PRÁCTICA 6 INTERCAMBIO IÓNICO

Experimentación en Ingeniería Química I
Grado en Ingeniería Química
PRÁCTICA 6
INTERCAMBIO IÓNICO
6.1. RECOMENDACIONES BÁSICAS DE SEGURIDAD
Debido al riesgo de salpicaduras en la preparación de la disolución de NaOH, se
recomienda el uso de gafas de seguridad. No son necesarias medidas adicionales de
seguridad en esta práctica, es suficiente con seguir las normas generales del
laboratorio.
6.2. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA
En esta práctica se va a estudiar la eliminación de iones de una disolución de NaOH
mediante intercambio iónico, se realizará la determinación de la isoterma de adsorción
en equilibrio y se estudiará el funcionamiento dinámico de un lecho fijo por el que fluye
la corriente a desionizar. La resina está protonada, de modo que se sustituye Na+ por
H+, formándose agua de acuerdo con el equilibrio de disociación de la misma.
El objetivo de la misma es comprender el fundamento de la operación de separación
de intercambio iónico, tanto en un proceso discontinuo como en un proceso continuo.
6.3. FUNDAMENTO TEÓRICO
El intercambio iónico es una operación de separación mediante la cual se eliminan
iones de una disolución, normalmente mediante el uso de resinas de intercambio
iónico, zeolitas u otros sólidos adecuados para este fin. Se trata de una operación
sólido-líquido, que presenta cierta similitud con la adsorción, sin embargo, a diferencia
de ésta, los iones que son retirados de la disolución deben ser sustituidos por otros
iones de igual signo, con el fin de mantener el equilibrio de carga de ambas fases.
Algunas de las aplicaciones más importantes del intercambio iónico son el
ablandamiento y desmineralización de agua, eliminación de color en la producción de
azúcar, y recuperación de antibióticos y vitaminas producidas mediante fermentación.
Hoy en día los intercambiadores iónicos usados más ampliamente son resinas
poliméricas de estireno o ácido acrílico, con grupos iónicos funcionales unidos a la
estructura del polímero. En función de la carga de ese grupo, la resina será aniónica o
catiónica, y en función de su naturaleza se tratará de resinas catiónicas o aniónicas
fuertes o débiles.
Las resinas catiónicas tienen grupos funcionales como el ácido sulfónico (-SO3-) o el
carboxílico (-COO-), en las resinas aniónicas estos grupos son aminas (-N(CH3)3+).
Figura 6.1.- Esquema de la estructura de una resina de intercambio iónico.
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Cada grupo funcional tiene un “contra-ión” que neutraliza su carga, como contracationes se suelen encontrar H+ y Na+, como contra-aniones OH- y Cl-.
Al poner en contacto la resina con la disolución que contiene los iones que se quieren
retirar, se produce una reacción reversible, cuyo equilibrio depende de la naturaleza de
los iones que intervienen. Algunos ejemplos se muestran en las ecuaciones 6.1 a
6.4:
Na   R  -H   H   R  -Na 
Ca 2  2 R  -Na   2 Na    R   Ca 2 
[Ecs. 6.1-6.2]
2
SO42  2 R  -Cl   2Cl    R   SO42
2
Cl



 R -OH  OH


 R -Cl

[Ecs. 6.3-6.4]
El equilibrio se representa mediante isotermas de adsorción, que muestran la relación
entre la cantidad de iones en disolución y los iones retenidos en la resina. Esta
relación se puede expresar en concentración de iones en disolución, C (en meq/L) y la
cantidad de iones (x) por unidad de peso de resina (m), cuyo cociente se designa
como x/m (meq/g resina), una vez que se ha alcanzado el equilibrio.
La isoterma debe determinarse de forma experimental y puede responder a
ecuaciones de distinto tipo, como la de Freundlich (Ec. 6.5, Fig. 6.2a) o la de Langmuir
(Ec.6.6, Fig. 6.2b):
x
m
= k.Cn
[Ec. 6.5]
x
m
=
A.C
1 + B.C
[Ec. 6.6]
Figura 6.2.- Isotermas de adsorción. a) Freundlich, b) Langmuir.
El intercambio iónico se lleva a cabo normalmente de modo semicontinuo, discontinuo
para el sólido con un flujo continuo de disolución, debido a que la capacidad de la
resina se agota a medida que los grupos funcionales intercambian su contra-ión. Una
vez agotada la resina, debe regenerarse mediante el uso de una disolución de NaCl,
HCl, H2SO4 u otros ácidos, en el caso de las resinas catiónicas, y de NaOH, NH3 y
Na2CO3 entre otros, para las resinas aniónicas.
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El proceso de intercambio ocurre mediante una serie de etapas: 1) difusión (externa)
de los iones hasta la superficie, 2) difusión (interna) a través de la partícula hasta el
grupo funcional, 3) intercambio de los iones, 4) difusión (interna) del ión liberado y 5)
difusión (externa) del ión liberado desde la superficie al seno del fluido. La cinética del
proceso global depende de las velocidades de las etapas y de la existencia de una
etapa controlante.
Si en la desionización en lecho fijo no hubiera resistencia a la transferencia de materia
en las distintas etapas y la cinética de intercambio en la resina fuera muy rápida en
comparación a la velocidad de desplazamiento del agua en la columna, el intercambio
iónico ocurriría en una zona muy estrecha de la columna que se desplazaría hacia la
parte final del lecho, separando una zona de resina saturada, cada vez mayor, de una
zona de resina intacta. La resistencia de las distintas etapas, así como la difusión de
los iones en el agua en todas direcciones hacen que, en la práctica, exista una zona
relativamente ancha donde ocurre el intercambio de iones, y la concentraciones de
iones a la salida muestra forma de "S", aumentando progresivamente hasta alcanzar la
concentración inicial cuando la resina se halla completamente agotada, es lo que se
denomina curva de ruptura, tal y como se muestra en la Figura 6.3.
Figura 6.3.- Curva de ruptura obtenida en el intercambio iónico en lecho fijo.
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.
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Al momento en el que la concentración a la salida aumenta hasta un nivel inadmisible
se le denomina “tiempo de ruptura”, e indicaría el instante en el que la columna dejaría
de estar operativa y tendría que pasar a ser regenerada. El flujo de disolución debería
pasar entonces por una segunda columna que estaría previamente regenerada.
Cuando la concentración de iones en la disolución de salida estuviera próxima a la de
entrada, se hablaría de punto de saturación. Se considera que se ha alcanzado ese
momento cuando la concentración de salida es un 10 % menor que a la entrada.
Otro concepto que se utiliza en lecho fijo es la capacidad de la resina (qo) que se
define como la cantidad de iones que pueden ser retenidos por unidad de peso de
resina y tiene unidades de meq/g. Este parámetro se utiliza para seleccionar un tipo de
resina u otro, y se determina a partir de la curva de ruptura (Figura 6.3), calculando el
área por encima de la curva entre el tiempo inicial y final (momento en el que la
concentración se mantiene constante). La concentración debe estar expresada en
meq/L y el tiempo en minutos.
[Ec. 6.7]
Multiplicando este valor por el caudal (L/min) y dividiendo entre el peso total de resina
(g) contenido en la columna, se determinará la capacidad de la resina.
qo =
Area sobre curva de ruptura meq.min
L
. caudal(L/min)
peso resina (g)
[Ec. 6.8]
La fracción de lecho utilizado en el punto de ruptura o a cualquier tiempo de operación
se puede determinar como:
Fracción de lecho utilizado = cantidad de soluto retenida (meq)
qo meq
g .peso resina (g)
[Ec. 6.9]
La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calcula determinando el área sobre
la curva entre tiempo inicial y el tiempo considerado (ecuación 6.7), y dicho valor se
multiplica por el caudal.
Cantidad de soluto retenida meq =At .caudal
6.4. MATERIAL Y REACTIVOS
6.4.1 Reactivos
-NaOH en lentejas.
-Resina catiónica.
- Agua destilada.
6.4.2 Material
a) Determinación de la isoterma de adsorción (Figura 6.4 izda.).
- Agitador magnético.
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[Ec. 6.10]
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- 6 erlenmeyer con tapón (400 mL).
- Conductímetro.
b) Funcionamiento en lecho fijo. Columna con resina catiónica (25-35 gramos
aproximadamente) mostrada en la Figura 6.4 dcha.
- Conductímetro en línea.
- Bomba de impulsión.
- Cronómetro.
Figura 6.4.- Agitador (izquierda) y sistema de intercambio en continuo (derecha).
6.5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
6.5.1. Preparación de la disolución de NaOH 0,5 g/L
En primer lugar es necesario preparar disolución de NaOH de 0,5 g/L de
concentración. Se necesitan unos 20 L, para ello se pesará la cantidad adecuada de
NaOH, disolviéndola en agua destilada y enrasando el depósito que se encuentra bajo
la bomba.
6.5.2. Calibrado del conductímetro
Con objeto de relacionar concentraciones con conductividades es necesario calibrar el
conductímetro. Para ello se preparan 6 disoluciones de concentraciones conocidas,
midiéndose la conductividad de las mismas. Las disoluciones se prepararán a partir de
la disolución inicial (0,5 g/L), y se realizarán las diluciones necesarias para cada una
de ellas (50% peso disolución anterior + 50% peso agua destilada). Para ello se
pueden tomar unos 50 g de disolución y 50 g de agua destilada e ir diluyendo a la
mitad varias veces.
6.5.3. Determinación de la isoterma de adsorción
1.- Se colocan 250 cm3 aproximadamente (es necesario pesar) de disolución de NaOH
en cada uno de los 6 recipientes de los que se dispone, midiendo la conductividad
inicial de la misma.
2.- Se añaden aproximadamente 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2 y 1,3 g de resina catiónica en
cada recipiente, agitando para asegurar una buena mezcla.
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3.- A partir de ese instante se toman medidas de conductividad en cada recipiente,
aproximadamente cada 30 minutos durante la duración de la práctica, hasta
observar que la conductividad no cambia. ATENCIÓN: Comenzad a medir por el
recipiente con la mayor cantidad de resina y continuad en orden descendente de
cantidad. Quitad del agitador del erlenmeyer para realizar la medida.
6.5.4. Operación de desionización en lecho fijo
1.- Se comprueba que el depósito contiene suficiente disolución y, antes de poner en
funcionamiento la bomba, se comprueba que la columna con la resina está
conectada a la línea con el flujo en sentido ascendente. Se comienza a medir el
tiempo al poner en marcha la bomba, fijando el caudal de la misma en el 20 %.
2.- Se toman datos de conductividad cada 5 minutos al principio. Una vez que la
conductividad comienza a aumentar, se toman cada minuto (o 30 segundos). Se
siguen tomando datos hasta que la conductividad a la salida sea constante.
3.- Antes de desconectar la bomba, se determina el caudal gravimétricamente, y se
mide la conductividad de la disolución sin tratar, conectando directamente la salida
de la bomba al conductímetro. Mide la conductividad también con el conductímetro
de apartado 6.5.2.
6.6. CÁLCULOS Y TOMA DE DATOS
6.6.1. Recta de calibrado concentración/conductividad
La conductividad está relacionada con la concentración de iones (aniones + cationes)
en disolución. Por ello, debe realizarse una recta de calibrado. Completa los siguientes
datos:
Masa de NaOH en 2 L =
g
Concentración inicial de NaOH=
g/L
Rellena la Tabla 6.1 para el calibrado del conductímetro.
Tabla 6.1. Recta de calibrado.
Peso
disolución (g)
NaOH
inicial (g/L)
Peso agua
destilada (g)
NaOH
final (g/L)
NaOH
final
(meq/L)
6.6.2. Determinación de la isoterma
Rellena los siguientes valores:
Conductividad inicial de la disolución=
S/cm
Velocidad de agitación=
rpm
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Conductividad
(S/cm)
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Completa la Tabla 6.2 con los pesos de resina y de disolución.
Tabla 6.2. Preparación de las suspensiones resina-disolución.
Enlenmeyer nº
1
2
3
4
5
6
Masa de resina, m (g)
Masa disolución (g)
Rellena la Tabla 6.3 con los valores de conductividad () para distintos tiempos. Los
datos experimentales que se usarán son la conductividad inicial y final de la disolución
para cada uno de las seis cantidades usadas de resina.
Tabla 6.3. Variación de la conductividad con el tiempo.
t (min)
1
(S/cm) en el erlenmeyer nº
3
4
2
5
6
A partir de los pesos de resina (m) y disolución utilizados, y la conductividad inicial y
de equilibrio, calcula, mediante los balances correspondientes, los datos
correspondientes a cada equilibrio de C y x/m y completa la Tabla 6.4.
Tabla 6.4. Datos para la isoterma de adsorción.
m
(g)
C
(meq/L)
x
(meq iones
adsorbidos)
x/m
(meq iones/g resina)
6.6.2. Desionización en lecho fijo.
Apunta los siguientes datos de la operación. Completa la Tabla 6.5.
Peso resina:
39
g
Caudal de disolución:
L/min
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Tabla 6.5. Datos de la operación en continuo.
t
(min)
40

(S/cm)
correg
(S/cm)
C
(meq/L)
t
(min)

 correg
(S/cm) (S/cm)
C
(meq/L)
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6.7. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
1) A partir de la Tabla 6.1, represéntese gráficamente la concentración (meq/L) frente
a la conductividad (µS/cm) y obténgase la ecuación de la recta que relaciona ambas
variables.
2) Con los datos de la Tabla 6.4, obténgase una gráfica similar a la mostrada en la
Figura 6.2. Indíquese razonadamente a qué tipo de isoterma se ajusta (sólo a una:
Langmuir, ecuación 6.5, o Freundlich, ecuación 6.6).
3) A partir de los datos de la Tabla 6.4, se debe proceder a la linealización de la
ecuación de la isoterma seleccionada en el apartado anterior. Calcúlese, tabúlese y
represéntese los datos linealizados y realícese el ajuste obtenido para la isoterma
elegida, para finalmente calcular los parámetros de la misma.
4) A partir de la relación entre la concentración y la conductividad (Tabla 6.5),
calcúlese y represéntese la curva de ruptura, similar a la Figura 6.3.
5) A partir de la curva de ruptura calcúlese:



La capacidad de la resina (meq/g).
El tiempo de ruptura (min) para una concentración a la salida del 10 % de la de
entrada. Cantidad de soluto retenida (meq) y fracción de resina utilizada para
este tiempo.
El tiempo para la saturación (meq) de la resina. Cantidad de soluto retenida
(min) y fracción de resina utilizada para este tiempo.
6.8. BIBLIOGRAFÍA
HENLEY, E.J., SEADER, J.D. “Separation Process Principles”, 2nd ed., John Wiley&
Sons, Danvers(USA), 2006.
TREYBAL, R.E. “Operaciones de Transferencia de Masa”. McGraw-Hill, México, 1980.
F. de Dardel. "Ion Exchange". Disponible en
18/03/2014)
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http://dardel.info/IX/ (fecha acceso: