídrico: la capacidad útil de la resina SAC es En el proceso de descationización — la primera etapa de una desmineralización — la resina fuertemente ácida (SAC) se debe regenerar con un ácido fuerte. Los regenerantes más comunes son el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico.  El ácido clorhídrico (HCl) es muy eficaz y no produce precipitados en el lecho de resina.
  20. 20. o El ácido sulfúrico (H2SO4) es más fácil de transportar y almacenar menor. Además, su concentración se debe ajustar precisamente para impedir la precipitación de sulfato de calcio en la resina (detalles abajo). Una vez precipitado en la columna, CaSO4 es muy difícil disolver de nuevo. o El ácido nítrico (HNO3) se puede también emplear, por lo menos en principio, pero no es recomendado, porque puede producir reacciones muy exotérmicas, hasta explosiones. Por lo tanto, hay que considerar el ácido nítrico como peligroso. o En descarbonatación, lo mejor es regenerar la resina débilmente ácida (WAC) con ácido clorhídrico (HCl). El sulfúrico se debe aplicar a concentraciones muy bajas (< 0,8%) para que no precipite sulfato de calcio. La cantidad de agua de dilución es por lo tanto muy grande. Otros ácidos más débiles pueden también regenerar resinas WAC, por ejemplo el ácido acético (CH3COOH) o el ácido cítrico, una molécula con tres grupos —COOH: (CH2COOH-C( OH)COOH-CH2COOH = C6H8O7). o En desmineralización las resinas fuertemente básicas se regeneran siempre con sosa cáustica (NaOH) aunque la potasa cáustica (hidróxido de potasio KOH) es otra opción, pero en general más cara. o resinas débilmente básicas (WBA) se regeneran en general también con sosa cáustica, pero otras bases más débiles se pueden emplear: o Amoníaco (NH4OH) o Carbonato de sodio (Na2CO3)
  21. 21. Concentraciones  NaCl (ablandamiento y eliminación de nitratos): 10 %  HCl (descationización, descazrbonatación y desmineralización): 5 %  NaOH (desmineralización): 4 %  H2SO4: con resinas fuertemente ácidas, se debe ajustar la concentración del ácido sulfúrico con mucho cuidado entre 0,7 y 6 % según la proporción de calcio en el agua bruta (la cual es la misma en la resina). Empieza con una concentración baja de ácido sulfúrico, y luego se aplica una concentración más alta una vez eluida la mayor parte de los iones de calcio. Una tercera etapa se aplica a veces con una concentración aún más alta. La primera concentración es en general entre 1 y 2 %, y la segunda concentración es doble. De tal manera se puede reducir el volumen de agua de dilución, la regeneración es más eficaz y la capacidad útil más alta.
  22. 22. APLICACIONES INDUSTRIALES • Ablandamiento del agua
  23. 23. Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina. El agua ablandada sirve para varios usos:  Lavanderías  Calderas domésticas  Calderas industriales de baja presión  Industria textil
  24. 24. DESCARBONATACION • En muchas regiones del mundo las aguas naturales contienen bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos se pueden elminar con resinas débilmente ácidas en forma hidrógeno. Este proceso se llama también eliminación de la dureza temporal. El agua tratada contiene gas carbónico que se puede eliminar con una torre de desgasificación. La salinidad del agua tratada es más baja que la del agua bruta. Agua descarbonatada sirve:  para tratar el agua de producción de cerveza y otras bebidas  para ablandar las aguas de abastecimiento en ciudades y pueblos  en casa, para filtrar, ablandar y desmineralizar parcialmente el agua para hacer café o té  como etapa inicial antes de una desmineralización completa
  25. 25. DESMINERALIZACION
  26. 26. • Para eliminar todos los iones, el agua pasa primero a través de una columna intercambiadora de cationes en forma hidrógeno, después a través de una columna intercabiadora de aniones en forma base libre o hidroxilo. Todos los cationes se cambian por iones H+de las resinas catiónicas, y los aniones por iones OH—de las resinas aniónicas. Estos iones se recombinan formando nuevas moléculas de agua (H2O). El agua tratada no contiene sino trazas de sodio y de sílice.
  27. 27. CATALISIS • Un catalizador es un compuesto que aumenta la velocidad de una reacción química hasta su equilibrio sin ser consumido durante la reacción. La mayoría de las reacciones químicas, especialmente en la industria petroquímica, donde se solía emplear un ácido inorgánico como catalizador, se catalizan hoy con resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas en forma H+. Estas resinas funcionan en condiciones difíciles, especialmente a temperaturas altas (130 – 170 °C), y deben tener la acidez más elevada posible. Mencionaremos unos ejemplos:
  28. 28. • La alquilación Producto Octilfenol Reactantes Octano + fenol Catalizador Amberlyst 15Dry Temperatura 100 – 120 °C
  29. 29. • Condensación Producto Bisfenol A Reactantes Acetona + fenol Catalizador Amberlyst 131 Temperatura 60 – 80 °C
  30. 30. • Esterificación Producto Metil-ter-butil éter (MTBE) Reactantes Isobutileno + metanol Catalizador Amberlyst 35 Temperatura 40 – 80 °C
  31. 31. • La deshidratación Producto Isobutileno Reactantes Isobutanol Catalizador Amberlyst 35 Temperatura 70 – 80 °C
  32. 32. • La hidrogenación Producto Metil-isobutilcetona (MIBK) Reactantes Acetona Catalizador Amberlyst CH28 (dopado con paladio)

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