LABORATORIO DE OPERACIONES DE SEPARACIN, REACCIN Y CONTROLINFORME DE PLANEACION INTERCAMBIO IONICOGrupo ALuz ngela Rincn, Edwin Sanabria, Holman Sanabria, Rubn Sarmiento.Departamento de Ingeniera Qumica, Facultad de IngenieraUniversidad Nacional de Colombia-Sede Bogot D.C.

Presentado a: Andrs Felipe MedinaFecha: 29-04-20141. OBJETIVOSGENERALDeterminacin de la remocin de iones de calcio por la resina lewatit monoplus S110.ESPECIFICOS Obtener un perfil de concentracin a la salida del lecho en funcin del tiempo. Determinar el punto de ruptura. Determinar la dureza total del agua.

2. MARCO TERICO Proceso de intercambio inico [1]:El intercambio inico se puede tomar como una operacin de separacin basada en la transferencia de materia fluido-slido. Implica el transporte de uno o ms iones de la fase fluida al slido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio slido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los slidos suelen ser de tipo polimrico, siendo los ms habituales los basados en resinas sintticas. Una resina de intercambio inico puede considerarse como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rgida grupos inicos libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulacin 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 seleccin del grado de reticulacin puede limitar la movilidad de los iones participantes.Dureza del agua [2]:La dureza del agua es responsable de que el jabn y el detergente sean menos efectivos y contribuye a la formacin de escamas, incrustaciones en tuberas y calderas. Aunque la dureza no se considera un riesgo para la salud es necesario tratarla para mantener dichos estndares de calidad. Las aguas duras pueden incluso acortar la vida til de las telas y tejidos.Los impactos del agua dura se pueden medir en trminos econmicos. El consumo de jabn, por ejemplo, representa una prdida econmica para el usuario de aguas duras, esto debido a que es necesario usar ms jabn para obtener espuma. Cabe denotar que cuando la espuma se forma el agua ha sido ablandada. El precipitado formado por el jabn y los iones responsables de la dureza (el cuajo de jabn) se adhiere con facilidad a tuberas, vertederos, lavaplatos e incluso puede llegar a manchar la ropa, los platos y otros tems. Los precipitados de la dureza del jabn pueden penetrar los poros de la piel, causando que la piel se sienta spera. Aunque en la actualidad se usan jabones y detergentes que no reaccionan al agua dura; sin embargo, la dureza an representa otros problemas como la aparicin de escamas e incrustamiento. El incrustamiento aparece cuando las aguas duras son calentadas y los carbonatos de calcio y el hidrxido de magnesio se precipitan dejando la solucin, formando escamas duras como piedras que obstruyen las tuberas de agua caliente y reducen la eficiencia de calderas, calentadores de agua e intercambiadores de calor. La dureza, especialmente en presencia de sulfatos de magnesio puede terminar en provocar efectos laxantes en los consumidores. Sin embargo existen algunas ventajas en las aguas duras para considerar: ayudan al crecimiento de dientes y huesos, ayudan a reducir la toxicidad debido a xidos de plomo de las tuberas metlicas antiguas, las aguas blandas se sospecha que estn relacionadas con enfermedades cardiovasculares.Las aguas de baja dureza contribuyen a las propiedades corrosivas del agua; la dureza y la alcalinidad suelen aparecer en conjunto esto debido a que los compuestos responsables por un fenmeno usualmente estn relacionados con el otro.ClasificacinMg/L CaCO3

Suave0-75

Moderadamente dura75-100

Dura150-300

Muy duraMs de 300

La dureza del agua es causada por la presencia de ciertos iones metlicos cargados positivamente. Los iones ms comunes de los responsables por la dureza son calcio y magnesio; otros incluyen hierro, estroncio y bario. Si la concentracin de alguno de estos iones en el agua es conocida, la dureza total puede ser calculada. Para hacer dichos clculos, se hace necesario conocer los pesos equivalentes de calcio, magnesio y carbonato de calcio; los pesos equivalentes son:

Calcio (Ca) 20,04

Magnesio (Mg) 12,15

Carbonato de calcio (CaCO3) 50,045

La dureza como ejemplo el in de calcio (en mg/L como CaCO3) para un ion metlico dado se calcula segn la ecuacin:

Dureza total: Para calcular la dureza total, simplemente se adicionan las concentraciones de iones de calcio y magnesio, expresado en trminos de carbonato de calcio, segn la siguiente ecuacin:

A veces una razn de error en las determinaciones experimentales se debe al aporte a la dureza de fuentes diferentes a los carbonatos: cuando la dureza es numricamente mayor a la suma de los carbonatos y bicarbonatos (dureza de cabonatos), se debe tomar consideracin de los iones diferentes. La diferencia excesiva que queda se llama dureza de los no carbonatos:

Alcalinidad: Mide la capacidad para neutralizar la acidez de una muestra de agua. Es una propiedad extensiva de la muestra de agua y puede ser interpretada en trminos de sustancia especfica solo cuando la composicin qumica completa ha sido determinada. La alcalinidad del agua se debe principalmente a los carbonatos, bicarbonatos y contenido de hidrxido y generalmente se denota en trminos de dichos constituyentes.Existen diferentes tipos de dureza: permanente y temporal; para reducir la dureza temporal se puede hervir el agua; las guas duras debido a los no carbonatos no pueden ser reducidas en dureza por medio de la vaporizacin y se dice que dichas aguas tienen una dureza permanente.Tipo de resinas y diferencias [3]:Las resinas de intercambio inico se emplean principalmente en: descalcificacin, desnitracin, desionizacin entre otras. Segn la aplicacin en la que se empleen los diferentes tipos.Resinas catinicas de cido fuerte Intercambian iones positivos (cationes). Se pueden emplear a varios pH. Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionizacin en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente cido clorhdrico (HCl).Resinas catinicas de cido dbil Poseen menor capacidad de intercambio. No sirven a pH bajos. Elevado hinchamiento y contraccin lo que hace aumentar las prdidas de carga o provocar dao mecnico en el soporte de la bureta cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior. Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos cido para su regeneracin, aunque trabajan a unos menores que las de cido fuerte. Se regeneran con cido fuerte.Resinas aninicas de base fuerte Intercambian iones negativos (aniones). Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionizacin en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante (hidrxido de sodio - NaOH).Resinas aninicas de base dbil Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos NaOH para su regeneracin. No se puede utilizar a pH altos. Posee problemas de oxidacin o ensuciamiento.Cuando se desea emplear estas resinas en la desionizacin del agua, podemos reducir la concentracin de iones presentes en ella, proceso que puede llevarse a cabo mediante intercambio inico. En el procedimiento se emplea una resina catinica de intercambio que eliminar los cationes (sodio, calcio, magnesio, etc.) y dos resinas aninicas, una bsica dbil absorber los cidos fuertes y otra bsica fuerte intercambiar los aniones (cloruro, sulfato, bicarbonato etc.).Como la concentracin de iones en el agua determina su capacidad de conducir la electricidad, la efectividad del proceso de ionizacin se determina midiendo los parmetros resistividad o conductividad.Tipos de regenerante [3]:El cloruro de sodio (NaCl) se utiliza normalmente para regenerar resinas cidas de intercambio de cationes en el proceso de ablandamiento, y resinas bsicas de intercambio de cationes utilizados para eliminacin de nitratos.Para ablandamiento, cloruro de potasio (KCl); tambin se puede utilizar cuando la presencia de sodio en la solucin tratada es indeseable.Para la eliminacin de nitrato, para resinas bsicas de intercambio de aniones puede ser regenerado con otros compuestos que proporcionan iones cloruro, tales como el cido clorhdrico (HCl).Para descationizacin (la primera etapa de un proceso de desmineralizacin) resinas cidas de intercambio de cationes deben ser regeneradas con un cido fuerte. Los cidos ms comunes son los cidos clorhdrico y sulfrico.El cido clorhdrico (HCl) es muy eficiente y no causa precipitaciones en el lecho de resina.cido ntrico (HNO3) tambin se puede utilizar, en principio, pero no se recomienda ya que puede causar reacciones exotrmicas; explosiones se han observado en algunos casos, de modo que el uso de cido ntrico se considera peligroso.Para desalcalinizacin, la resina cidas dbiles de intercambio de cationes est mejor regenera con cido clorhdrico (HCl). Cuando se utiliza cido sulfrico, la concentracin debe mantenerse bajo 0,8 % para evitar la precipitacin de sulfato de calcio. Otros cidos ms dbiles, tambin pueden regenerar estas resinas, tales como cido actico (CH3COOH) o cido ctrico, una molcula que contiene grupos de tres COOH: (CH2COOH - C(OH)COOH - CH2COOH = C6H8O7).Resinas siempre se regeneran con hidrxido de sodio (NaOH) en el proceso de desmineralizacin. De hidrxido de potasio (KOH) es, en principio, tambin aplicables, pero por lo general ms costoso.En general, las resinas dbiles de intercambio de cationes se pueden regenerar con un cido que tiene un pKa menor que la de la propia resina. El valor pKa de la mayora de las resinas es de 4,4 a 4,8. El cido actico (pKa 4,8) slo puede regenerar resinas de WAC, y el cido ctrico (pKa 3.1) es eficaz para este propsito, mientras que el cido carbnico (pKa 6.4) no lo es. En la mayora de los casos, sin embargo, HCl o H2SO4, por lo general ms barato, se utilizan.Las concentraciones ms habituales son De NaCl (eliminacin de reblandecimiento y nitrato): 10 % HCl (Descationizacin , desalcalinizacin y desmineralizacin): 5 % De NaOH (Desmineralizacin): 4 %Para las resinas fuertes de intercambio catinico, concentraciones paso a paso son a menudo utilizados: despus de un primer paso a una concentracin baja, un segundo paso se lleva a cabo a una concentracin ms alta una vez que una gran parte de la de calcio en la resina se ha eludido. En raras ocasiones, se utilizan tres pasos. Los pasos a concentraciones ms altas reducen la cantidad de agua de dilucin y aumentan la eficiencia de cido sulfrico.Las resinas son regeneradas con un cido o una sustancia custica como se enunci anteriormente. Para reducir costos de la regeneracin de grandes efluentes de agua desmineralizada se pre trata el agua con una unidad de smosis inversa, que reduce el contenido de sales totales en ms del 98% y reduce as el coste que produce la regeneracin.Resina a utilizar:Las resinas disponibles en el laboratorio de ingeniera qumica son las siguientes: Lewatit Mono plus S110 Lewatit Mono plus MP64 Lewatit Mono plus Catinica k2621 Lewatit Mono plus K2431Sin embargo la resina con mayor aplicacin en el tratamiento de aguas duras corresponde a la referencia Lewatit Monoplus S 110.Proceso de regeneracin:El grupo de trabajo se reunir un da antes para la regeneracin de la resina, dicho proceso consiste en la recirculacin de una solucin de agua desionizada y cido fuerte atreves de un lecho construido con la resina, semejante al montaje descrito para el proceso experimental, dicho proceso dura alrededor de 20 minutos, sin embargo es preferible realizarlo un da antes para asegurar la regeneracin completa y el material est disponible para el horario de trabajo correspondiente a la prctica, la verificacin de la regeneracin de la resina se realizar con el conductmetro.Punto de ruptura [4]:Caracterstica propia de los sistemas de adsorcin que funcionan mediante la interaccin entre un fluido y un lecho, que define el lmite temporal en el cual el lecho proporciona efecto satisfactorio de adsorcin antes de su saturacin.Durante el proceso de adsorcin de un lquido que atraviesa un lecho fijo, la tendencia con que sucede la adsorcin es mayor en la regin en donde el lecho posea menor concentracin del material adsorbido. Conforme el lquido recorre la longitud del lecho, la seccin en donde la se da la mayor intensidad de adsorcin, desciende a medida que la seccin que ya ha retenido algo del material aumenta la concentracin del material a retener. De este modo la regin en donde se tendr la menor concentracin de material adsorbido y por lo tanto en donde se dar con mayor intensidad el fenmeno de adsorcin corresponde al borde inferior del lecho.Sin embargo a medida que el lecho contina adsorbiendo el contenido del fluido que lo atraviesa, la capacidad de adsorcin del lecho disminuir a tal punto que la concentracin de la solucin a la salida, ser igual a la de la entrada.Este fenmeno puede observase en la siguiente grfica:

Figura 1.Variacin de la concentracin a la salida del lecho contra el tiempo. [4]En donde C corresponde a la concentracin de la solucin a la salida del lecho, y C0 Corresponde a la concentracin de la solucin a la entrada.Para evitar este fenmeno se fija un valor en el cual se detiene el proceso ya que la operacin pierde eficiencia, dicho valor se conoce como el punto de ruptura y se asocia generalmente a valores de 0,5.La importancia de su determinacin corresponde a identificar hasta qu punto la operacin del lecho es til para el proceso en que opera.Mtodo analtico para la determinacin de iones [5]:Determinacin del magnesioEn el efluente de agua que se obtenga que contiene in magnesio se trata con una disolucin reguladora (pH 10) de amoniacocloruro amnico y unas gotas de indicador NET (al 0,4 % en alcohol). Se valora con disolucin patrn de EDTA hasta que el color rojo vinoso (del complejo Mg-NET) vira al azul propio de indicador libre en disolucin alcalina.Determinacin del calcioLa muestra que contiene calcio (y no magnesio) se alcaliniza con el tampn, se le aade NET y se valora con disolucin de EDTA a la que se ha aadido una pequea cantidad conocida de in magnesio para crear la accin indicadora. El complejo CaY2 es ms estable que el MgY2, por lo que el Ca2+ reacciona no solamente con el EDTA, sino tambin con la pequea cantidad de MgY2 del reactivo valorante.El Mg2+ forma el complejo indicador rojo, MgNET, que reacciona con el primer exceso de EDTA dejando en estado libre al colorante (azul). El EDTA gastado se corrige en lo que corresponda al Mg2+ que se le aadi, obtenindose la cantidad neta que consume el calcio.La disolucin que contiene la muestra se alcaliniza (pH 12, con hidrxido sdico; se aade como indicador murexida (sal amnica de la purpurina) y se valora con EDTA hasta viraje de anaranjado a violeta. (Las disoluciones de murexida no son estables; el indicador utilizado es una mezcla slida 1:100 de murexida y cloruro sdico). Cantidades moderadas de magnesio y aluminio no interfieren. Tambin puede utilizarse como indicador calcena cido fluoresceiniminodiactico) que vira de verde amarillento a pardo.Dureza (Ca + Mg): en el caso de laboratorio se podra seguir este procedimiento: a 10 mL de la muestra en el tubo de ensayo del estuche se aaden 5 gotas de disolucin reguladora de pH 10 y otras tres gotas de la disolucin de negro de eriocromo T y se homogeniza la mezcla con la varilla de vidrio. Aadir, gota a gota y agitando con la varilla, la disolucin de Na2-EDTA hasta el cambio de color del rojo al azul y anotar el nmero de gotas gastadas. Si la dureza es mayor de 250 mg CaCO3/L repetir la valoracin tomando 5 mL de muestra.Carbonatos y Bicarbonatos: Se tomar una muestra del efluente, un volumen de 100 ml de muestra en un Erlenmeyer limpio. Se aadir a dicha muestra 2 o 3 gotas de solucin indicadora fenolftalena al 1 %. Si la reaccin anterior da coloracin rosa se valorar volumtricamente la muestra con cido sulfrico 0.01N. El punto final de la valoracin coincidir con la desaparicin de la coloracin rosa pasando a incolora, coincidiendo con el valor de pH 8.3 comprobndose el valor de pH. Se tendr en cuenta el volumen gastado. A continuacin se aade a dicha muestra 6 o 7 gotas de solucin indicadora Anaranjado de Metilo al 0.5 %. Se valorar volumtricamente la muestra con cido sulfrico 0.01N. El punto final de la valoracin coincidir con el viraje de coloracin amarilla a naranja, coincidiendo con valores de pH entre 4.3 y 4.7. Se evaluar el volumen gastado y el pH alcanzado en dicha valoracin.

3. METODOLOGA PROPUESTA3.1 Materiales y equipos Desionizador Conductimetro OAKION waterproof serie 300 Agua destilada Resina Lewatit mono plus S110 Cloruro de magnesio cido clorhdrico o sulfrico

3.2 Diagrama de equipoBsicamente, el equipo con el que se trabaja es una bureta cargada con resina de intercambio. El diagrama del montaje a utilizar se muestra a continuacin.1Entrada del alimento5Salida de producto desionizado

2Solucin cloruro de calcio6Frasco de recoleccin

3Resina de intercambio inico7Pinza

4Llave de paso8Soporte universal

87126534

3.3 Diagrama de flujo del procesoEn la prctica hay varios procedimientos que se deben hacer antes de empezar. Destacan entre stos la preparacin de la resina de intercambio, que debe ser activada (regenerada) previo a su uso en la prctica, y la preparacin de agua desionizada, que es similar a la prctica a realizar, y se basa en el mismo concepto.Se decidi realizar intercambio inico de iones de calcio presentes en una solucin patrn, para determinar la capacidad de la resina Lewatit disponible en el laboratorio.

4. MANEJO DE DATOSPara determinar la remocin de iones de calcio por la resina lewatit monoplus S110, se registrara la concentracin del agua a la salida del lecho al medir la conductividad del agua y se graficara en funcin del tiempo, una vez obtenida la grafica se determinara el punto de ruptura de acuerdo al comportamiento de los iones de calcio en el tiempo.Posteriormente se determinara la dureza total del agua teniendo en cuenta que la dureza total es:

Como la dureza del agua se realizara adicionando iones de calcio y magnesio al agua inicial, la dureza total se reduce a:

Teniendo en cuenta que la dureza del ion calcio como CaCO3 para un ion metlico dado se calcula segn la ecuacin:

5. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDADTIEMPO ESTIMADO(MINUTOS)RESPONSABLE

Obtencin de materiales e instrumentos15Edwin Sanabria

Preparacin de la muestra15Holman Sarmiento

Preparacin del montaje10Rubn Sarmiento

Primera prueba intercambio inico30Luz Angela Rincn

Regeneracin de la resina10Edwin Sanabria

Preparacin del montaje10Holman Sarmiento

Segunda prueba intercambio inico30Rubn Sarmiento

Regeneracin de la resina10Luz Angela Rincn

Preparacin del montaje10Edwin Sanabria

Tercera prueba intercambio inico30Holman Sarmiento

Limpieza de instrumentos15Rubn Sarmiento

Entrega de materiales10Luz Angela Rincn

TOTAL190

6. RESULTADOS ESPERADOSEmpleando el equipo de deionizacin del laboratorio de ingeniera qumica se busca la remocin de iones de calcio por la resina lewatit monoplus S110 de agua dura con iones de calcio previamente preparada. De esta manera se espera obtener un perfil de concentracin a la salida del lecho en funcin del tiempo, determinar el punto de ruptura y determinar la dureza total del agua al medir el cambio en la conductividad del agua con el tiempo. 7. PRESUPUESTO ESTIMADO

MaterialCosto

Resina Mono plus S110230 COP

Agua destilada4000 COP/L2

Cloruro de calcio8500 COP/kg

Batera conductimetro 9V13500 COP

8. BIBLIOGRAFIA

[1] Guerra, Struck, Villalobos; ABANDONAMIENTO POR INTERCAMBIO INICO; Universidad iberoamericana de Mxico, 2008.[2] F. Spellman; HANDBOOK OF WATER AND WASTEWATER TREATMENT PLANT OPERATIONS, CRC Press 2003.[3] F. Helfferich; ION EXCHANGE; Dover Publications, 1995.[4] W. McCabe; OPERACIONES UNITARIAS DE LA INGENIERA QUMICA, McGraw Hill, 2004.[5] D. Harris; ANLISIS QUMICO CUANTITATIVO, Freeman, 2010.Bogot, abril 29 de 2014

De: Grupo APara: Andrs MedinaAsunto: Proyecto de intercambio inico

El proyecto se encargar de la remocin de iones de calcio por la resina lewatit monoplus S110. Con el fin de determinar la eficiencia de la resina valorando el cambio de iones en el tiempo.

Cualquier inquietud puede contactar a los responsables del proyecto

______________________________ ______________________________ Rubn Sarmiento Edwin Sanabria Logstica Gerente

______________________________ ______________________________ Holman Sanabria Luz ngela Rincn Seguridad Calidad