Intercambiadores de Iones

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA
ESCUELA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL
ESPECIALIDAD QUÍMICA INDUSTRIAL
INTERCAMBIADORES IÓNICOS:
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE UNA RESINA CATIÓNICA.
− ABASTECIMIENTOS DE AGUAS −
GUIÓN
• INTERCAMBIADORES IÓNICOS. RESINAS CAMBIADORAS.
• SELECTIVIDAD DE INTERCAMBIO.
• ABLANDADOR TÍPICO.
• EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO.
• BIBLIOGRAFÍA.
1. INTERCAMBIADORES IÓNICOS. RESINAS CAMBIADORAS
En la actualidad, y en lo que ocupa al campo del tratamiento de aguas, el ablandamiento químico se ha
desarrollado hasta el punto de aprovechar ciertas reacciones que tienen lugar entre algún componente de
naturaleza iónica disuelto en el agua, y un elemento sólido (eventualmente líquido), que provoca el
intercambio de un ión de componente disuelto y otro del cuerpo sólido.
En química general, conocemos estas reacciones como reacciones iónicas, pero que en la particularidad de
que se producen entre componentes con las características anteriormente descritas pasamos a llamarlas
reacciones de intercambio iónico por lo que respecta al tratamiento de aguas.
Entre las características principales de los cuerpos sólidos que intervienen en estas reacciones, es que su forma
debe ser de esférulas de superficie pulida o esponjosa. En consecuencia, esta forma hace que se produzcan
quimiosorciones de constitución en las que los iones disueltos en el agua, pasan a formar parte del cuerpo
sólido; mientras que los que formaban parte de este cuerpo sólido, pasan a formar parte del agua. El resultado
es que la forma sólida constituye un soporte cambiador.
El nombre que debería darse a estas sustancias debería ser de cambiadoras pero que por razones de similitud
y de carácter de patente, se denominan resinas. Estas resinas estan formadas por unas esférulas plásticas
altamente insolubles y resistentes a la degradación, obtenidas por polimerización de monómeros (iguales o no)
dotados de grupos funcionales ionizables. En particular tenemos las resinas catiónicas de base
poliestireno−divinilbenceno y poliacrilo−divinilbenceno, a los que posteriormente se incorpora el grupo
sulfónico que confiere las propiedades de intercambio catiónico.
En cuanto a la fuerza iónica de las resinas catiónicas está particularmente condicionada por el monómero
base, de modo que si la base es poliestireno se obtienen resinas catiónicas fuertes, y si es poliacrílica
catiónicas débiles.
Por otra parte y dependiendo del grupo funcional, existe una amplia gama de resinas en las que destacan
diferentes cualidades en cuanto a técnicas y operaciones de obtención, a las que hay que añadir otras
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propiedades consecuentes del proceso de fabricación, tales como el grado de reticulación, porosidades,
comportamiento y resistencias químicas que afectan a los diversos usos para las que van a ser utilizadas.
2. SELECTIVIDAD DE INTERCAMBIO
Dado que las resinas, son usadas principalmente para el intercambio iónico, es importante destacar que su uso
industrial radica en la selectividad de dicho intercambio. Esto ha sido así, dada la demanda social en cuanto a
pureza química, que se ha extendido de tal manera que ha llegado a afectar tanto a términos tales como
cantidad y calidad, solicitando a menudo unas condiciones cualitativas mínimas globales en cuanto a un ión
en concreto.
Es aquí donde intervienen las resinas cambiadoras en multitud de aplicaciones, en concreto son muy diversos
los factores que intervienen en una aplicación determinada. Esto transfiere cierta importancia a estos factores
que cualifican la selectividad cambiadora de la resina, dado que el posible exíto o fracaso de la aplicación en
concreto.
Estos factores o variables que intervienen en la capacidad selectiva cambiadora, serán además de puramente
químicas, condicionadas por la estructura molecular de la resina y las diferentes sales que lleva disuelta el
agua, los puramente mecánicos dependientes a su vez de la estructura física de la resina y de variables como la
temperatura, pH, etc, junto a efectos termodinámicos los propios del proceso de fusión−reacción. Así, existen
variables importantes en la selectividad, tales como el hinchamiento de la resina.
Por otra parte, manteniendo constantes las variables anteriores, se puede decir que la selectividad viene
condicionada por la carga eléctrica y el tamaño de los iones. Por ello, se considera que los iones con mayor
carga tienen mayor prioridad en el cambio, aunque existen excepciones.
3. ABLANDADOR TÍPICO
Según lo dicho anteriormente, al tomar una decisión sobre un ablandamiento, es preciso tener en cuenta, el
aspecto económico, sobretodo cuando se trabaja a gran escala. Por ello es conveniente prefijar las necesidades
de calidad.
En todo caso, las condiciones del agua a tratar por un ablandamiento por intercambio iónico son:
• Bajo color y turbidez.
• La dureza no esté asociada con la alcalinidad de los carbonatos.
• La dureza sea variable.
• El equipo sea simple de operar con poco mantenimiento.
• Que no existan problemas de evacuación de fangos.
Entre estas condiciones, es importante señalar la simplicidad del ablandador (ver fig. 1), por el que se haría
pasar el agua por un lecho cambiador en ciclo Na+, de modo que estando inicialmente saturada de Na, se
produce un intercambio con los iones de dureza Ca y Mg, que hace que estos últimos pasen a los grupos
activos de la resina siendo sustituidos por los Na provenientes de ésta.
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Figura 1. Esquema de la instalación de un ablandador por cambio iónico.
Esta operación será posible mientras el par Na y los iones de dureza permitan la transferencia, pues llegado a
un nivel de intercambio, la resina se satura de iones de dureza que hace imposible el ablandamiento del agua.
Es entonces cuando se debe realizar el regeneración de la resina que constituye un lecho cambiador dentro del
equipo. Esta regeneración constituye una serie de operaciones secuenciales, generalmente imprescindibles,
siendo necesarios de determinar y fijar en el tiempo, para cada instalación en concreto.
El regenerante debe resultar altamente económico, y es por ello por lo que se usa sal común, aplicada en
forma de salmuera o disolución de sal común.
4. EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO
La evaluación de la capacidad de intercambio de una resina puede hacerse en el laboratorio, donde se deben
respetar los caudales y el tiempo de paso por la resina, es decir, es indispensable conocer las condiciones de
utilización. Solamente los tiempos de lavado podrán reproducirse en el laboratorio, pero no los caudales que
deberán tomarse a escala de los utilizados en la instalación.
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Figura 2. Dispositivo para evaluar la capacidad de intercambio de una resina.
Un dispositivo típico para calcular la capacidad de intercambio de una resina es el de la figura anterior (fig. 2).
En este dispositivo, una vez preparada la resina haciéndole ocupar una altura en la columna, se pasa a agotar
ésta mediante el paso de una solución de agotamiento compuesta por una disolución de carbonato cálcico en
ácido clorhídrico. Una vez medido el volumen necesario para alcanzar una dureza de 2 mg/l en CaCO3 y
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habiendo calculado la dureza a intervalos de 300 ml, se pasa a la fase de regeneración. En esta fase mediremos
la dureza del efluente proveniente de la solución regeneradora que hacemos pasar por la resina y que se
compone de una disolución de cloruro sódico.
A partir de las medidas anteriores, se puede llegar a calcular fácilmente la capacidad de intercambio de la
resina.
5. BIBLIOGRAFÍA
− GARCÍA GARRIDO, JOSÉ. Agua para la Industria. Servicio de Publicaciones de la UPV.Valencia.
− GARCÍA GARRIDO, JOSÉ. (Guión de Prácticas de Laboratorio de la asignatura Abastecimientos de
Aguas).
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