Adsorción e intercambio iónico

UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II
ADSORCIÓN E INTERCAMBIO IÓNICO
OBJETIVO: Determinar experimentalmente la capacidad dinámica de intercambio útil (Cur) y total (Ctr) de
una resina intercambiadora de cationes.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA: La adsorción y el intercambio iónico son procesos de separación
sólido−líquido con características muy particulares que los diferencian entre sí. Sin embargo, las técnicas
utilizadas en ingeniería química para la adsorción y el intercambio iónico son tan parecidas que se estudian
simultáneamente.
La adsorción es un proceso de separación, en el cual algunos de los componentes presentes en una mezcla
gaseosa o líquida son selectivamente transferidos a la superficie de un sólido, donde los componentes son
mantenidos reversiblemente o irreversiblemente. La sustancia en cuya superficie se produce la adsorción se
llama adsorbente, y la sustancia extraída de la mezcla gaseosa o líquida se llama adsorbato.
Las operaciones de adsorción dependen de su reversibilidad para recuperar el adsorbente y de la recuperación
de la sustancia adsorbida, pues el objetivo es la separación de la mezcla, por lo tanto, si la adsorción se va a
utilizar como un proceso de separación, necesariamente estamos hablando de adsorción física, para que el
proceso sea reversible. La adsorción física, o adsorción de Van der Waals resulta de las fuerzas secundarias de
atracción (dipolo−dipolo y dipolos inducidos) entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida, y es
similar en naturaleza a la condensación de moléculas de vapor en un líquido de la misma composición.
El intercambio iónico es un proceso por medio del cual un sólido insoluble remueve iones de cargas positivas
o negativas de una solución electrolítica y transfiere otros iones de carga similar a la solución en una cantidad
equivalente. Este proceso ocurre sin que existan cambios estructurales en el sólido. Si los sólidos intercambian
iones positivos (cationes) se denominan intercambiadores catiónicos e intercambiadores aniónicos si
intercambian iones negativos (aniones). Por ejemplo, la dureza del agua se puede eliminar reemplazando los
iones calcio (Ca++) por iones sodio (Na+) utilizando una resina cambiadora de cationes (zeolita), según la
siguiente reacción de cambio:
Ca++ + zeolita sódica ! 2 Na++ + zeolita cálcica
En el diseño de equipos para operaciones de adsorción o intercambio iónico en forma continua, es necesario
conocer la capacidad adsorbente o de intercambio del sólido a utilizar, y esta no es otra cosa que la cantidad
de soluto que se puede retener por cantidad de sólido. En el caso de la resina intercambiadora de iones la
unidad más utilizada comercialmente es el miliequivalente por gramo de resina ().
En esta experiencia se determina la capacidad dinámica haciendo circular un caudal () de una solución acuosa
con una concentración inicial () de un catión, a través de un lecho conteniendo una masa () de resinas
intercambiadoras de cationes. Se analizará la concentración del efluente () en función del volumen () de
solución tratada. Ver figura 1.
1
Sobre la figura 2 se observa el proceso de intercambio iónico, inicialmente la solución sale de la columna
exenta de soluto, luego comienza una fuga iónica hasta alcanzar un valor máximo permitido (Cu) llamado
punto de quiebre a partir del cual la solución no presenta utilidad práctica y la saturación del lecho de resinas
es inminente, verificándose esta condición cuando la concentración del efluente () se hace constante e igual a
la del afluente ().
El área (), en la figura 2, representa la cantidad de soluto retenido por la masa de resina hasta el momento de
alcanzar una concentración dada () en el efluente. La cantidad útil de la resina (Cur) viene dada por el cociente
entre esta área y la masa () de resina utilizada. Para determinar la capacidad de intercambio total se emplea
toda el área sobre la curva ().
DATOS EXPERIMENTALES REQUERIDOS
• Longitud inicial del lecho de resinas, ()
• Diámetro interno de la columna, ()
• Porosidad del lecho, ()
• Caudal de la solución a tratar, ()
• Tiempo en que se toman las muestras, ()
• Concentración de las muestras, ()
TRABAJO A REALIZAR CON LOS DATOS EXPERIMENTALES
• Construir la curva de apertura
• Interpretar la curva de apertura
• Determinar la capacidad útil de la resina (Cur)
• Determinar la capacidad total de la resina (Ctr)
REFENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Treybal, Robert E. Operaciones de Transferencia de masa. Segunda edición en español.
McGraw−Hill Interamericana, Mexico, 1996.
• Michaels, A.S. Simplified method of interpreting kinetic data in fixed−bed ion exchange. Industrial
and Engineering Chemistry, Vol. 44, No. 8, August 1952, 1922−1930.
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Fig. 1:Flujograma del Equipo
V
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Fig. 2:Curva de Ruptura
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