Adsorción e intercambio iónico

Transferencia de masa. Dinámica de intercambio. Resina intercambiadora de cationes

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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.

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.

    3

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    Fig. 1:Flujograma del Equipo

    V

    A

    Fig. 2:Curva de Ruptura