trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
-
Upload
zoraida-c-araujo-b -
Category
Documents
-
view
229 -
download
0
Transcript of trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 1/137
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍADIVISIÓN DE POSTGRADO
PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA
CINÉTICA DE INTERCAMBIO IÓNICO DE TRAZAS
DE METALES PESADOS BAJO CONTROL DE LAFASE LÍQUIDA
Trabajo Grado presentado ante la Ilustre universidad del Zulia
para optar al Grado Académico de:
MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA QUÍMICA
Presentado por: Ing. Suher C. Yabroudi
Tutor: Prof. Cezar García
Maracaibo, Mayo de 2004
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 2/137
APROBACION
Este jurado aprueba el Trabajo de Grado titulado Cinética deIntercambio Iónico de Trazas de Metales Pesados bajo Control de laFase Líquida, que la Ing. Suher Yabroudi, C.I.: 13.002.225 presentaante el Consejo Técnico de la División de Postgrado de la Facultad deIngeniería en cumplimiento del Articulo 51, Parágrafo 51.6 de la SecciónSegunda del Reglamento de Estudios para Graduados de la Universidaddel Zulia, como requisito para optar al Grado Académico de
MAGÍSTER SCIENTIARUM EN INGENIERÍA QUÍMICA
________________________Coordinador del Jurado
Cezar GarcíaC.I. : 3.461.962
_______________________ __________________
Neyma García Carmen CárdenasC.I. : 3.925.791 C. I. : 4.148.207
________________________Director de la División de Postgrado
Carlos Rincón
Maracaibo, Mayo de 2004
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 3/137
Yabroudi Bayram, Suher Carolina. Cinética de Intercambio Iónico deTrazas de Metales Pesados Bajo Control de la Fase Líquida. Trabajode Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División dePostgrado. Maracaibo, 2004.
RESUMEN
Se estudió la cinética de Intercambio Iónico a nivel de ensayos por cargaentre soluciones acuosas de metales pesados (cadmio y mercurio) sobreresinas sintéticas de base poliestireno, analizando el efecto de lasvariables operacionales: concentración, temperatura, pH y co-ión de losiones intercambiantes sobre la cinética de intercambio. Los datos
cinéticos se ajustaron en función del modelo cinético de intercambioiónico desarrollado a partir de las Ecuaciones de Newman, el cualincluye los mecanismos de difusión y migración iónica para cualquiersistema iónico bajo control de la fase líquida. Los resultadosdemuestran que el modelo diferencial propuesto se aproxima a lacinética experimental en la medida que las variables operacionalesfavorecen el control de la fase líquida: incremento de la temperatura, pHen el rango ácido, co-ión derivado de electrolito fuerte, resinas de menortamaño y concentraciones de los iones cadmio y mercurio en fase
acuosa menores a 10 mg/l.
Palabras Clave: intercambio iónico, migración iónica, metales pesados,variables operacionales.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 4/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 5/137
DEDICATORIA
A mis Padres, Jamal y Fadwa, por todo elamor que me han brindado, por su paciencia
y apoyo en los momentos difíciles. Su
ejemplo y enseñanzas siempre estarán
presentes en mí.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 6/137
AGRADECIMIENTO
A mi Tutor, Prof. Cezar García, quien me ha brindado su apoyo yguía en la realización de esta Investigación. Su orientación y consejos
me han permitido no solo mejorar en el plano profesional sino también
crecer como persona. Gracias por su comprensión y colaboración en los
momentos más difíciles.
A las Profesoras Carmen Cárdenas y Neyma García, desde el inicio
de mis estudios en la Maestría me han apoyado en todo momento. Nosólo me han permitido trabajar y aprender a su lado, también me han
brindado su cariño y apoyo haciéndome sentir en familia. Siempre han
sido un modelo a seguir y creo que las palabras son insuficientes para
agradecerles todo lo que han hecho por mí.
A mis Compañeros y Amigos del Centro de Investigación del Agua,
en especial a Virginia, Yasmeli, Alori, José, Luisa, William yAlberto. La experiencia de trabajar y compartir con ustedes el día a día
ha sido maravillosa. Gracias por su apoyo, amistad y paciencia en todo
momento.
Al Centro de Investigación del Agua de la Universidad del Zulia,
donde he dado mis primeros pasos en la investigación, sólo espero y
deseo poder continuar con esta labor en conjunto con todos susprofesionales e investigadores en busca del fortalecimiento y
reconocimiento de la labor científica que llevamos a cabo en pro de
nuestra Universidad.
A la Escuela de Ingeniería Química y al Departamento de
Ingeniería Química Básica, por todo el apoyo brindado en la
realización de mis estudios de Maestría.
A los Profesores Arelis Arr ieta y Jorge Alaña, por introducirme en elmanejo, uso y comprensión de los procesos de simulación de modelosmatemáticos
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 7/137
TABLA DE CONTENIDO
Página
RESUMEN……………………………………………………………………….. iiiABSTRACT…………………………………………………………………….... ivDEDICATORIA………………………………………………………………….. vAGRADECIMIENTO………………………………………………………….... vi TABLA DE CONTENIDO……………………………………………………... viiLISTA DE TABLAS………………………………………………………….…. x
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………... xxINTRODUCCIÓN……………………………………………………..………... 1CAPÍTULOI REVISIÓN TEÓRICA……….………………………………………....... 3
Contaminación por Metales…………………………………..…… 3Contaminación en Trazas……………………………………..……
Consideraciones Generales…………………………………..….Contaminantes Inorgánicos en Trazas……………………..…
Cadmio………………………………………………………………....
Antecedentes………………………………………………………..Características Físico-Químicas y química Ambiental…....Fuentes Ambientales……………………………………………..
Agua………………………………………………………………..Suelo……………………………………………………………….
Ciclo del Cadmio en el Ambiente……………………………....Sedimentos……………………………………………………….
Fuentes Industriales……………………………………………...Usos del Cadmio…………………………………………………...
Electrodeposición……………………………………………….Pintura…………………………………………………………….Plástico…………………………………………………………....
Toxicocinética……………………………………………………....Absorción………………………………………………………....Distribución y Depósito………………………………………..
Interacción con otros agentes…………………………………..Efectos Adversos…………………………………………………..
Estudios en Animales………………………………………….
Poblaciones en Riesgo…………………………………………....Límites Permisibles………………………………………………..Mercurio………………………………………………………………..
Antecedentes………………………………………………………..Características Físico-químicas y Química Ambiental…...Ciclo Natural del MercurioFuentes Ambientales……………………………………………..Usos del Mercurio………………………………………………....
Toxicocinética……………………………………………………....
66910
101113131414161718
181819191921212225
262627272828313335
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 8/137
Absorción………………………………………………………....Distribución y Depósito………………………………………..Excreción……………………………………………………..…..
Efectos Adversos……………………………………………….….
Vapores de Mercurio…………………………………..……….Mercurio Inorgánico……………………………………..……..Mercurio Orgánico………………………………………..…….
Límites Permisibles…………………………………………..……Estudio de Caso……………………………………………….…..
Intercambio Iónico………………………………………………..….Resumen Histórico…………………………………………….….Intercambio Iónico. Definición……………………………….... Tipos de Intercambiadores Iónicos…………………………....
Intercambiador Iónico Natural……………………………....Intercambiador Inorgánico Sintético…………………….....Intercambiador Orgánico Sintético………………………....
Según su Estructura de Red……………………………....Según su Grupo Funcional………………………………...
Características del Intercambio Iónico…………………….....Propiedades de las Resinas de Intercambio Iónico………...
Hinchamiento…………………………………………………....Capacidad………………………………………………………...
Magnitud del Intercambio Iónico……………………………...Naturaleza de los Iones……………………………………….. Tamaño del Ión Hidratado…………………………………....Carácter de la Resina de Intercambio Iónico……………..Grado de Entrecruzamiento………………………………….Composición de la Solución…………………………………..
Reglas de Selectividad…………………………………………....Métodos para determinar Equilibrio…………………………..
Método por Carga………………………………………………..
Método Progresivo de Carga…………………………………..Método de Columna por Ruptura…………………………….Etapas del Método de Columna por Ruptura………….Modos de Operación del Método en Columna………....
Método de Glueckauf…………………………………………..Método Continuo de un Tanque Reactor Agitado………..
Aplicaciones del Intercambio Iónico………………………….. Transformación de Constituyentes Iónicos……………….Fraccionamiento de Electrolitos……………………………..
Concentración de Constituyentes Iónicos………………...Remoción de Sustancias Iónicas………………………….... Tratamiento de Aguas………………………………………....
Velocidad de Intercambio Iónico……………………………….Predicción y Deducción del Equilibrio Iónico……………….Mecanismos de Transporte de Masa………………………….Modelos Cinéticos de Intercambio Iónico…………………....Reacción de Intercambio Iónico………………………………..Extracción y Desorción de Metales Pesados………………...
35353636
373839404042424647
475051535456565657
575757585858586161
626263656666676767
67686979808490100102
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 9/137
Generalidades y Aplicaciones de Ditiocarbamatos.........Preconcentración de Trazas de Elementos…………………..Medición de Trazas de Cadmio………………………….……..
Espectroscopia de Absorción Atómica con Llama….……
Espectroscopia de Absorción Atómica con Horno deGrafito…………………………………………………………..………Métodos Electroanalíticos……………………………..………
Mecanismos de Adsorción, Desorción y MediciónSimulación de un Modelo Efectivo de transferencia deMasa para Sistema Iónicos………………………………..……….
Formulación del Modelo…………………………………..……..
102105107107
107108110
112112
II METODOLOGÍA EXPERIMENTAL…………………..………………..Materiales y Equipos............................................................
Equipos.............................................................................Reactivos y Materiales.......................................................Métodos Experimentales.......................................................
Preparación de Soluciones.................................................Soluciones patrones de ión cadmio (Cd+2).......................Soluciones patrones alternativas de cadmio (Cd+2)..........Soluciones patrones de ion mercurio (Hg+2).....................Soluciones patrones de ión metil mercúrico (CH3Hg+2)....Soluciones patrones alternativas de ión mercúrico
(Hg+2
)........................................................................................Soluciones patrones alternativas de metil mercurio(CH3Hg+)..................................................................................
Solución buffer de acetato de cadmio 1 M.......................Solución buffer de amonio 1 M.......................................Solución despojadora de ácido nítrico (HNO3) 2.5 M........Solución despojadora de ácido acético (CH3COOH) 2 M...Solución despojadora de etilendiaminotetracetarto de
sodio (EDTA) 0.05 M................................................................
Solución de cloruro de magnesio 1 M..............................Solución reductora de cloruro estannoso (SnCl2*2H2O)10% p/v..................................................................................
Solución reductora de cloruro estannoso (SnCl2*2H2O)10% p/v-cloruro de cadmio (CdCl2*2H2O) 1% p/v....................
Optimización de la medición de mercurio por absorciónatómica sin llama utilizando la técnica de vapor frío................
Preconcentración de cadmio por intercambio iónico ymedición Espectrofotométrica..................................................
Materiales de Intercambio Catiónico..................................Proceso de tamizado de las resinas....................................Depuración y activación de las resinas...............................Determinación de la capacidad de la resina........................Determinación de la densidad absoluta de las resinas........Operación de intercambio iónico de las resinas y la especie
cadmio Cd++, empleando el Método por carga............................Proceso de desorción de ión cadmio II en una operación
por carga..................................................................................
118118
118119120120120120121121
121
122122122122123
123
123
123
123
123
130
130130131132132
133
137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 10/137
Preconcentración de mercurio (orgánico e inorgánico) porintercambio iónico....................................................................
Proceso de tamizado de las resinas.....................................Depuración y activación de la resinas.................................
Operación de intercambio iónico de la resina SumichelateQ-10R......................................................................................Proceso de desorción con solución acuosa de tiourea..........Evaluación del contenido mercúrico...................................
Modelo Cinético.....................................................................
138138139
139140142142
III RESULTADOS Y DISCUSIÓN........………………………….………..Efecto de la Temperatura.......................................................Efecto de la Concentración del Ión en la Solución……………..Efecto de las Sales de Cadmio...............................................
Efecto del pH.........................................................................Modelo Cinético de Intercambio Iónico...................................Difusividades………………………………………………………….
145145160168
184191192
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES......................................REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………….
198201
APÉNDICES.................................................................................... 209A DATOS EXPERIMENTALES……….…………………………….…….. 209B VALORES CALCULADOS A TRAVÉS DEL MODELO DE
DIFUSIÓN................................................................................ 224
C CALCULOS TIPO...................................................................... 243D PROGRAMA PARA EL MODELO DE DIFUSIÓN......................... 248
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 11/137
LISTA DE TABLAS
Tabla Página
1Sustancias químicas inorgánicas en trazas reguladas por losestándares para el agua potable de la Agencia de ProtecciónAmbiental de los Estados Unidos.......…………………………………. 10
2Concentración de Cadmio en tejido pulmonar en diversaspoblaciones ……………………….................................................... 21
3 Efectos de la inhalación de aerosoles con cadmio………………...... 234 Algunos efectos de la exposición crónica a cadmio………...…....... 25
5Concentración media de mercurio en las aguascontinentales…………................................................................... 32
6Actividades industriales que utilizan o producen mercurio yderivados …………………………………........................................... 34
7Mercurio incorporado al suelo a partir de algunos funguicidas deuso común................................................................................... 35
8 Efectos agudos de la inhalación de vapores de mercurio……........ 37
9Intoxicación aguda con vapores de mercurio. Efectos en elsistema nervioso central…...................……………………………….. 37
10Efectos de la intoxicación crónica con vapores de mercurio sobreel sistema nervioso central…….............................................….. 38
11 Síntomas de la intoxicación aguda por sales de mercurio............. 3912 Síntomas de la intoxicación crónica metilmercurio....................... 3913 Identificación de las Resinas........................................................ 131
14Propiedades de las resinas A-1, A-2, DW-1, DW-2, ASB2, Ch-100, IRC...................................................................................... 133
15Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina A-1................................................................................... 192
16Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina A-1 (Efecto de la Temperatura)......................................... 192
17Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina A-2................................................................................... 192
18Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina A-2 (Efecto de la Temperatura)......................................... 193
19Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina DW-1................................................................................ 193
20Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina DW-1 (Efecto de la Temperatura)...................................... 193
21Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina DW-2................................................................................ 193
22Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina DW-2 (Efecto de la Temperatura)...................................... 193
23Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina CH-100 194
24 Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y la
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 12/137
Resina CH-100 (Efecto de la Temperatura)................................... 194
25Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y laResina IRC................................................................................... 194
26Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema Cd++ y la
Resina IRC................................................................................... 19427 Coeficientes de Difusividad para las Sales de Cadmio................... 194
28Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema MercurioInorgánico (Hg+2) y la Resina Sumichelate Q-10R......................... 195
29Coeficientes de Transferencia de Masa para el Sistema MercurioOrgánico (CH3Hg+) y la Resina Sumichelate Q-10R....................... 195
30Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el SistemaCd++ y las Resina Estudiadas (Efecto de la Temperatura).............. 196
31Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el Sistema
Cd++
y las Resina Estudiadas (Efecto de la Concentración)........... 19632
Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el SistemaCd++ y las Resina Estudiadas (Efecto de las Sales de Cadmio)…… 196
33Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el SistemaCd++ y las Resina Estudiadas (Efecto de las Sales de Cadmio)…… 197
34Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el SistemaCd++ y las Resina Estudiadas (Efecto del pH)................................ 197
35Coeficientes Globales de Transferencia de Masa para el SistemaMercurio (Orgánico e Inorgánico) y la Resina Sumichelate Q-10R
(Efecto del pH)............................................................................. 197APÉNDICES
A1Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 209
A2Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 209
A3Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 209
A4Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2
(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 210A5
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 210
A6Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 210
A7Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 211
A8Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 211
A9 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina DW-1(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 211
A10Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 212
A11Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 212
A12Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 212
A13 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 13/137
(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 213
A14Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 213
A15Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1
(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 213A16
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 214
A17Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 214
A18Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 214
A19Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++)........................... 215
A20 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina A-2(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++)........................... 215
A21Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++)........................... 215
A22Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++)........................... 216
A23Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++)........................... 216
A24Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC
(Efecto de la Concentración Inicial del Ión Cd++
)........................... 216A25
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 217
A26Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 217
A27Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 217
A28Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 218
A29 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina Ch-100(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 218
A30Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 218
A31Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina ASB2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 219
A32Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 219
A33Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-2
(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 219A34
Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 220
A35Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 220
A36Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 221
A37Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 221
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 14/137
A38Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 221
A39Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 222
A40 Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++
y la Resina Ch-100(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 222
A41Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 222
A42Cinética de Adsorción para el Sistema Mercurio Inorgánico(Hg+2) y la Resina Sumichelate Q-10R (Efecto del pH)……………… 223
A43Cinética de Adsorción para el Sistema Mercurio Orgánico(CH3Hg+) y la Resina Sumichelate Q-10R (Efecto delpH)……………………………………………………………………………………… 223
B1 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina A-1(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 224
B2Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 224
B3Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 224
B4Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 225
B5Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100
(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 225B6
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)........................................ 225
B7Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 226
B8Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 226
B9Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 226
B10 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina DW-2(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 227
B11Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 227
B12Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l)...................................... 227
B13Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 228
B14Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2
(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 228B15
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 228
B16Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 229
B17Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 229
B18Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l)...................................... 229
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 15/137
B19Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto de la Concentración)......................................................... 230
B20Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de la Concentración)......................................................... 230
B21 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina DW-1(Efecto de la Concentración)......................................................... 231
B22Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de la Concentración)......................................................... 231
B23Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de la Concentración)......................................................... 232
B24Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto de la Concentración)......................................................... 232
B25Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-1
(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 233B26
Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 233
B27Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 233
B28Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 234
B29Cinética de Intercambio para el sistema Cd++ y la Resina Ch-100(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 234
B30 Cinética de Intercambio para el sistema Cd++
y la Resina IRC(Efecto de las Sales de Cadmio)………………………………………….. 234
B31Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina ASB2(Cloruro de Cadmio)………………………………………………………... 235
B32Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina ASB2(Sulfato de Cadmio)……………………………………….………………... 235
B33Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina ASB2(Acetato de Cadmio)………………………………………………………... 235
B34Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1
(Cloruro de Cadmio)………………………………………………………... 236B35
Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1(Sulfato de Cadmio)……………………………………….………………... 236
B36Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1(Acetato de Cadmio)………………………………………………………... 236
B37Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-2(Cloruro de Cadmio)………………………………………………………... 237
B38Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-2(Sulfato de Cadmio)……………………………………….………………... 237
B39 Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++
y la Resina A-2(Acetato de Cadmio)………………………………………………………... 237
B40Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Cloruro de Cadmio)………………………………………………………... 238
B41Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Sulfato de Cadmio)……………………………………….………………... 238
B42Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Acetato de Cadmio)………………………………………………………... 238
B43 Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 16/137
(Cloruro de Cadmio)………………………………………………………... 239
B44Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2(Sulfato de Cadmio)……………………………………….………………... 239
B45Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2
(Acetato de Cadmio)………………………………………………………... 239B46
Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-1(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 240
B47Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina A-2(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 240
B48Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-1(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 240
B49Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina DW-2(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 241
B50 Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++
y la Resina Ch-100(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 241
B51Cinética de Intercambio para el Sistema Cd++ y la Resina IRC(Efecto del pH)……………………………………………………………….. 241
B52Cinética de Adsorción para el Sistema Mercurio Inorgánico(Hg+2) y la Resina Sumichelate Q-10R (Efecto del pH)……………… 242
B53Cinética de Adsorción para el Sistema Mercurio Orgánico(CH3Hg+) y la Resina Sumichelate Q-10R (Efecto delpH)……………………………………………………………………………………… 242
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 17/137
LISTA DE FIGURAS
Figura Página1 Posibles mecanismos de daño oxidativo del DNA producido por
metales……………………………………………………………………….... 72 Representación Esquemática del Ciclo Natural del Mercurio…….. 303 Síntesis del copolímero estireno-divinilbenceno……………………… 464 Intercambio Iónico en Columna………………………………………….. 465 Estructura del chitosan……………………………………………………. 496 Policondensación entre fenol y formaldehído…………………………. 517 Polimerización entre el divinilbenceno y el ácido metacrílico……… 52
8 Resina Anfotérica cuyo grupo funcional es el ácido iminodiacético 559 Planta de tratamiento por intercambio iónico para la
desmineralización de agua………………………………………………… 6810 Planta de tratamiento por intercambio iónico para la
desnitrificación de agua……………………………………………………. 7111 Esquema de un proceso de desionización de agua………………….. 7212 Columnas de intercambio iónico en la Planta de Concentración
de Uranio, Los Gigantes, Córdoba………………………………………. 7313 Fases del Proceso de Intercambio Iónico………………………………. 80
14 Representación de la reacción de intercambio iónico………………. 10115 Proceso de difusión en el proceso de intercambio iónico…………… 10116 Sistema generador de vapor de mercurio-A (SGVM-A)……………… 12617 Sistema generador de vapor de mercurio-B (SGVM-B)……………... 12918 Evaporador Rotatorio Heidolph Utilizado como Agitador…………... 13419 Efecto de la Temperatura y la Resina A-1 (Co = 2 mg/l)…………... 14520 Efecto de la Temperatura y la Resina A-2 (Co = 2 mg/l)…………… 14621 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-1(Co = 2 mg/l)……….… 14622 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-2 (Co = 2 mg/l).……….. 146
23 Efecto de la Temperatura y la Resina Ch-100 (Co = 2 mg/l).……... 14624 Efecto de la Temperatura y la Resina IRC (Co = 2 mg/l)…………... 14725 Efecto de la Temperatura y la Resina A-1 (Co = 10 mg/l)…………. 14726 Efecto de la Temperatura y la Resina A-2 (Co = 10 mg/l)…………. 14727 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-1 (Co = 10 mg/l).……… 14828 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-2 (Co = 10 mg/l).……… 14829 Efecto de la Temperatura y la Resina Ch-100 (Co = 10 mg/l)..…… 14830 Efecto de la Temperatura y la Resina IRC (Co = 10 mg/l).………… 14831 Efecto de la Temperatura y la Resina A-1 (Co = 20 mg/l)…………. 149
32 Efecto de la Temperatura y la Resina A-2 (Co = 20 mg/l)…………. 14933 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-1 (Co = 20 mg/l).……… 14934 Efecto de la Temperatura y la Resina DW-2 (Co = 20 mg/l).……… 14935 Efecto de la Temperatura y la Resina Ch-100 (Co = 20 mg/l).……. 15036 Efecto de la Temperatura y la Resina IRC (Co = 20 mg/l).………… 150
37Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 151
38Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 151
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 18/137
39Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 152
40Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 152
41 Comportamiento de la Resina IRC con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 153
42Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 2 mg/l)……………………………….. 153
43Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 154
44Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 154
45Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión
(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 15546
Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 155
47Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 156
48Comportamiento de la Resina IRC con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 10 mg/l).……………………………… 156
49Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 157
50 Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 157
51Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 158
52Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 158
53Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 159
54Comportamiento de la Resina IRC con el Modelo de Difusión
(Efecto de la Temperatura Co = 20 mg/l).……………………………… 15955 Efecto de la Concentración (Resina A-1)……………………………….. 16156 Efecto de la Concentración (Resina A-2)……………………………….. 16157 Efecto de la Concentración (Resina DW-1)……………………………. 16258 Efecto de la Concentración (Resina DW-2)……………………………. 16259 Efecto de la Concentración (Resina Ch-100)………………………….. 16360 Efecto de la Concentración (Resina IRC)………………………………. 163
61Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión-Variación de la Concentración (T = 25ºC)…………………………….. 164
62 Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión-Variación de la Concentración (T = 25ºC)……………….…………….. 165
63Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión-Variación de la Concentración (T = 25ºC)……………….…………….. 165
64Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión-Variación de la Concentración (T = 25ºC)……………….…………….. 166
65Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión-Variación de la Concentración (T = 25ºC)……………….…………….. 166
66 Comportamiento de la Resina IRC con el Modelo de Difusión-
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 19/137
Variación de la Concentración (T = 25ºC)……………….…………….. 167
67Efecto de las Sales de cadmio para las diferentes Resinas (q EXP vs Tiempo) Co = 2 mg/l y T = 25ºC)………………………………………… 169
68Efecto de las Sales de cadmio para las diferentes resinas (C vs T)
Co = 2 mg/l y T = 25ºC…………………………………………………….. 17069
Cinética de Intercambio Iónico Cloruro de Cadmio-Resinas enestudio (C vs T)…………………………………………………………….... 171
70Cinética de Intercambio Iónico Cloruro de Cadmio-Resinas enestudio (q EXP vs T) …………………………………………………………... 171
71Cinética de Intercambio Iónico Sulfato de Cadmio-Resinas enestudio (C vs T)…………………………………………………………….... 172
72Cinética de Intercambio Iónico Sulfato de Cadmio-Resinas enestudio (q EXP vs T) …………………………………………………………... 172
73 Cinética de Intercambio Iónico Acetato de Cadmio-Resinas enestudio (C vs T)…………………………………………………………….... 173
74Cinética de Intercambio Iónico Acetato de Cadmio-Resinas enestudio (q EXP vs T) …………………………………………………………... 173
75Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión-Efecto de las sales de Cadmio……………………………………………. 174
76Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión-Efecto de las sales de Cadmio……………………………………………. 175
77Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión-
Efecto de las sales de Cadmio……………………………………………. 17578
Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión-Efecto de las sales de Cadmio……………………………………………. 176
79Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión-Efecto de las sales de Cadmio……………………………………………. 176
80Comportamiento de la Resina ASB2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Cloruro de Cadmio)………….. 177
81Comportamiento de la Resina ASB2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Sulfato de Cadmio)…………… 177
82 Comportamiento de la Resina ASB2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Acetato de Cadmio)………….. 178
83Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Cloruro de Cadmio)………….. 178
84Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Sulfato de Cadmio)………….. 179
85Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Acetato de Cadmio)………….. 179
86Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión
(Para diferentes concentraciones de Cloruro de Cadmio)………….. 18087
Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Sulfato de Cadmio)…………... 180
88Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Acetato de Cadmio)………….. 181
89Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Cloruro de Cadmio)………….. 181
90Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Sulfato de Cadmio)…………... 182
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 20/137
91Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Acetato de Cadmio)………….. 182
92Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Cloruro de Cadmio)………….. 183
93 Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Sulfato de Cadmio)…………... 183
94Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión(Para diferentes concentraciones de Acetato de Cadmio)………….. 184
95Efecto del pH y la Resina A-1 (Concentración Inicial = 2 mg/l y T= 25ºC)…………………………………………………………………………. 185
96Efecto del pH y la Resina A-2 (Concentración Inicial = 2 mg/l y T= 25ºC)……………………………………………………………………………..…. 185
97Efecto del pH y la Resina DW-1 (Concentración Inicial = 2 mg/l y
T = 25ºC)……………………………………………………………………………... 18598
Efecto del pH y la Resina DW-2 (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)……………………………………………………………………………... 185
99Efecto del pH y la Resina Ch-100 (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)…………………………………………………………………………… 186
100Efecto del pH y la Resina IRC (Concentración Inicial = 2 mg/l y T= 25ºC)………………………………………………………………………………… 186
101Cinética de Intercambio Iónico del Mercurio Inorgánico (Hg+2) y laResina Sumichelate Q-10R……………………………………………….. 186
102 Cinética de Intercambio Iónico del Mercurio Orgánico (CH3Hg+
) yla Resina Sumichelate Q-10R…………………………………………….. 186
103Comportamiento de la Resina A-1 con el Modelo de Difusión-Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 187
104Comportamiento de la Resina A-2 con el Modelo de Difusión-Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 188
105Comportamiento de la Resina DW-1 con el Modelo de Difusión-Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 188
106Comportamiento de la Resina DW-2 con el Modelo de Difusión-
Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 189107
Comportamiento de la Resina Ch-100 con el Modelo de Difusión-Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 189
108Comportamiento de la Resina IRC con el Modelo de Difusión-Efecto del pH (Concentración Inicial = 2 mg/l y T = 25ºC)………… 190
109Comportamiento de la Resina Sumichelate Q-10R con el Modelode Difusión-Efecto del pH (T = 25ºC)……………………………………. 190
110Comportamiento de la Resina Sumichelate Q-10R con el Modelode Difusión-Efecto del pH (T = 25ºC)……………………………………. 191
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 21/137
Introducción
1
INTRODUCCIÓN
El Intercambio Iónico es un proceso en el cual los iones retenidos
por fuerzas electrostáticas o grupos funcionales sobre la superficie deun sólido, se intercambian por iones de carga similar contenidos en una
solución en la cual está inmerso el sólido. También, podría definirse
como un proceso de separación basado en la preferencia del
intercambiador por determinado ion presente en la fase líquida. La
práctica sobre la utilización de intercambio iónico como proceso de
separación en sus diferentes modos de contacto (Batch, Lecho Fijo,
Lecho Fluidizado o Lecho Móvil) ha tenido mayor desarrollo que las
teorías sobre equilibrio, cinética y diseño de unidades de transferencia
de intercambio.
Las aplicaciones de intercambio iónico están relacionadas con la
Ingeniería Ambiental como tratamiento terciario. Sin embargo cada día
se amplia su utilización para la separación, concentración y
purificación de mezclas líquidas acuosas u orgánicas en las diferentes
industrias petroquímica, metalúrgica, farmacéutica, entre otras.
En la última década, se ha incrementado el interés por investigar la
calidad de los cuerpos de agua a nivel mundial, debido principalmente a
su utilización inadecuada como depósito final de residuos líquidos y
sólidos provenientes de actividades industriales agrícolas y domésticas,
las cuales llevan gran cantidad de sustancias tóxicas incluyendo
metales pesados. Los metales pesados a diferencia de otros agentes
causan problemas, pues tienen la capacidad de acumularse en los
organismos: humanos, animales, vegetales, cuerpos de agua, etc.,
además de no ser biodegradables. Los investigadores ambientalistas
han visto la necesidad de desarrollar nuevas metodologías mediante las
cuales sea posible diferenciar y determinar las formas químicas de
metales pesados (especialmente metales pesados tóxicos, tales como el
cadmio y el mercurio) en cuerpos de agua para niveles extremadamente
diluidos, en el orden de trazas (concentraciones de 10-9 g/l). Sin
embargo, cuando la concentración es muy baja resulta prácticamente
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 22/137
Introducción
2
imposible su determinación. Entre las diferentes técnicas de
preconcentración, el empleo de resinas de intercambio iónico,
representa una buena alternativa, constituyen un método simple y
rápido de usar, permitiendo manejar volúmenes grandes de muestra y
alcanzar altas concentraciones. Además, la muestra no es contaminada
con impurezas de otros metales y/o reactivos orgánicos. El uso de
resinas con preferencia por determinado ión hace posible la
preconcentración de ese ión en la resina para un volumen o caudal de
agua acumulado, el cual es despojado posteriormente usando
soluciones desorbedoras y analizado por espectrofotometría de
absorción atómica con horno de grafito u otra técnica comprobada. Para
el diseño de unidades de intercambio se requiere del conocimiento
detallado de datos de equilibrio, cinética y coeficiente de interdifusión
que permitan calcular los coeficientes de transferencia de masa, tanto
de la fase líquida como de la sólida.
El objetivo de esta investigación es estudiar la cinética de
Intercambio Iónico de trazas de metales bajo control de la fase líquida,
analizando a nivel de ensayos por carga en serie, las variables
operacionales de concentración, temperatura, pH y co-ión de los iones
intercambiantes para el intercambio iónico entre soluciones acuosas de
metales pesados (cadmio y mercurio) y resinas sintéticas. Para ello se
desarrolló a partir de las Ecuaciones de Newman un modelo cinético
que incluye los mecanismos de transferencia de difusión y migración
para cualquier sistema iónico bajo control de la fase líquida. Este
modelo permite simular la cinética experimental de los sistemas y los
efectos de las variables operacionales.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 23/137
Revisión Teórica
3
CAPITULO I
REVISIÓN TEÓRICA
1. CONTAMINACIÓN POR METALES
Los metales son contaminantes ubicuos que han acompañado al
hombre desde la más remota antigüedad. Los envenenamientos por
arsénico, plomo y mercurio poseen un carácter legendario [1].
Ya en la antigua Roma se había encontrado que algunas
enfermedades estaban relacionadas con los metales pesados. Se
atribuía a las ollas, cañerías y fundiciones de plomo la pérdida de
inteligencia entre los niños, y las lesiones cerebrales y el
comportamiento anormal entre los adultos [2]. Los metales pesados
liberados actualmente en el medio ambiente provienen de emisiones no
controladas por las fundiciones de metal y otras actividades
industriales, la evacuación peligrosa de desechos industriales, el plomo
de las cañerías de agua, las pinturas y la gasolina. Los metales pesados
más peligrosos para la salud son el plomo, mercurio, cadmio, arsénico,
cobre, zinc y cromo. Estos metales se encuentran naturalmente en el
suelo en cantidades mínimas, que presentan pocos problemas. Pero
cuando están concentrados en ciertas áreas, constituyen un serio
peligro. El arsénico y el cadmio, por ejemplo, pueden causar cáncer. El
mercurio puede causar mutaciones y daños genéticos, mientras que el
cobre, el plomo y el mercurio pueden ocasionar lesiones cerebrales y
óseas [3]. Los aditivos de plomo en la gasolina causan extensos
problemas de salud en algunos países. En Tailandia,
por ejemplo, se encontró en un estudio realizado en
1990 que unos 70.000 niños de Bangkok corrían
riesgo de perder cuatro o más puntos del CI (cociente
intelectual basado en pruebas estandarizadas) en
virtud de estar expuestos a las emisiones de plomo de
los vehículos automotores. En América Latina unos 15 millones de
niños menores de dos años están en riesgo de tener mala salud a causa
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 24/137
Revisión Teórica
4
de la contaminación por plomo [4]. En los Estados Unidos la gasolina
con plomo comenzó a eliminarse gradualmente después de aprobarse la
Ley del Aire Limpio en 1970. Pero sólo a mediados de los años ochenta
la Comunidad Europea hizo lo mismo. En el resto del mundo la gasolina
con plomo se sigue usando ampliamente [2, 3]. Los metales están
sujetos de forma natural a ciclos biogeoquímicos que determinan su
presencia y concentración en los compartimientos ambientales: suelos,
aguas subterráneas y superficiales, aire y seres vivos. La intervención
humana puede modificar considerablemente la concentración de
metales en estos compartimientos y facilitar su distribución a partir de
las reservas minerales en las que los metales se encuentran
naturalmente confinados [1, 3]. Los metales pesados son elementos
químicos inorgánicos (Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Pb) que tienen características
físicas y químicas diferentes a los demás metales. Algunos de ellos son
fisiológicamente importantes, como elementos trazas, sin embargo son
capaces de ejercer una acción tóxica a determinadas concentraciones.
El papel que el hombre desempeña en la presencia ambiental de
metales es, por una parte, introducir en el medio ambiente estos
elementos como consecuencia de distintas actividades humanas y, por
otra, alterar la forma química o bioquímica en que se encuentran [1, 4].
Desde el punto de vista toxicológico, los metales suelen presentar
una acusada multiplicidad de efectos tóxicos. La especie química
concreta del metal influye poderosamente en sus efectos tóxicos, así
como en las variables toxicocinéticas de absorción, distribución y
excreción. La trascendencia toxicológica de los metales es enorme,
teniendo en cuenta su ubicuidad, la extensión de sus usos industriales
y domésticos y su persistencia medioambiental, resultado directo de su
condición de elementos químicos. Esta persistencia, sin embargo, tiene
que valorarse a la luz de las características del compuesto químico del
que el metal forme parte, que determinan su movilidad ambiental y su
biodisponibilidad [1].
Los sistemas acuáticos son muy susceptibles a la contaminación por
estos metales, ya que le ocasionan daños irreparables y no reversibles
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 25/137
Revisión Teórica
5
en todo el ecosistema. La mayor parte de los metales que llegan a los
ambientes acuáticos bajo condiciones físico-químicas normales son
absorbidos rápidamente sobre partículas y depositados en los
sedimentos, sin embargo, no permanecen necesariamente en esta
condición si no que pueden ser liberados como resultado de los cambios
químicos que ocurren en el ambiente acuático. Algunos procesos de
asociación de metales pesados a sustancias sólidas en los sistemas
acuáticos son adsorción en partículas, coprecipitación de hidróxido de
hierro y manganeso, acomplejamiento por moléculas orgánicas e
incorporación en minerales.
Estos metales tienen gran afinidad por las sustancias orgánicas y
sus productos de descomposición, los cuales influyen sobre su
distribución en el ambiente acuático de la siguiente forma:
1.- Acomplejar metales e incrementar su solubilidad en el agua.
2.- Alterar la distribución entre la forma oxidada y reducida del metal.
3.- Disminuir la toxicidad del metal y alterar su disponibilidad para los
organismos acuáticos.
4.- Influir en la capacidad del metal en adsorberse sobre materia
resuspendida.
5.- Afectar la estabilidad del coloide que contienen metales.
Los metales incorporados a los sedimentos no permanecen
indefinidamente en los mismos, sino que pueden ser removidos a través
de los siguientes cambios químicos:
1.- Concentración elevada de sales por lo cual cationes alcalinos y
alcalinotérreos pueden competir con los iones metálicos y ser
adsorbidos por partículas sólidas.
2.- Cambio en las condiciones redox, una disminución de la
concentración de oxígeno, disuelve los hidróxidos de hierro y
manganeso parcial o totalmente, por lo que son liberados de los
sedimentos.
3.- Disminución del pH, produce disolución de carbonatos o hidróxidos,
incrementándose la deserción de cationes metálicos.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 26/137
Revisión Teórica
6
4.- Formación de complejos órgano-metálicos solubles de alta
estabilidad, lo cual disminuye la adsorción de metales por los
sedimentos.
2. CONTAMINANTES EN TRAZAS
2.1 CONSIDERACIONES GENERALES
La presencia en el agua de trazas de metales pesados se debe a los
residuos de la actividad industrial, además de las debidas a causas
naturales. Elementos como el arsénico, cadmio, cobre, hierro, níquel,
plomo, mercurio, cromo o zinc entre otros, son potencialmente
peligrosos para la salud, por lo que se hallan sometidos a control. La
concentración se mide en μg/l o ppm, y los valores máximos
recomendados por la Unión Europea (UE) se sitúan en umbrales muy
bajos: 50 para el arsénico y el cromo, 1 para el cadmio, 0,5 para el
mercurio, 1.000 para el cobre y el hierro, etc [5].
El tema de los contaminantes orgánicos e inorgánicos en trazas en
los abastecimientos públicos de agua relacionados con la salud pública
ha sido objeto de especial interés durante casi un siglo. Los
contaminantes en traza de importancia en el campo de la salud se
definen aquí arbitrariamente como aquellos cuyos estándares para el
agua potable son generalmente de 1 mg/l, o menos. La
medición de los contaminantes que están a
concentraciones tan bajas con frecuencia requiere
técnicas analíticas especializadas y costosas [5]. La
literatura menciona que el plomo fue el primer
contaminante en trazas sometido a investigación
debido al frecuente uso de conectores de tubería construidos de este
material. El problema fue especialmente grave en áreas de aguasblandas, como en Nueva Inglaterra, donde no se formaba una capa
protectora. El zinc y el cobre fueron cuestionados en 1923 y 1926,
respectivamente, debido al uso de vajillas galvanizadas y al creciente
uso de sales de cobre para el control de algas. Aproximadamente en la
misma época se encontraron yoduros en cantidades importantes en
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 27/137
Revisión Teórica
7
algunos abastecimientos, en especial en Pennsylvania. En 1931
Churchill demostró la correlación entre el exceso de fluoruros y la
mancha del esmalte dental. La literatura está llena de alusiones al
hierro y al manganeso, más por las molestias que producen que por los
riesgos para la salud pública [6,7].
No fue sino hasta 1962 cuando se propuso que, además de los
límites establecidos para el cobre y el zinc, se incluyeran los
contaminantes en trazas de importancia para la salud de la comunidad
en los Estándares de agua potable de la Salud Pública de los Estados
Unidos. La atención de los ingenieros encargados de la salud pública y
del abastecimiento de aguas se dirigió nuevamente hacia los
contaminantes en trazas debido a cuatro factores: (1) el surgimiento de
la enfermedad “Itai-Itai” entre los granjeros que bebían agua del río
Jintsu, Japón, con contenido de cadmio; (2) el descubrimiento de que el
mercurio metálico que escapaba de los laboratorios y las industrias,
especialmente de la manufactura del cloro, podía convertirse en
mercurio metálico, concentrarse en la vida acuática y pasar a través de
las cadenas alimenticias naturales a los humanos, especialmente por el
consumo de pescado; (3) la evidencia presentada, indica que ciertos
compuestos inorgánicos y orgánicos podrían ser carcinógenos (ver
Figura 1), y (4) la conciencia de que el reciclaje intenso de las aguas
residuales es inminente en muchas áreas del país para complementar
los abastecimientos de aguas potables [5, 8].
Figura 1 Posibles mecanismos de daño oxidativo del DNA producidopor metales
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 28/137
Revisión Teórica
8
El carácter crítico del problema de los abastecimientos de agua en
los Estados Unidos condujo a la acción del Congreso que dictó la Ley
93-523, conocida como el Acta del Agua Potable sin riesgo, SDWA (Safe
Drinking Water Act), que fue firmada como ley en 1974. A la Agencia de
Protección Ambiental EPA (Environmental Protection Agency), creada en
esa época, le correspondió interpretar la ley y establecer los estándares
para el agua potable, aplicable a todos los sistemas de agua para el
consumo público en los Estados Unidos, como lo hacían los estándares
de la salud pública. La SDWA tuvo un fortalecimiento adicional al ser
sometida a las Enmiendas de 1986, que condujeron a un significativo
aumento del número de los contaminantes en trazas regulados,
especialmente de los contaminantes orgánicos.
La SDWA responsabilizó a la EPA de establecer los estándares
primarios para el agua potable, de cumplimiento obligatorio para los
contaminantes relacionados con la salud, y también de las pautas
secundarias para el agua potable, no obligatorios para los
contaminantes que pueden afectar adversamente la calidad estética del
agua potable.
Los estándares primarios establecen niveles contaminantes máximos
(NCM), y las pautas secundarias establecen niveles contaminantes
máximos secundarios (NCMS) para los contaminantes de interés. El
gobierno federal se responsabiliza sólo de los NCM obligatorios. Los
NCMS sólo sirven como pautas para los proveedores de agua y para la
comunidad, pero con frecuencia, se incorporan a los estándares de
agua potable obligatorios para el Estado. Además de los NCM
obligatorios, la EPA establece unos límites para los niveles
contaminantes máximos no obligatorios (LNCM) para cada uno de los
componentes que afectan la salud. Los LNCM se establecen en el punto
en que ocurren efectos adversos imprevistos o desconocidos sobre la
salud humana, que permite un adecuado margen de seguridad, sin
tener en cuenta el costo para alcanzar este límite [5, 6, 7].
Los contaminantes en trazas están convenientemente divididos en
contaminantes orgánicos e inorgánicos; en la Tabla 1 se resumen los
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 29/137
Revisión Teórica
9
estándares actuales para el agua potable de la Agencia de Protección
Ambiental de los Estados Unidos (1993) para los contaminantes en
trazas inorgánicos [5].
2.2 CONTAMINANTES INORGÁNICOS EN TRAZAS
La principal fuente de todos los contaminantes inorgánicos en trazas
que aparecen en la Tabla 1, a excepción del fluoruro y el selenio, son los
residuos industriales de las operaciones de la producción de metal o de
los acabados en metal.
Por esta razón, las autoridades que aceptan residuos industriales en
sus sistemas de alcantarillado son las legalmente responsables de
reducir las concentraciones a niveles aceptables antes de que se viertan
estos residuos a las aguas superficiales o subterráneas.
Usualmente, el tratamiento en la fuente es el único método práctico
de asegurar que se alcance el nivel autorizado de inorgánicos en trazas.
Esto origina problemas especiales en las ciudades donde las conexiones
del alcantarillado industrial han sido construidas hace mucho tiempo
(en el caso especifico de los Estados Unidos) [5, 7].
Entre los metales a nivel de trazas considerados contaminantes
inorgánicos se encuentran: el cadmio, usado ampliamente en la
manufactura de las baterías, pinturas y plásticos; además se utiliza
para el enchapado de productos de hierro como tuercas y tornillos, para
prevenir la corrosión; la mayor parte del cadmio que llega al medio
acuático proviene de las operaciones de enchapado; mientras que el
mercurio es un elemento que se usa extensamente en amalgamas,
instrumentos científicos, baterías, lámparas, la extracción de oro y plata
y la producción electrolítica de cloro. Sus sales se usan como
fumigantes para combatir enfermedades de las plantas y las pestes por
insectos; también se utiliza para prevenir la formación de moho en los
impermeabilizantes de lienzos y tiendas [5, 7].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 30/137
Revisión Teórica
10
Tabla 1 Sustancias químicas inorgánicas en trazas reguladas por losestándares para el agua potable de la Agencia de Protección
Ambiental de los Estados UnidosCONTAMINANTE LNCM mg/l NCM mg/l
antimonio 0,006 0,006bario 2 2berilio cero 0,001
Cadmio 0,005 0,005Cromo (total) 0,1 0,1
Cobre 1,3 TT*Plomo cero TT*
Mercurio 0,002 0,002Níquel 0,1 0,1
Selenio 0,05 0,05
Metales
talio 0,0005 0,002Arsénico 0,05‡
Asbesto 7 MFL † 7 MFL † OtrosCianuro 0,2 0,2
LNCM (mg/l): Límite para los niveles contaminantes máximos no obligatoriosNCM (mg/l): Niveles contaminantes máximos* Los estándares especifican la mejor tecnología disponible para el
tratamiento
† Millones de fibras por litro ‡ NCM provisional desde 1993
3.
CADMIO
3.1
ANTECEDENTES
El cadmio se descubrió en 1817, en minerales de zinc, de manera
independiente, pero simultáneamente, por Stromeyer en Göttingen y
por Hemann en Schöneberg; es una impureza habitual en las minas de
zinc, hasta el punto de que su propio nombre deriva del término latino
para la calamina (cadmia , carbonato de zinc). La calamina se utilizaba
como materia prima para la obtención de óxido de zinc con usos
farmacéuticos, y la presencia de cadmio como impureza la impartía una
coloración amarillenta. Fueron precisamente las investigaciones
orientadas a descubrir la causa de esta coloración indeseable las que
condujeron a la identificación del cadmio [1, 10].
Históricamente, todos los episodios ambientales importantes
causados por el cadmio han sido resultados de la contaminación
proveniente de la minería y refinado de materiales no ferrosos. El
problema ambiental más serio que ha sido reportado hasta la fecha
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 31/137
Revisión Teórica
11
ocurrió en el valle del río Jintsu, en Japón a 300 Km. al noroeste de
Tokio, en los años treinta y cuarenta del siglo XX en donde el arroz de
consumo local se regaba con agua del río contaminado con cadmio
disuelto que procedía de una mina de zinc y plomo situada río arriba.
En la zona afectada se alcanzaron concentraciones relativamente
elevadas en el grano de arroz (0,68 μg/g de peso fresco, diez veces
superior a la media en arroz producido en otras áreas de Japón).
Cientos de personas de esta área, particularmente mujeres de edad
avanzada presentaron una enfermedad degenerativa de los huesos a la
que se llamó “itai-itai” . Aparentemente en las personas afectadas,
algunos iones Ca2+ de los huesos fueron reemplazados por iones Cd2+,
pues ambos iones tienen el mismo estado de oxidación y casi el mismo
tamaño. Esta sustitución les ocasionó osteoporosis, o sea, fragilidad de
los huesos y susceptibilidad a fracturas. Otro factor que parece haber
influido en la aparición de esta enfermedad es la deficiencia en vitamina
D que también se identificó en la población de la zona afectada [1, 10,
11].
La fuente más importante de liberación de cadmio al ambiente es el
empleo de combustibles fósiles, como carbón y petróleo, aunque
también puede ser liberado durante el refinado de zinc, plomo o cobre.
Por esto, los individuos que viven o trabajan cerca de donde se emiten
partículas que pueden contener cadmio ocasiona una exposición a este
metal mayor que el promedio [10, 11].
3.2 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS Y QUÍMICA
AMBIENTAL
El cadmio se encuentra ampliamente distribuido en la corteza
terrestre en una concentración promedio de 0,1 mg/Kg; en las rocas
sedimentarias las concentraciones son más elevadas. Las condiciones
ambientales, como la erosión, causan el transporte de grandes
cantidades de cadmio a los océanos, cuyo contenido de este metal es
alrededor de 0,1 μg/Kg. Los sedimentos oceánicos cercanos a las áreas
de alta actividad humana pueden contener cadmio en concentraciones
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 32/137
Revisión Teórica
12
muy elevadas, asociadas con la descarga de desechos biológicos [10,
12].
Este es un elemento metálico, de color blanco brillante, dúctil,
maleable y resistente a la corrosión. Su densidad de 8,642 g/cm3 y sus
vapores son 3,88 veces más pesados que el aire. Su presión de vapor es
relativamente alta, por lo que pasa fácilmente al estado de vapor y, en
este estado, se oxida rápidamente produciendo óxido de cadmio que
permanece en el aire. Cuando en la atmósfera hay gases o vapores
reactivos, como los bióxidos de carbono o de azufre, vapor de agua,
trióxido de azufre o ácido clorhídrico, el óxido de cadmio reacciona con
ellos y produce, respectivamente, carbonato, sulfito, hidróxido, sulfato y
cloruro de cadmio. Debido a su similitud con el metal esencial zinc, las
plantas absorben el cadmio del agua de riego, por esto, el empleo de
fertilizantes a base de fosfatos que contienen cadmio en forma iónica
como contaminante natural, o su presencia en el lecho de ríos y mares
contaminados por las descargas industriales aumentan los niveles del
elemento en los suelos y, por lo tanto, disminuye el pH del suelo, por lo
que un efecto indeseable más de la lluvia ácida es el aumento de los
niveles de cadmio en los alimentos [13, 14].
El cadmio presenta una movilidad ambiental más elevada que la
mayoría de los metales pesados, debido a la relativa solubilidad de sus
sales e hidróxidos, lo que lo convierte en un contaminante cosmopolita.
El producto de solubilidad del hidróxido de cadmio es 5,27 x 10 -15 (25
ºC). La solubilidad del cadmio en agua aumenta en medios ácidos,
mientras que la adsorción a suelos y sedimentos se incrementa al
aumentar el pH. En medios reductores puede formarse sulfuro de
cadmio, muy insoluble, que precipita acumulándose en los sedimentos.
En suelos ácidos el cadmio puede lixiviarse y desplazarse hacia las
aguas subterráneas [1].
Las plantas absorben eficientemente el cadmio, lo que puede
constituir una importante ruta de exposición para animales y personas.
La capacidad de ciertas plantas acuáticas para absorber cadmio se ha
aprovechado en el tratamiento de efluentes contaminados. El pH del
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 33/137
Revisión Teórica
13
suelo es el factor más importante en la absorción del cadmio por las
plantas. Los medios ácidos favorecen la solubilización del cadmio y su
absorción por las plantas, mientras que la alcalinización de los suelos
disminuye drásticamente la biodisponibilidad, ya que el cadmio tiende a
absorberse en el suelo a pH básico [1].
3.3
FUENTES AMBIENTALES
El cadmio es un elemento relativamente raro en la litosfera. Sin
embargo, entre 1951 y 1980, la emisión antropogénica excedió a la
natural, que es del orden de aproximadamente 0,008 ton/año. Las
concentraciones típicas de cadmio en aire de zonas rurales son de
0,001 a 0,005 μg/m3, y de 0,050 a 0,060 μg/m3, en áreas urbanas.
La actividad volcánica es la mayor fuente natural de liberación de
cadmio a la atmósfera. Se ha calculado que el incremento total anual
debido a esta fuente es de entre 100 y 500 toneladas. [10, 11, 12].
3.3.1 AGUA
La minería de metales no ferrosos es la principal fuente de liberación
de cadmio al medio acuático. La contaminación puede provenir del agua
de drenado de minas, de las aguas residuales del procesamiento de los
minerales, de derrames de los depósitos de desechos del proceso del
mineral, del agua de lluvia que cae en el área general de la mina y de
las partículas más ligeras de mineral, que pasan a través de los cedazos
en las operaciones de concentración y purificación.
El depósito húmedo de cadmio en aguas saladas y dulces causa un
incremento muy grande del metal en todo el
mundo. Un estudio realizado en el mar
mediterráneo por el Grupo de Expertos sobre los
Aspectos Científicos de la Contaminación Marina
(GESAMP), indica que esta fuente es de magnitud
comparable a la contribución total de cadmio debida a la descarga de
los ríos en la región. En forma similar se introducen grandes cantidades
de cadmio en el mar del Norte [10, 11, 12].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 34/137
Revisión Teórica
14
3.3.2 SUELO
Las fuentes de cadmio para el suelo incluyen los desechos de la
fabricación de cemento, la disposición de residuos sólidos y las aguas
residuales municipales. Los desechos sólidos se depositan en
terraplenes, lo que da como resultado el aumento de cadmio en los
suelos.
El contenido de cadmio en los fertilizantes es muy variable y
depende del origen de la roca. Se ha calculado que los fertilizantes
procedentes de África Occidental contienen entre 160 y 225 gramos de
cadmio por tonelada de pentóxido de fósforo, en tanto que la
concentración de cadmio en los procedentes del sureste de los Estados
Unidos es de 36 g/ton. Esto significa un aumento del 1% en el nivel de
cadmio del suelo superficial en donde se apliquen los fertilizantes
procedentes de Estados Unidos. A pesar de que la tasa de incremento es
relativamente pequeña, se ha demostrado que la aplicación continua de
fertilizantes que contienen cadmio causa un aumento notable en la
concentración del metal en los suelos de donde puede pasar a las
plantas e incorporarse a la cadena trófica como ocurrió en Japón en el
caso del “itai-itai”. Los suelos contaminados pueden contener niveles de
concentración de cadmio superiores a 57 mg/Kg, como resultado del
depósito de lodos en suelos, y a 160 mg/Kg en los alrededores de las
industrias procesadoras de metales [12, 15].
3.4 CICLO DEL CADMIO EN EL AMBIENTE
La presencia de cadmio en la atmósfera se debe a procesos naturales
y antropogénicos [16]; entre los naturales se encuentra el transporte
aéreo de partículas procedentes de las rocas, debido ha agentes
atmosféricos, incendios forestales, emisiones volcánicas, transpiración y
posible volatización de cadmio desde el suelo. El conjunto de flujo
natural de este elemento en la atmósfera ha sido estimado en 8,3 x 105
kg/año [17], cantidad que se ha visto incrementada por la actividad del
hombre, principalmente a nivel industrial. La mayoría de esta cantidad
de cadmio es, a su vez, reinyectado de la atmósfera a la superficie
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 35/137
Revisión Teórica
15
terrestre, mediante procesos húmedos y secos, cuya eficiencia depende
de la precipitación y el tamaño relativo de las partículas de polvo, así
como de la difusividad molecular, solubilidad en agua de gases y
vapores y la intensidad de la precipitación, en general la mayoría del
material liberado en el año es depositado durante el mismo lapso de
tiempo, en la superficie terrestre [16].
A nivel de cuerpos de agua, suelo y ambiente terrestre el flujo de
cadmio está controlado por un complejo subsistema interactuante,
formado por sedimentos geológicos no consolidados y el agua. Los
suelos son continuamente lixiviados y arrastrados por el drenaje de
aguas provenientes de las precipitaciones. Los ríos y lagos se alimentan
de esta agua que ha estado en contacto con el suelo y el subsuelo, por
tanto es de esperarse que el cadmio contenido en ríos y lagos está
relacionado con los tipos del suelo a través de los cuales pasa el agua
de drenaje, aunque sufra modificaciones posteriores, debido a procesos
físico-químicos y biológicos [18].
La movilidad del cadmio en poros del suelo y en aguas subterráneas
está fuertemente controlada por la formación de precipitaciones tales
como: carbonato o sulfuro de cadmio, y por la adsorción por partículas
del suelo, arcillas minerales, materia orgánica, hidróxido de hierro y
manganeso.
La química del cadmio en los cuerpos de agua dulce depende de la
especie físico-química formada, la cual es importante establecer para
entender y predecir la toxicidad, biodisponibilidad, bioacumulación y
transporte del elemento. A su vez, la forma físico-química está
relacionada tanto con el estado de oxidación del metal y pH del medio
que lo contiene, como con la concentración de numerosos aniones
orgánicos y cationes de otros metales [19, 20]. Generalmente en cuerpos
de agua dulce el cadmio existe como iones (Cd++), hidróxido de cadmio
(Cd(OH)2), complejos de carbonato (CdCO3) y en varios complejos
orgánicos, dependiendo del pH y la materia orgánica disuelta. En agua
salada, el cadmio forma complejos con cloruro, los cuales aumentan a
medida que se incrementa la salinidad del medio, hasta el punto en que
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 36/137
Revisión Teórica
16
en agua de mar está casi completamente como cloruro (CdCl+, CdCl2,
CdCl3-) [20]. Por otra parte el cadmio asociado con materia orgánica en
agua de mar, comúnmente está fijo a ella. Estudios físico-químicos
hechos en especies recolectadas en muestra de agua costera, rica en
materia orgánica disuelta, mostraron que solamente el 40% del total de
cadmio estaba en forma lábil, lo que implica que cantidades apreciables
de metal, deben estar asociadas con compuestos orgánicos o
inorgánicos que son disociados por intercambio iónico [21, 22].
3.4.1 SEDIMENTOSEl cadmio asociado con sólidos sedimentarios puede estar presente
en varias formas químicas, dependiendo de la composición del
sedimento y de las propiedades físico-químicas del ambiente de
sedimentación. El metal puede encontrarse enlazado a la red cristalina
de los minerales, en este caso es inaccesible y se considera como
fracción residual; o puede estar adsorbido por atracción electrostática
sobre iones cargados negativamente en sitios de intercambio, o bien
sobre minerales coloidales, partículas de arcilla, partículas orgánicas y
óxidos hidratados. Estas fases están en equilibrio con el agua
intersticial del sedimento y son intercambiados con la fase acuosa
cuando varían las condiciones físico-químicas, aunque la velocidad de
la acción puede ser muy lenta; también puede estar asociado con hierro
y manganeso y coprecipitar completamente.
La mayor cantidad de cadmio que puede movilizarse a partir de los
sedimentos, comprende componentes de variada estabilidad, desde los
de fácil descomposición y formas móviles hasta formas que son muy
resistentes a la descomposición.
Los complejos de cadmio con fracción orgánica pueden dividirse, de
manera general, en dos clases: quelato y porción orgánicamente
enlazada, el primero comprende la fracción unida sin cohesión que
puede movilizarse fácilmente y descomponer la materia orgánica, es un
indicador de la forma de fácil biodisponibilidad del metal; la parte
orgánicamente enlazada, es la fracción incorporada dentro de la materia
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 37/137
Revisión Teórica
17
orgánica, menos soluble y puede solubilizarse únicamente después de
intensa oxidación [23]. Muller et al., [24] estudiaron en experimentos de
laboratorio, el cadmio liberado por los sedimentos a las capas de agua
más superficiales, encontrando que solamente ocurría una liberación
significativa del metal bajo condiciones de oxidación. Estos resultados
concuerdan con lo expuesto anteriormente, que las formas de cadmio
susceptibles de disolverse a partir de los sedimentos son compuestos
oxidables de la materia orgánica siendo la producción a partir de óxidos
de hierro y manganeso muy limitada.
3.5 FUENTES INDUSTRIALES
Las principales aplicaciones del cadmio se pueden agrupar en cinco
categorías:
• En el galvanizado de acero, por sus propiedades anticorrosivas.
•
Como estabilizador de policloruro de vinilo (PVC).
•
Como pigmento en plástico y vidrios.
• Como material de electrodos en baterías de cadmio-níquel.
• Como componente de diversas aleaciones.
La importancia relativa de estas aplicaciones ha variado
considerablemente en los últimos 25 años. En 1960, el empleo de
cadmio para electroplatinado representaba la mitad del total consumido
mundialmente pero, en 1985, fue menor del 25%, lo que se asocia con
la introducción de límites estrictos para la descarga de cadmio
procedente de los trabajos de platinado, y más recientemente, con la
introducción en algunos países de restricciones generales en el
consumo de cadmio. En contraste, el uso de cadmio en baterías ha
tenido un notable crecimiento en años recientes: de 8% del mercado en
baterías (de especial importancia para Japón) pasó alrededor del 75%
del consumo total en 1985. En ese mismo año, los pigmentos y
estabilizadores representaron el 22% y 12% del consumo total,
respectivamente.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 38/137
Revisión Teórica
18
El empleo de cadmio en aleaciones es relativamente pequeño y
también se ha reducido en años recientes, en 1985 representó alrededor
del 4% de todo el cadmio empleado en el mundo [10, 15, 16].
3.6 USOS DEL CADMIO
Las aplicaciones más importantes del cadmio, en forma de óxido,
son la fabricación de baterías, como catalizador y para recubrimientos
electrolíticos; en forma de sulfuro como pigmento amarillo; en forma de
sulfato para recubrimientos electrolíticos y como intermediario en
procesos químicos. También se utiliza el cadmio en las barras de
control de los reactores nucleares. En todos sus compuestos el estado
de oxidación del cadmio es +2 [1].
3.6.1
ELECTRODEPOSICIÓN
El creciente uso del cadmio en la industria de la electrodeposición se
estima en 2,2% anual. Las ventajas principales del cadmio como una
capa protectora son las siguientes:
•
Deposición pareja, fácil, rápida y uniforme sobre objetos.
• Alta ductilidad, permitiendo estampar o formar partes plateadas.
• Buena conductividad eléctrica.
• Excelentes propiedades anticorrosivas y de soldadura.
•
Protección mediante una capa relativamente delgada de cadmio.
La mayoría de los productos cadmio-plateado se utilizan para la
industria del transporte (48 a 54%), las comunicaciones electrónicas
utilizan alrededor del 26% de esos productos y el resto se utilizan para
varios requerimientos de artículos de ferretería [25, 26, 27, 28]. El
cadmio electrodepositado tiene un espesor de 0,0007 cm.
aproximadamente, equivalente a una deposición de 60 g/m2 [26].
3.6.2 PINTURA
El cadmio se utiliza para producir pinturas en el rango de amarillo a
rojo para colorantes plásticos, pinturas, esmaltes, tintas, cerámicas y
vidrio. El sulfuro de cadmio se usa para colores del tono amarillo, el
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 39/137
Revisión Teórica
19
sulfuro de cadmio y seleniuro para el rojo naranja, y combinaciones de
componentes de cadmio para el tono naranja. Otros compuestos
producen amarillo verdoso y rojo oscuro, hasta algunos colores ricos en
marrón incluyen pinturas de cadmio. Las pinturas de cadmio tienen la
ventaja de baja solubilidad, bajo costo, excelente poder para aclarar e
intensificar los colores y buena resistencia al calor [25, 29].
3.6.3 PLÁSTICO
El cadmio se utiliza en la industria de los plásticos en
estabilizadores luz/calor y pinturas. En efecto, el 7% de las pinturas
utilizadas en esa industria contienen cadmio. Los estabilizadores bario-
cadmio (con un contenido de cadmio de 7%) son el tipo usado con
mayor frecuencia [26, 29].
Una de las principales áreas de crecimiento en plásticos es el
mercado de las tuberías y accesorios (para plomería). El PVC es el
material preferido para utilizar en la mayoría de las tuberías y
constituye el uso principal de los estabilizadores bario-cadmio, los
cuales representan el 50% de los estabilizadores usados en
termoplásticos y son empleados para hacer a los tubos de PVC
impermeables al calor y la luz ultravioleta, rígidos o flexibles, etc. El uso
de los estabilizadores de cadmio para plástico en contacto con
alimentos está prohibido [29].
3.7 TOXICOCINÉTICA
3.7.1 ABSORCIÓN
La exposición en los humanos ocurre generalmente a través de dos
vías, la primera de ellas es la oral, por ingestión de agua y alimentos
que contengan el metal, y representa del 5 al 10% del total del cadmio
absorbido en el organismo. Estas concentraciones dependen de la
ingestión de proteínas y la presencia de vitamina D; incluso, se
relaciona con la concentración en el organismo de algunos elementos,
como Zn, Se y Ca, con los cuales compite el cadmio [30].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 40/137
Revisión Teórica
20
Aunque, con excepción del CdS, los compuestos de cadmio iónico
son altamente solubles en agua, los humanos sólo ingieren una
pequeña cantidad directamente del agua potable o del aire, excepto las
personas que viven cerca de minas o industrias refinadoras,
principalmente de zinc. La exposición humana proviene principalmente
de los alimentos, mariscos y vísceras, particularmente riñón, que puede
tener altos niveles de concentración de cadmio, hasta de 100 mg/Kg.
Sin embargo, la mayoría del metal que se encuentra en la dieta proviene
de papas, trigo, arroz y otros granos que la gente consume, más que de
mariscos o vísceras [10, 30].
La segunda vía por la cual los seres humanos están expuestos al
cadmio es la inhalación. En este caso, la absorción depende del tamaño
de las partículas y su composición química. La cantidad de cadmio
inhalado depende de la concentración del metal en el aire, la retención y
tamaño de las partículas en los pulmones, del compuesto químico
inhalado, las condiciones fisiológicas del sistema respiratorio y en el
caso de los fumadores, de la intensidad del hábito, pues por esta vía es
absorbido del 15 al 20% del cadmio que se encuentra en la sangre.
Después del depósito del cadmio en la naso-faringe, tráquea, bronquios,
bronquioles y alvéolos, parte de las partículas inhaladas ascienden por
acción de los cilios, pasan al esófago y se absorben parcialmente en el
tracto gastrointestinal. Aproximadamente del 10 al 40% de las
partículas inhaladas son absorbidas; la otra parte es eliminada en las
secreciones y, la restante, constituye los depósitos del árbol
respiratorio. Las partículas que llegan hasta los alvéolos, son
absorbidas y pasan a la sangre, ya sea directamente, o por vía del
macrófago alveolar [30, 31].
Los fumadores se encuentran expuestos, además, al cadmio
presente en el tabaco, el cual proviene de los suelos y del agua de riego,
los fumadores crónicos tienen una exposición al elemento de
aproximadamente el doble en comparación con los no fumadores. Se ha
encontrado que cada cigarrillo contiene entre 1 y 2 μg y, que de esa
cantidad, se inhala el 10%. En un estudio realizado en México se
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 41/137
Revisión Teórica
21
encontraron 2,8 μg por cigarrillo, lo que significa un riesgo aún mayor
para los fumadores de este país, que el reportado en otros países [10,
15].
3.7.2 DISTRIBUCIÓN Y DEPÓSITO
Una vez absorbido, el cadmio es transportado por la sangre a los
diversos órganos y tejidos, principalmente a riñones e hígado, en donde
se retiene cerca del 50% del cadmio, y a glándulas salivales, páncreas,
músculo y sistema nervioso central, en muy bajas concentraciones.
Usualmente pasa a la sangre sólo del 1 al 5% del cadmio que se ingiere
y del 30 al 50% del que se inhala. La vida media del cadmio en el
organismo es muy larga y se calcula entre 10 y 30 años, período en el
cual permanece almacenado en varios órganos, en particular en el
hígado y los riñones en los que se encuentra cerca del 50% de la carga
corporal total. En el Tabla 2 se presenta una recopilación de datos
obtenidos por diversos investigadores que muestra claramente el
incremento en la concentración del metal en tejido pulmonar durante
las últimas cuatro décadas [15].
Tabla 2 Concentración de Cadmio en tejido pulmonar en diversaspoblaciones
AUTOR/AÑO CADMIO*
Liebscher, 1968 0,04-5,9Sumino, 1975 0,20-0,03Brune, 1980 0,02-0,03
Teraoka, 1981 0,4-3Paako, 1989 0,6-23Fortoul, 1993 2,9-20
* mg/g Tejido secoFuente: Modificado de Fortoul y Saldívar, 1993
3.8 INTERACCIÓN CON OTROS AGENTES
Cuando se habla de interacción con otros agentes es importante
mencionar que el cadmio esta clasificado como un metal blando. En la
Tabla Periódica los metales blandos (que son maleables y dúctiles) se
encuentran colocados como sigue:
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 42/137
Revisión Teórica
22
Cuando algunos de estos elementos entran al organismo se
comporta como un agente tóxico, sobre todo porque todos ellos tienen
varios estados de oxidación y pueden permanecer en un sitio sin que
con esto haya una reacción lenta de intercambio que permita que se
reduzca la concentración en dicho sitio. Además, estos elementos
pueden reaccionar con centros donadores simples, por ejemplo bases de
Lewis. Hay algunas pruebas de la interacción entre el cadmio y otros
metales, especialmente calcio y zinc y se ha informado que el cadmio
desplaza al zinc de su sitio de unión en muchas enzimas, también
puede reemplazar al calcio en la proteína específica, calmodulina. En
ciertas circunstancias, la presencia de zinc incrementa la retención del
cadmio en el hígado y riñones de vertebrados acuáticos. El cadmio
también reduce los niveles de hierro hepático, al competir con él por el
sitio activo del acarreador o del canal de la membrana celular [32, 33].
El cadmio y el cobre compiten por ligantes que contienen grupos
sulfhidrilo (-SH), lo que impide la entrada del cobre a la célula, ya que el
cadmio afecta a proteínas específicas de la membrana, al competir ya
sea por un acarreador o por un canal iónico [9, 10].
3.9
EFECTOS ADVERSOSLos humanos están protegidos contra una exposición crónica a bajos
niveles de cadmio gracias a una proteína rica en azufre, la
metalotioneína, cuya principal función es regular el metabolismo del
zinc. Debido a que esta proteína posee varios grupos sulfhidrilo, puede
formar complejos con todo el Cd2+ ingerido, el cual es eliminado
Cu
Rh Pd Ag Cd
Yr Pt Au Hg Tl Pb
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 43/137
Revisión Teórica
23
subsecuentemente en la orina. Si la cantidad del metal que ingresa al
organismo excede la capacidad de la metalotioneína, se almacena en el
hígado y riñón y puede producir enfermedades renales. Cuando se
ingieren alimentos o bebidas con altas concentraciones de cadmio se
pueden presentar irritaciones estomacales, náuseas, vómito y diarrea,
dolor abdominal y muscular, así como salivación [30, 33].
Los casos de intoxicación por inhalación son graves y pueden llegar
a provocar neumonitis química aguda y edema pulmonar. Una
intoxicación aguda o subaguda ocasionada por inhalación de aerosoles
que contengan cadmio a una concentración de 1 mg/m3 puede causar
los efectos que se resumen en la Tabla 3. La placenta sintetiza
matalotioneíma y tal parece que es una barrera eficaz para el cadmio,
sin embargo, los recién nacidos están expuestos a otras fuentes del
metal, como la misma leche materna. Se encontraron concentraciones
de cadmio muy parecidas en sangre materna y de cordón umbilical, por
lo que no es posible descartar que se puedan transferir efectos nocivos
de madre a hijo aún antes del nacimiento [10, 32, 33].
Tabla 3 Efectos de la inhalación de aerosoles con cadmio
Irritación de las vías respiratoriasDisnea
Edema pulmonarDebilidad
FatigaAnorexiaNáuseas
Alteraciones renales con proteinuriaSeveras alteraciones hepáticas y renales
La exposición crónica a niveles de concentración de cadmio en el aire
de 0,1 mg/m3, puede causar: enfisema y fibrosis pulmonar progresiva
(inhalación de humos), alteraciones renales con proteinuria que se
agrava con el transcurso de la exposición. Inicialmente aparece
eliminación urinaria de proteínas de bajo peso molecular, como la b-2-
microblobulina (en la exposición ocupacional y ambiental, por la
ingestión de alimentos con alto contenido de cadmio). También se
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 44/137
Revisión Teórica
24
pueden observar: astenia, anemia, glicosuria, aminoaciduria,
hiperfosfaturia y aumento en la excreción de ácido úrico. En la
ingestión prolongada de alimentos con alto contenido de cadmio se
puede presentar osteomalacia [1, 10, 33].
Respecto al daño pulmonar, el efecto es proporcional al tiempo y al
grado de exposición y consiste en obstrucción pulmonar, bronquitis
crónica, fibrosis progresiva, acompañada de daño alveolar que termina
en enfisema. Al respecto, está comprobado el daño que se provoca en
fumadores, así como se ha verificado que la concentración de cadmio es
más elevada en estos. La ATSDR (Agencia para el Registro de las
Sustancias Tóxicas y las Enfermedades, EUA) de los Estados Unidos,
ha determinado que este metal, y algunos de sus compuestos, son
carcinogénicos. Algunos ejemplos de los efectos que causa la exposición
al cadmio se presentan en la Tabla 4. En cuanto a la relación entre la
exposición crónica al cadmio y la incidencia de cáncer, hasta el
momento las evidencias no son concluyentes, pues la exposición al
cadmio se superpone con la exposición a As, Ni y posiblemente, a otros
carcinógenos respiratorios, incluyendo los derivados del hábito
tabáquico [35]. Sin embargo, hay pruebas de que la exposición
ocupacional de largo plazo al cadmio puede contribuir a causar cáncer
de pulmón, aunque ha sido difícil de interpretar los estudios. Por
ejemplo, los trabajadores de una planta recuperadora de cadmio en
Globe, Colorado, EUA, mostraron un incremento en la incidencia de
cáncer de pulmón que algunos investigadores atribuyen a la exposición
a cadmio.
Los datos de higiene industrial colectados en esta zona desde 1943
sirvieron como base al NIOSH (Instituto Nacional de Salud y Seguridad
Ocupacional, EUA) para desarrollar un algoritmo de exposición que
asigna exposiciones estimadas para los trabajadores, con base en su
área de trabajo y tiempo de empleo. De este estudio se desprende que el
riesgo de cáncer en este lugar está más relacionado con el período de
empleo, que con la exposición acumulada al metal. La OSHA
(Administración de Salud y Seguridad Ocupacional, EUA) indica que
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 45/137
Revisión Teórica
25
una concentración de cadmio de 100 mg/m3 puede causar de 49,9 a
110,9 muertes por cáncer en mil trabajadores expuestos durante 45
años [32, 33].
Tabla 4 Algunos efectos de la exposición crónica a cadmioÓRGANO BLANCO DAÑO
Riñón
Cuando las personas se encuentran expuestas a unexceso de cadmio a través del aire o la dieta puedeocasionar la formación de cálculos renales, o biendebilitamiento de los huesos
Pulmón
En trabajadores de fábricas en las que los niveles decadmio en el aire son altos se ha observado enfisema.
Se ha encontrado cáncer pulmonar en animalesexpuestos al metal por largos períodos. Algunosestudios en humanos sugieren que la inhalaciónprolongada de cadmio aumenta el riesgo de sufrircáncer
SistemaCirculatorio
Presión arterial alta en animales expuestos, no se sabecon certeza si el cadmio tiene un papel importante en lahipertensión arterial en humanos
SistemaReproductivo
En animales se han observado efectos en el desarrollo yla reproducción, pero no en humanos
Fuente: Modificado de ATSDR (Agencia para el Registro de las Sustancias Tóxicasy las enfermedades, EUA) 1993.
3.9.1
ESTUDIOS EN ANIMALES
Experimentos en ratones han mostrado que, con la inhalación de
cloruro de cadmio, el parénquima alveolar presenta mayor daño en
comparación al bronquiolo no respiratorio, lo que probablemente se
deba al tamaño de las partículas que se pueden depositar en los
alvéolos.
También se ha observado en bronquiolo no respiratorio la presencia
de célula de Clara con hipertrofia e hiperplasia, así como alteraciones
en las mitocondrias, los gránulos característicos de las células de Clara
migran hacia la periferia, probablemente como respuesta a la presencia
de cadmio.
Los animales a los que se les administra cadmio con los alimentos
muestran señales de presión arterial alta, anemia, enfermedad hepática
y daños en los sistemas nervioso central y periférico [10, 31, 32].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 46/137
Revisión Teórica
26
3.10 POBLACIONES EN RIESGO
La cantidad de metal necesaria para causar un efecto adverso en
una persona expuesta depende de su forma química y de las
propiedades fisicoquímicas del compuesto. En general, los compuestos
que son solubles en agua y aquellos que pueden disolverse en el
organismo tienden a ser los más tóxicos. Para los compuestos solubles
de cadmio, se considera que la dosis oral mínima que causa irritación
del estómago es de aproximadamente 0,05 mg/Kg (3,5 mg en adultos).
Se cree que la ingestión prolongada por arriba de 0,005 mg/Kg/día
(0,35 mg/día en los adultos) conlleva un pequeño riesgo de causar daño
al riñón u otros tejidos. Se cree que la ingestión de cadmio causa
probable cáncer [30, 33].
En septiembre de 1992, la OSHA (Administración de Salud y
Seguridad Ocupacional, EUA) estableció dos estándares para la
exposición ocupacional a cadmio que reducen el límite permisible para
dicha exposición. Se supone que, en la industria del cadmio, las
mujeres se encuentran menos expuestas a altos niveles del metal, por lo
que no se ha evaluado en las trabajadoras el riesgo de que se presente
alguna enfermedad. Sin embargo, se ha demostrado que algunos
factores, incluyendo las diferencias en hábito tabáquico, vía de
exposición, uso de equipo de protección y estilo de vida, pueden alterar
el riesgo de que se presenten estas enfermedades y sus consecuencias
entre los trabajadores [10, 30, 33].
3.11 LÍMITES PERMISIBLES
La EPA (Agencia para la Protección del Ambiente, EUA) determinó
que el límite máximo permisible para cadmio en agua potable es de 5
mg/l (ppb) y también limita la concentración de cadmio que puede
descargarse en cuerpos de agua superficiales como ríos o lagos. La FDA
(Administración de Medicamentos y Alimentos, EUA) limita la
concentración de cadmio en colorantes para alimentos a 15 μg/g (ppm).
La OSHA limita la concentración en aire a 100 mg/m3 y, en el caso de
los humos y polvos de cadmio a 200 mg/m3. Esta dependencia esta
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 47/137
Revisión Teórica
27
planeando limitar la exposición a todos los compuestos de cadmio entre
1 y 5 mg/m3. El NIOSH (Instituto Nacional de Salud y Seguridad
Ocupacional, EUA) recomienda que los trabajadores manipulen lo
menos posible este elemento [10, 33, 35].
4. MERCURIO
4.1 ANTECEDENTES
El conocimiento del mercurio (Hg) y su utilización se remontan a
tiempos anteriores a nuestra era. En el año 2000 A.C. se extraía de las
minas en forma de cinabrio (principalmente, sulfuro de mercurio), a
partir del cual, en China, se elaboraba una tinta roja que se utilizaba en
las inscripciones. La muestra de mercurio líquido más antigua de que
se tiene noticia se encontró en una tumba egipcia en Kurna, y data de
1600 A.C. Los griegos y los romanos extraían el metal de las minas de
Almadén en España (200 A.C). Más tarde, los egipcios lo utilizaron para
la fabricación de pigmento rojo. Entre los siglos XVI y XIX el mercurio
se usó para el tratamiento de alteraciones cardíacas. Sin embargo, en la
actualidad ha sido reemplazado por medicamentos más eficaces y
menos peligrosos. El cinabrio, sulfuro de mercurio, se utilizó como
pigmento bermellón en las pinturas rupestres del norte de España y sur
de Francia, como Altamira y Lascaux. El calomel (cloruro mercuroso,
Hg2Cl2) se utilizó durante algún tiempo como laxante, asimismo se han
utilizado compuestos orgánicos de mercurio como conservadores en
productos farmacéuticos. Varios de los compuestos orgánicos de
mercurio se usaron ampliamente como funguicidas, aunque en la
actualidad están prohibidos prácticamente en todo el mundo debido a
su extrema persistencia y peligrosidad. El mercurio elemental y sus
derivados inorgánicos se utilizan ampliamente en la industria de cloro-
soda y en la manufactura de equipos eléctricos como baterías,
interruptores, lámparas de mercurio y tubos de rayos X, así como en la
elaboración de termómetros y barómetros, en la preparación de
amalgamas dentales, como catalizador, en conservadores y explosivos
[36, 37, 38].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 48/137
Revisión Teórica
28
El mercurio es uno de los mejores ejemplos de la multiplicidad de
efectos tóxicos de los metales dependiendo de la forma química en que
se encuentren. El mercurio presenta tres posibles estados de oxidación,
0, +1 y +2, que correspondes respectivamente al mercurio elemental, los
compuestos mercuriosos y los compuestos mercúricos. Además de las
distintas formas inorgánicas [1]. Diversos estudios han demostrado que
el mercurio es una potente neurotoxina, capaz de causar daños
cerebrales graves en fetos y ligeros temblores y perturbaciones
emocionales en los adultos expuestos [1, 39].
4.2 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS Y QUÍMICA
AMBIENTAL
Las propiedades toxicológicas del mercurio y sus derivados
dependen fundamentalmente de su forma química.
Puede existir en tres de éstas: mercurio elemental,
compuestos inorgánicos y compuestos orgánicos. El
mercurio elemental es un metal líquido, de color
blanco-plateado, con un peso molecular de 200,6,
densidad de 13,546 g/cm3, punto de fusión de 38,87
ºC y punto de ebullición de 356,6 ºC. El mercurio
elemental, o metálico, puede evaporarse a temperatura ambiente y
generar vapores de mercurio [10, 38].
Las sales de mercurio existen en dos estados de oxidación:
mercúricas (Hg2+) y mercurosas (Hg1+). Las sales inorgánicas del
mercurio varían de color, los óxidos y yoduros son amarillos, mientras
que los sulfuros pueden ser negros o cafés, generalmente son sólidas a
temperatura ambiente. El mercurio puede biotransformarse,
principalmente en ambientes acuáticos, para formar derivados
orgánicos como el metilmercurio [10, 38].
4.3 CICLO NATURAL DEL MERCURIO
El mercurio presenta un ciclo en la naturaleza (Figura 2), conforme
al cual fluye en diversas formas químicas a través de los ambientes
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 49/137
Revisión Teórica
29
aéreo, terrestre y acuático. Aunque existen cálculos sobre las
concentraciones de Hg en cada uno de los diferentes sustratos, éstas
pueden fluctuar debido a:
•
La velocidad de las corrientes aéreas.
• La cercanía de zonas mineras ricas en mercurio.
• La cercanía de zonas industriales que liberen al ambiente desechos
gaseosos o líquidos de Hg.
En el medio aéreo, el Hg puede existir en diversas formas químicas,
ya sea en forma gaseosa, o adherido a partículas que provienen de
emanaciones, naturales o antropogénicas, del suelo y los océanos. A su
vez, parte del metal que se encuentra en el aire, pasa al suelo y los
depósitos acuíferos, por precipitación y solubilización, lo que aumenta
los niveles de concentración de Hg en estos ambientes [41]. El mercurio
se volatiza en el aire como Hgº. En la atmósfera, el ozono (O3) oxida el
Hgº a Hg2+, el cual puede hidrolizarse y/o formar complejos; en los
sedimentos el Hg2+ puede metilarse y formar metilmercurio (MeHg), el
cual puede ser asimilado más fácilmente por los organismos. El Hg, ya
sea gaseoso, o en forma de partículas, puede ser depositado hasta 100-
180 Km. de distancia de la fuente de emisión, ya sea en el aire, en
sedimentos, o bien, puede llegar a depósitos naturales de agua, en
donde es captado por peces y, de esta manera, se incorpora a la cadena
trófica [10, 42].
En el agua, el Hg se encuentra principalmente en forma inorgánica,
la cual puede pasar a compuestos orgánicos por acción de los
microorganismos presentes en los sedimentos. De éstos, puede pasar al
plancton, algas y, sucesivamente, a los organismos de niveles tróficos
superiores como los peces, las aves rapaces e, incluso, el hombre. Una
parte del metal que se encuentra disuelto puede evaporarse y entrar al
aire y, otra, pasa a los suelos, si el agua contaminada es utilizada para
el riego [42, 43].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 50/137
Revisión Teórica
Hgº, Hg2+ (gas)HgO, HgCl2 (en partículas)
MeHg+
(origen desconocido)
AIRE
FUENTES NATURALES YANTROPÓGENICAS
SUEL O
g2+
(líquido, sólido)
Materia Orgánica
Plantas Terrestres
AGUA
Hg2+
MeHg
Asimilación a trade la cadena tróf
descomposición
acción biológica
Figura 2 Representación Esquemática del Ciclo Natural del Mercur
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 51/137
Revisión Teórica
31
En los suelos, el Hg se encuentre principalmente en forma
inorgánica, puede formar parte de la materia orgánica y ser incorporado
a las plantas por absorción a través de las raíces. Del suelo, una parte
del Hg puede evaporarse al ambiente, biomagnificarse a través de la
cadena trófica o ser arrastrado a los océanos, a través de los mantos
freáticos, con lo que se cierra los ciclos del mercurio en la naturaleza
[10, 37, 38].
4.4 FUENTES AMBIENTALES
La mayor fuente de liberación de mercurio al ambiente es la
desgasificación natural de la corteza terrestre. Sin embargo. A causa de
sus múltiples usos, las liberaciones antropogénicas de este metal están
excediendo a las de fuentes naturales. Se ha calculado que la liberación
natural de mercurio está entre 25 mil y 150 mil toneladas por año y que
las actividades humanas causan la liberación de 20 mil toneladas
anuales de Hg. Las principales fuentes antropogénicas incluyen la
combustión de combustibles fósiles, la fundición de minerales, la
incineración, extracción y fusión de minas del propio mercurio, pero
también de otros metales, como el cobre, el oro, la plata, el plomo y el
zinc. Considerando que el mercurio metálico puede evaporarse a
temperatura ambiente, en las instalaciones de la industria de cloro-
soda la concentración de vapores de Hg puede estar entre 10 y 50
μg/cm3; también puede haber exposición a estos vapores en los
consultorios de los dentistas y en los talleres de los técnicos dentales
[42, 43].
Los compuestos de mercurio inorgánico están
presentes en algunos medicamentos, mientras
que en las exposiciones de origen industrial a esta
forma química son muy raras. Los compuestos
orgánicos son los que predominan en el ambiente,
se originan en la transformación de mercurio
inorgánico por los microorganismos para dar
compuestos alquilmercúricos, principalmente metilmercurio. Este
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 52/137
Revisión Teórica
32
compuesto se encuentra en los lagos, particularmente aquellos con pH
bajo y se biomagnifica a través de la cadena trófica. En peces se han
encontrado concentraciones altas de metilmercurio (>1 mg/Kg). La
principal fuente de exposición a metilmercurio son los alimentos, en
particular, los peces. Así ocurrió entre 1932 y 1970, en la Bahía de
Minamata, Japón, en donde los peces que se habían contaminado con
metilmercurio a través de la cadena trófica fueron consumidos en forma
crónica por los habitantes de la zona, lo que ocasionó la muerte a
centenares de personas y miles de intoxicados (ver Tabla 5).
Tabla 5 Concentración media de mercurio en las aguascontinentales
MEDIO O INDIVIDUO CONCENTRACIÓNAguas de lluviaAguas continentales
• No contaminadas• Poco contaminadas• Mineralizadas•
Próximas a yacimientos• Contaminadas
0,05-0,6 ppb
0,01-0,05 ppb0,05-0,2 ppb0,05-2 ppb1-150 ppb1,5-5 ppb
Efluentes Industriales• Antes del tratamiento• después del tratamiento
Efluentes conjuntos de diversas industrias
< 20 ppm100-500 ppb50-100 ppb
Acuíferos• No contaminados• Contaminados
•
Próximos a yacimientos
0,05 ppb Trazas
1-900 ppbAguas marinas
• No contaminadas•
Contaminadas0,01-0,2 ppb
> 0,2 ppbNormas para aguas potables
• OMS 1 ppbSedimentos de río no contaminadoSedimentos de río poco contaminadoSedimentos de río muy contaminado
0,05-0,5 ppm0,5-5 ppm10-50 ppm
Materia en suspensión•
Río no contaminado• Río poco contaminado• Río muy contaminado
0,03-0,3 ppm0,3-3 ppm5-30 ppm
Ictiofauna• Atún •
Pelágicas 0,3-0,4 ppm
0,1 ppmAves acuáticas (Anas platyrhynchos) 0,5 ppmFuente: Ingeniería del Medio Ambiente, 1999.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 53/137
Revisión Teórica
33
En Iraq también ocurrió un envenenamiento masivo, a causa del
consumo de pan hecho con granos que habían sido tratados con
metilmercurio como funguicida pre-emergente. En Nevada, EUA, a
principios del siglo XIX, hubo una descarga excesiva de Hg al río
Carson, la distribución del Hg a lo largo del tiempo ha contaminado un
área de alrededor de 500 m2 y, en la actualidad, los reservorios de agua
en la zona tienen concentraciones muy superiores a las que se
considerarían aceptables para la salud. Los principales vertidos de
mercurio al medio acuático provienen de la industria metalúrgica y
cloro-alcalina, así como de las aguas residuales domésticas. En América
Latina también ha habido problemas de contaminación con Hg, entre
ellas, en la bahía de Cartagena, Colombia; en el Lago de Managua,
Nicaragua y en las costas de Valencia, Venezuela. En todos estos casos
se trató de la entrada de mercurio metálico procedente de industrias de
cloro-soda de tecnología obsoleta, esto es, sin diafragma [44, 45, 46].
4.5 USOS DEL MERCURIO
Los usos del mercurio han ido disminuyendo en las últimas décadas,
siendo la preocupación por sus efectos tóxicos el impulso motor de
modificaciones en procesos y materias primas tendentes a reducir su
utilización.
La propiedad del mercurio de amalgamar a otros metales, como el
oro y la plata, y la facilidad de su separación posterior de la amalgama
por calentamiento y volatización del mercurio es el funcionamiento de
muchas aplicaciones históricas del mercurio, como el empleo en la
extracción de oro y plata, o en el dorado de objetos metálicos (ver Tabla
6). Esta operación se llevaba a cabo recubriendo el objeto a dorar con
amalgama de oro, tras lo cual se calentaba para evaporar el mercurio,
obteniéndose así una capa uniforme de oro sobre el objeto. De forma
similar, los espejos fabricados mediante amalgama de plata.
Tanto la industria extractiva, bien del propio mercurio como del oro
y la plata, como las distintas aplicaciones industriales de las
amalgamas fueron causa de numerosos casos de enfermedades
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 54/137
Revisión Teórica
34
profesionales. El uso del mercurio en la industria extractiva de los
metales nobles sigue siendo en la actualidad una práctica habitual en
países en vías de desarrollo [1, 10, 47].
Tabla 6 Actividades industriales que utilizan o producen mercurio yderivados
ACTIVIDAD PRODUCTO
Industria Farmacéutica
Hg2Br2 HgBr2 Hg2I2
Hg2(NO3)2
Hg(NO3)2 HgOSO4Hg.2HgO
SO4HgFitosanitarias, cerámicas, pirotécnica,
industrias químicasCl2Hg2
Pilas y baterías eléctricas HgO, Cl2HgÁcido cianhídrico, jabones, fotografía (CN)2Hg
Explosivos (CON)2Hg
Colorantes, sales de mercurio, oxidantes,cerámicas HgO, SHg
Pinturas marinas (A5O4)2Hg5
Agricultura, pinturas, productos químicos,pasta de papel
Compuestos orgánicosde Hg: metil,etilmercurio,
metoxietilmercurio,fenilmercurio
Fuente: Ingeniería del Medio Ambiente, 1999.
Otra aplicación del mercurio que ha experimentado un notable
descenso en los últimos años es su uso como funguicida (ver Tabla 7),
en forma de compuestos organomercuriales, para el tratamiento de
granos de cereal. En la actualidad, los usos más importantes del
mercurio se encuentran en la industria cloro-alcalina, con el uso del
cátodo de mercurio para el depósito electrolítico de sodio, la fabricaciónde pilas, lámparas fluorescentes y materiales para empates dentales [1,
10, 47].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 55/137
Revisión Teórica
35
Tabla 7 Mercurio incorporado al suelo a partir de algunosfunguicidas de uso común
PRODUCTOHg en el suelo a cabo de aprox. 36
días, en % en peso a partir del
primer día (100 mg/Kg de suelo)Cloruro de metilmercurio 86,2Acetato de etilmercurio 73,1
Diciandiamida demetilmercurio
89,9
Acetato de fenilmercurio 83,5Fuente: Ingeniería del Medio Ambiente, 1999.
4.6 TOXICOCINÉTICA
4.6.1 ABSORCIÓN
Por vía respiratoria, los vapores de mercurio se absorben a través de
las membranas alveolares, de donde pasan al torrente sanguíneo. La
absorción gastrointestinal y cutánea del mercurio elemental es muy
baja y la probabilidad de que se absorba por el tracto gastrointestinal es
de menos del 0,01%. Una vez en el torrente sanguíneo, el Hg puede ser
oxidado por los glóbulos rojos al catión divalente, o transportado a otros
tejidos, en donde es oxidado. La permeabilidad del mercurio elemental
en los lípidos es más alta que la de la forma ionizada y, en
consecuencia, el Hgº puede atravesar las barreras hemato-encefálica y
placentaria. La absorción gastrointestinal de sales de mercurio
(divalente o monovalente), a partir de los alimentos es de
aproximadamente el 20% del Hg ingerido, mientras que el 8% de la
dosis que se aplica sobre la piel es absorbida en un lapso de 5 horas
[10, 36].
4.6.2 DISTRIBUCIÓN Y DEPÓSITO
El mercurio inorgánico se distribuye entre los glóbulos rojos y el
plasma en proporciones aproximadamente iguales. En esta forma
química no puede atravesar las barreras hemato-encefálica ni
placentaria. El mercurio se acumula principalmente en el riñón, en
donde puede estar en forma soluble, o bien, unido a metalotieneína u
otras proteínas, en las áreas periportales se puede encontrar en
concentraciones elevadas. Asimismo, el mercurio tiene gran afinidad
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 56/137
Revisión Teórica
36
por células epiteliales como las del tracto gastrointestinal, el epitelio
escamoso del pelo y la piel y algunas glándulas como tiroides, páncreas,
glándulas sudoríparas, testículos y próstata [1, 10].
4.6.3 EXCRECIÓN
La eliminación del mercurio que fue absorbido (ya sea como vapores,
o como sales inorgánicas) es principalmente en la forma iónica, aunque
una pequeña proporción de los vapores de mercurio puede ser
eliminada con el aire exhalado. La mayoría de los compuestos iónicos se
excreta en las heces y por medio de la orina. La partición entre estas
dos rutas depende de la dosis; a medida que aumenta la dosis del
metal, se elimina una mayor proporción por la orina. La eliminación
también ocurre por las glándulas sudoríparas, lagrimales, mamarias y
por la bilis. El Hg es tomado de los capilares por las células basales del
túbulo proximal, transportado a través de las membranas celulares de
la pared tubular como complejos de aminoácidos, y transferido al lumen
tubular.
La distribución y excreción pueden ser representadas por el modelo
multicompartamental, con al menos dos velocidades de excreción: el
compartimiento cerebral que tiene una vida media de varios años, y el
resto del organismo, cuya vida media de excreción es de 60 días y
representa el 80% de la carga corporal de mercurio [10, 36].
4.7 EFECTOS ADVERSOS
Como ya se ha indicado, hay tres formas químicas en las cuales se
puede encontrar al mercurio: elemental, inorgánico y en compuestos
orgánicos. Ningún otro metal puede ilustrar mejor que el mercurio la
diversidad de efectos tóxicos que son causados por diferentes especies
químicas pues, dependiendo de su forma química y del tiempo de
exposición, se pueden presentar efectos agudos o crónicos del Hg sobre
la salud.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 57/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 58/137
Revisión Teórica
38
atribuido a interferencias con la síntesis de proteínas y con los procesos
de transmisión sináptica.
Tabla 10 Efectos de la intoxicación crónica con vapores demercurio sobre el sistema nervioso central
• Temblor•
Excitabilidad•
Irritabilidad•
Depresión
• fatiga•
Debilidad•
Pérdida de la memoria•
InsomnioFuente: Introducción a la toxicología ambiental, 1997.
4.7.2 MERCURIO INORGÁNICO
Aparentemente, las sales de mercurio tienen efectos tóxicos más
graves cuando son ingeridas en concentraciones mayores al 10%. Se ha
reportado un nivel letal de mercurio en sangre de humano de
aproximadamente 0,4ª 22 μg/ml. En una intoxicación aguda por sales
de mercurio, ya sea accidental o suicida, los síntomas se presentan en
dos fases y se resumen en la Tabla 11.
La exposición crónica a sales de mercurio ocasiona daños
principalmente en el riñón, en el nivel del glomérulo, en donde se
deposita, y causa proteinuria. Se ha determinado que la nefropatía
consta de dos fases: una primera caracterizada por una
glomerulonefritis, seguida de un aumento transitorio de complejos
inmunológicos en la sangre.
La exposición crónica a sales de mercurio ocasiona daño
principalmente en el riñón, en el nivel del glomérulo, en donde se
deposita, y causa proteinuria. Se ha determinado que la nefropatía
consta de dos fases: una primera caracterizada por una
glomerulonefritis, seguida de un aumento transitorio de complejos
inmunológicos en la sangre [10, 46].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 59/137
Revisión Teórica
39
Tabla 11 Síntomas de la intoxicación aguda por sales de mercurioPRIMERA FASE:• Ardor y dolor de pecho • Oscurecimiento de las membranas
de la mucosa • Dolor severo y necrosisgastrointestinal • Vómito• Severos dolores abdominales• Diarrea•
Salivación
• Taquicardia• Pulso débil
•
Palidez• Ulceración• Sangrado• Conmoción• Colapso circulatorio, y• Muerte
SEGUNDA FASE:• Estomatitis mercurial:o
Glositiso Gingivitiso Pérdida de los dienteso Necrosis mandibular
• Necrosis del túbulo proximal:o
Poliuriao Albuminuriao Cilindruriao Hematuriao
Anuria yo Acidosis renal
Fuente: Introducción a la toxicología ambiental, 1997.
4.7.3 MERCURIO ORGÁNICOEn términos de su toxicidad y sus efectos adversos sobre la salud, el
metilmercurio es la forma más importante de mercurio orgánico. Los
efectos del metilmercurio son básicamente neurotóxicos y genotóxicos.
Los principales síntomas clínicos de una intoxicación crónica por
metilmercurio se resumen en Tabla 12.
En una intoxicación aguda causada por metilmercurio se presentaedema cerebral con destrucción masiva de la materia gris, lo que causa
una atrofia total del cerebro y, subsecuentemente, la muerte [1, 10, 45].
Tabla 12 Síntomas de la intoxicación crónica metilmercurio • Parestesia con sensación de
entumecimiento y hormigueo en boca,
labios y extremidades • Ataxia • Dificultad en la articulación de las
palabras • Neurastenia
• Pérdida de la visión • Pérdida de la audición
•
Pérdida de la memoria• Cambios en la personalidad • Depresión e insomnio
Fuente: Introducción a la toxicología ambiental, 1997.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 60/137
Revisión Teórica
40
4.8 LÍMITES PERMISIBLES
El mercurio tiene todavía una variedad de aplicaciones, por lo que
hay una diversidad de industrias en las que los seres humanos pueden
estar expuestos a este metal y a partir de las cuales puede ocurrir su
liberación al ambiente. En consecuencia, en muchos países el mercurio
está sujeto a control por parte de las diversas agencias, desde las
encargadas de la seguridad ocupacional, hasta aquellas encargadas de
certificar la calidad de alimentos, medicamentos y cosméticos. La EPA
ha reportado que el contenido de mercurio en peces y ostras en los
Estados Unidos varía, en promedio, entre 100 y 200 ng/g. También ha
informado que el agua para beber en ese país contiene de 5-100 ng/l.
Internacionalmente se ha considerado que la concentración de Hg en el
agua de bebida no debe contener más de 2 mg Hg/Kg. Los niveles
permisibles para la exposición ocupacional por inhalación al metal se
han calculado, con base en la concentración que causa eretismo, en
0,05 mg/m3 [10, 37].
4.9 ESTUDIO DE CASO
En América del Sur, particularmente en Brasil, Venezuela y
Colombia, se presenta un problema de contaminación con Hg que data
de hace mucho tiempo. En la extracción de la plata y el oro se emplean
aproximadamente cantidades iguales de Hg y del metal precioso que se
extrae, por lo que, por cada Kg. de oro producido se liberan al medio
ambiente 0,8 Kg. de Hg. Se ha calculado que, entre 1570 y 1900, se
emplearon 594 toneladas de Hg para la extracción de la plata, de las
cuales del 60 al 65% se han liberado a la atmósfera. En la extracción
del oro, importante fuente económica de Brasil, se calcula que, tan solo
en 1989, hubo una emisión de 168 toneladas de Hg. Otros autores que
entre 1980 y 1986, en el área de Serra Pelada, la emisión fue de 590
toneladas de metal [38, 40].
La exposición al mercurio de los gambusinos y de los habitantes de
la zona puede ocurrir a través del proceso de extracción o mediante
otras vías como puede serla ingestión de la forma orgánica. En la
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 61/137
Revisión Teórica
41
extracción de oro o la plata, para separar el metal precioso se forma una
amalgama del mineral con el Hg, la cual posteriormente se quema, lo
que causa la liberación ambiental del Hg en forma de vapor. Si en este
proceso la ventilación es inadecuada (o, como es más común,
inexistente) los mineros pueden inhalar Hg, o bien, si los procesos
mineros son inadecuados, puede haber derrame de grandes cantidades
de mercurio a los ríos adyacentes, lo que causa la contaminación del
agua y/o de los peces y, eventualmente, de quienes lo ingieren [41].
Se ha determinado que la cantidad de Hg en peces de consumo
humano en un reservorio de agua cercano a una planta hidroeléctrica
en Tucuruí, Brasil es del orden de hasta 2,5 mg/Kg, el cual es muy
superior al valor límite de seguridad para consumo de peces que se ha
establecido en 0,5 mg/Kg. También se encontraron valores elevados de
mercurio en peces en otras áreas del Amazonas, en comparación con
los valores encontrados en otros países, aún en lugares en donde se ha
registrado contaminación con el metal, como Canadá [10, 38].
Se ha considerado que la principal fuente de contaminación con Hg
en la población humana de la zona es el consumo de peces, pues éstos
son la única fuente de proteínas para algunos grupos, sobre todo, las
familias de pescadores. Desde luego, la cantidad de Hg presente en
estas personas depende del tipo de pez y del consumo semanal. En
estudios realizados sobre la cantidad de mercurio presente en el pelo en
habitantes de áreas del Brasil muy cercanas a regiones mineras, se
encontró que estos valores eran elevados, del orden de 0,25 hasta 69
mg/Kg. Aunque en algunos casos los niveles son elevados, en las
personas que participaron en el estudio no se observaron los síntomas
típicos de intoxicación crónica con metilmercurio, como trastornos
sensoriales, constricción del campo visual y temblor de manos. Sin
embargo, se encontró que los hijos de madres cuya concentración de Hg
durante el embarazo fue incluso menor de 20 mg/Kg, presentaron
retardo psicomotor. No obstante los datos sobre los niveles de Hg
presentes en la zona, aún no se han detectado los efectos de una
exposición crónica y los habitantes de la región del Amazonas y las
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 62/137
Revisión Teórica
42
áreas mineras cercanas se encuentran ante la amenaza de una
intoxicación crónica con metilmercurio cuyas consecuencias son
impredecibles [10, 48].
5. INTERCAMBIO IÓNICO
5.1 RESUMEN HISTÓRICO
Hoy día la mayoría de las aplicaciones de intercambio iónico está
basado en la utilización de resinas sintéticas, aún cuando el fenómeno
de intercambio iónico ocurre con un gran número de sólidos naturales
tales como: suelos, humus, celulosa, lana, carbón, lignina, carbón
activo, óxidos metálicos y células vivientes como algas y bacterias [49].
La ciencia de intercambiar un ion por otro empleando una matriz es
una metodología antigua. Ya en la Biblia, Moisés emplea la corteza de
un árbol para obtener agua potable a partir de agua salobre (Éxodo 15,
23-25). La historia sobre la utilización de sólidos naturales y arcillas en
la desmineralización del agua para consumo humano se remonta a los
tiempos de la antigua Grecia; Aristóteles menciona que haciendo pasar
agua de mar a través de un recipiente de cera se obtiene agua dulce
[50, 51, 52]. La palabra Zeolita proviene de dos palabras griegas Zein
que significa en ebullición, hirvientes, calientes y lithos que significa
piedra, así Zeolita etimológicamente indica Piedra Hirviente. Los indios
norteamericanos calentaban ciertos sólidos para los baños de
purificación por el agua saturada o vapor de agua que desprendían [53].
En el año de 1756, el geólogo suizo Cronstedt experimentó con
algunos minerales naturales mediante fuerte calentamiento, estos se
hinchaban y desprendían agua de hidratación o vapor de agua. Agua de
hidratación es el agua químicamente combinada con una sustancia
para formar un hidrato y que puede separarse por calentamiento sin
alterar esencialmente la composición de la sustancia. En la Tabla 13,
se presentan las fórmulas de zeolitas naturales, que son Silicatos
doblemente hidratados compuestos de un óxido-alcalino o un óxido
alcalino-terreo, alumina, silica y agua. Las fórmulas siguen las
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 63/137
Revisión Teórica
43
proporciones: un mol del óxido-alcalino o alcalino-terreo, un mol de
alumina, dos a diez moles de silica y dos a seis moles de agua [53].
Tabla 13 Fórmulas de Zeolitas NaturalesNombre Formula
Tomsonita (Na2O, Ca O) . Al2O3 . 2SiO2 . 2½ H2 ONatrolita Na2O . Al2O3 . 3SiO2 . 2 H2O
Laumontita CaO . Al2O3 . 4SiO2 . 4H2OHarmotoma (BaO , K2O) . Al2O3 . 5SiO2 . 5H2O
Stilbita (Na2O , Ca O) . Al2O3 . 6SiO2 . 6H2OBrewsterita (BaO , SrO , Ca O) . Al2O3 . 6SiO2 . 5H2O
Ptilotita (CaO , K2O , Na2O) . Al2O3 . 10SiO2 . 5H2O
Las propiedades como intercambiadores iónicos de algunas arcillas y
minerales se conocen desde el siglo XIX y se atribuye la primera
observación del fenómeno a Thompson y Way, cuyos estudios con
distintas muestras de suelos agrícolas fueron publicados en 1850. En
sus experimentos pasaron una disolución de sulfato o nitrato amónico a
través de diversas muestras de arcilla procedente de suelos agrícolas,
observando que el filtrado obtenido contenía iones calcio en lugar de
iones amonio. Esta afinidad de algunos suelos por el ion amonio frente
otros cationes, en este caso el calcio, los hacía más adecuados para su
uso agrícola. La importancia de estos resultados en cuanto al fenómeno
de intercambio iónico, no fue comprendida en su totalidad hasta que
Henneberg, Stohmann y Eichhorn, demostraron la reversibilidad del
proceso en 1858 [54, 55, 56].
En 1818, el químico alemán J.N. Fuchs descubrió que cuando
mezclaba soluciones de Aluminato de Sodio y Silicato de Sodio se
formaba un precipitado que contenía además de Alumina y Silica, Soda
(Na 2O ), en otras palabras una zeolita sintética de Sodio se había
producido. En el año de 1858, el químico alemán H . Eichhorn demostró
las propiedades de intercambio reversible de las zeolitas naturales,
encontró que una zeolita de sodio podría ser cambiada a una zeolita de
calcio simplemente colocando la zeolita en contacto con una solución de
calcio y la su vez la zeolita de calcio tomaría la forma de la zeolita de
sodio, en contacto ésta con una solución de sodio [53].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 64/137
Revisión Teórica
44
Otros investigadores como J. Lemberg en 1876 demostraron la
reversibilidad y estequiometría del mineral Leucita a Analcita por
tratamiento con solución de Cloruro de Sodio y el proceso de conversión
de Analcita a Leuci ta por tratamiento con cloruro de Potasio. Así,
K O Al O S O Na O Al O S Oi i
KCl
NaCl
2 2 3 2 2 2 3 24 4. . . .← ⎯ ⎯⎯
⎯ → ⎯⎯
Leucita Analcita
Los resultados de Lemberg estimularon la utilización deAluminosilicatos Naturales o Zeolitas para ablandamiento de aguas y
dio origen a la síntesis de Aluminosilicatos. De hecho, las zeolitas son
un ejemplo clásico de minerales con capacidad intercambiadora, y ya en
1927 se empleo la primera columna de zeolita mineral para eliminar
iones calcio y magnesio que interferían en la determinación del
contenido en sulfato del agua [54, 55].En 1905, Gans modificó minerales naturales denominándolos
permutitas, silicatos de sodio y aluminio sintéticos, que fueron las
primeras sustancias empleadas en la eliminación de la dureza del agua.
No obstante estos compuestos tenían en su contra que mostraban
capacidades de intercambio bajas (aunque su velocidad de regeneración
era rápida) y que por debajo de pH 7 se disolvían en agua. Fueronutilizados durante cerca de catorce años y luego se abandonaron debido
a sus limitaciones hasta 1950 que volvieron a utilizarse [54, 55].
Una etapa intermedia en la evolución del intercambio iónico fue el
reconocimiento de las propiedades intercambiadores de varios
materiales orgánicos, como el carbón sulfonado. Este material
presentaba un grupo funcional capaz de intercambiar cationes de modoreversible y además operaba en un rango de pH mayor que los silicatos
de aluminio, de 1 a 10, por lo que resultaba ser aplicable a un número
mayor de procesos industriales. El inconveniente del carbón sulfonado
era que su capacidad de intercambio era aun menor que la de los
silicatos de aluminio [54, 55].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 65/137
Revisión Teórica
45
El aporte más importante al desarrollo del intercambio iónico fue la
síntesis de resinas orgánicas, realizada en 1935 por los químicos Basil
Adams y Eric Holmes del Departamento de Investigación Científica e
Industrial (Reino Unido). Ellos desarrollaron polímeros orgánicos que
imitaban a las zeolitas mediante la reacción de condensación entre el
fenol y formaldehído; sustituyendo el fenol por derivados de éste, como
fenoles polihídricos o por diaminas aromáticas, se dio paso a las resinas
de intercambio catiónicas o aniónicas, lo cual condujo al desarrollo de
procesos de síntesis de resinas de intercambio iónico. Posteriormente,
Holmes produjo una resina catiónica fuerte a partir del ácido
fenolsulfónico. Las primeras resinas Amberlita (Rohm and Hass) y
Dowex se basaban en esta química [54, 55].
A finales de la II Guerra Mundial, se desarrollaron polímeros
intercambiadores de iones sintetizados mediante reacciones de adición,
cuya estabilidad química y térmica era mayor que las resinas de
condensación. El pionero de este trabajo fue Gaetano D'Alelio, que
incorporó grupos de ácido sulfónico a un polímero de estireno
entrecruzado con divinilbenceno (copolímero estireno-divinilbenceno),
dando lugar a las resinas catiónicas de ácido fuerte. Unos años más
tarde, en 1947, McBurney produjo las resinas aniónicas de base fuerte,
cuyo grupo funcional era un amino cuaternario. El uso del copolímero
estireno-divinilbenceno como matriz para enlazar grupos con capacidad
intercambiadora, supuso una tremenda expansión en los procesos de
intercambio iónico. De hecho, la mayoría de las resinas que se emplean
actualmente tienen como matriz este copolímero, cuya síntesis es
mostrada en la Figura 3 [54, 55].
Un paso más en el desarrollo de los intercambiadores iónicos fue la
búsqueda de especificidad. En 1948, Skogseid produce la primera
resina específica para un metal, potasio, y a partir de este momento los
investigadores basaron sus esfuerzos en incorporar a la matriz de la
resina distintos grupos funcionales que aumentasen su selectividad por
un determinado compuesto, desarrollando así las resinas quelatantes
[55].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 66/137
Revisión Teórica
46
Figura 3. Síntesis del copolímero estireno-divinilbenceno
Desde entonces se ha continuado la investigación y el desarrollo ennuevas estructuras poliméricas (macroporosas, poliacrílicas, tipo gel)
dando lugar a una serie de modernas resinas de intercambio iónico,
cuyo empleo en el campo de aplicaciones industriales ha sido enorme
[54].
Figura 4. Intercambio Iónico en ColumnaImagen cedida por el Grup de Técniques de Separació en Química, GTS, del
dept. de Química de la Universitat Autónoma de Barcelona (UAB)
5.2
INTERCAMBIO IÓNICO. DEFINICIÓN
El intercambio iónico puede definirse como un proceso reversible,
en el cual se intercambian iones entre un sólido y un líquido [57]. Es un
proceso en el cual iones unidos a grupos funcionales cargados sobre la
superficie del intercambiador, son intercambiados por iones de carga
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 67/137
Revisión Teórica
47
similar contenidos en una solución donde el
intercambiador está inmerso (ver Figura 4). También es
un proceso de separación basado en la preferencia del
intercambiador por determinado ion presente la fase
líquida [53]. El intercambio iónico es una reacción
química reversible, que tiene lugar cuando un ion de una
disolución se intercambia por otro ion de igual signo que se
encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Este proceso tiene
lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica
como en las células vivas [55].
5.3
TIPOS DE INTERCAMBIADORES IÓNICOS
Los intercambiadores iónicos forman un grupo de materiales muy
heterogéneo, cuya única característica común es que contienen una
carga eléctrica fija capaz de enlazar a iones de carga opuesta. Se
dispone de tres (3) tipos de intercambiadores iónicos: Intercambiador
Natural, Intercambiador Inorgánico Sintético e Intercambiador
Orgánico Sintético [53].
5.3.1
INTERCAMBIADOR IÓNICO NATURAL
La mayoría de los sólidos encontrados en la naturaleza tienen
propiedades de intercambio iónico, ejemplos de ello son los suelos,
óxidos metálicos, carbones, aluminosilicatos o zeolitas [53]. La mayoría
de los minerales naturales de intercambio iónico son aluminosilicatos
cristalinos con propiedades de intercambio catiónico; la carga es
balanceada por los cationes alcalinos, los cuales no ocupan posiciones
fijas para moverse libremente en los canales de la estructura cúbica y
pueden reemplazarse por otros cationes [58].
Las zeolitas y las arcillas son minerales de aluminosilicatos
ampliamente distribuidos en la corteza terrestre. Algunas proceden de
la erosión de las rocas, otras aparecen como depósitos sedimentarios y,
por último, algunas tienen origen volcánico. Las zeolitas son sólidos
microporosos con una estructura cristalina bien definida [59, 60].
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 68/137
Revisión Teórica
48
La unidad constructora básica es el tetraedro TO4
(donde T=Si, Al, B, Ga, Ge, P...) cuya unión
tridimensional a través de los átomos de oxígeno da
lugar a la estructura poliédrica típica de las zeolitas
[61]. Esta estructura tridimensional presenta pequeños poros y canales
en los que se alojan los iones intercambiables y donde tiene lugar la
reacción de intercambio iónico. Las unidades TO4 más comunes son
SiO4-4 y AlO4-5. La formula general de las zeolitas se puede escribir
como:
Ma/n[(AlO2)a(SiO2)b]·xH2OLa capacidad de intercambio de cationes de las zeolitas proviene de
la carga negativa que lleva asociada la unidad AlO4. Cuando n Al3+
sustituyen a Si4+, es necesario un contracatión Mn+ para neutralizar la
carga negativa resultante. El contracatión M suele ser el ion Na+ o H+
(en cuyo caso la zeolita constituye un ácido sólido) y tienen la
particularidad de ser fácilmente reemplazables por otros cationes que
puedan difundir a través de los canales de la zeolita [59, 61].
Las arcillas minerales son aluminosilicatos estructurados en capas
bidimensionales. Están formadas por una capa resultado de combinar
tetraedros de SiO4 y otra capa resultado de combinar octaedros de Al
unido a seis oxígenos o a seis grupos OH. Ambas capas se unen entre sí
compartiendo oxígenos. La capacidad de intercambiar cationes es
resultado de la sustitución del Si4+ por el Al3+ en la capa tetraédrica, lo
cual supone un exceso de carga negativa que es contrarrestado por
cationes susceptibles de ser reemplazados [59, 61]. Las zeolitas tienen
una estructura de poro rígida, mientras que las estructuras en capa de
las arcillas minerales tienen cierta elasticidad dependiendo de la forma
iónica en que se encuentre el mineral. En ambas, zeolitas y arcillas, las
propiedades de intercambio iónico se basan principalmente en la
densidad de carga y en el tamaño de poro [61].
También existen varios polímeros naturales que actúan como
intercambiadores iónicos, entre ellos: celulosa, ácido algínico, chitina,
chitosan, dextrano y agarosa, y también derivados de éstos. Chitina y
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 69/137
Revisión Teórica
49
chitosan son dos polisacáridos naturales que han mostrado excelentes
propiedades en la fijación de metales. La chitina es un polímero lineal
de alto peso molecular de la N-acetil-D-glucosamina, que abunda en las
paredes celulares de algunos hongos y en el caparazón de crustáceos
como cangrejos, langostas y langostinos; el chitosan es un derivado de
la chitina que se obtiene por hidrólisis de esta última, y consiste en
uniones de D-glucosamina [61]. La presencia de nitrógeno en su
estructura hace que sean susceptibles de emplearse como polímeros
quelatantes de metales (ver Figura 5).
Figura 5 Estructura del chitosan
El ácido algínico es un polisacárido lineal formado por dos
monómeros, el ácido D-manurónico y el ácido L-gulurónico. Es un
componente del esqueleto de las algas pardas, de donde se aísla. Debido
a esta función de soporte, el ácido algínico destaca por ser un polímero
fuerte y a la vez flexible, propiedad que ha determinado sus aplicaciones
industriales. El ácido algínico puede ser soluble o insoluble en agua
dependiendo del catión al cual se asocie su sal. Las sales sódicas,
amónicas o de otros metales alcalinos son solubles, mientras que las
sales de metales polivalentes, como calcio, son insolubles, con la
excepción del magnesio. Los cationes polivalentes se unen al polímero
allí donde encuentran dos residuos de ácido gulurónico cercanos, por lo
que se considera que estos cationes son los responsables del
entrecruzamiento de la cadena polimérica. Esta afinidad por los
cationes polivalentes unida a la insolubilidad del polímero resultante,
indican su posible aplicabilidad como extractante de metales [59, 60].
Los polisacáridos dextrano y celulosa son polímeros de D-glucosa,
(1-6)-glucosa y b(1-4)-glucosa respectivamente. La agarosa es un
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 70/137
Revisión Teórica
50
polisacárido preferentemente neutro y es el componente que determina
el poder gelificante del agar. Consiste en cadenas alternadas de D-
galactosa-3,6-3,6-anhidro-L-galactosa. La celulosa natural tiene
propiedades intercambiadoras debido al pequeño número de grupos
carboxilo que contiene su estructura. Se emplea como estructura base
para dar lugar a intercambiadores catiónicos, como la
carboximetilcelulosa, o aniónicos, como la dietilaminoetil (DEAE)
celulosa. El dextrano se hace reaccionar con epiclorhidrina que actúa
entrecruzando las cadenas para dar polímeros de estructura
tridimensional [59, 60].
Se recomiendan y son efectivos los intercambiadores iónicos
naturales para soluciones con pH próximas a 7 (condición que podría
conseguirse en la naturaleza), por ejemplo, en el tratamiento de agua
de ríos para usos industriales, aunque en general exhiben baja
capacidad y poca resistencia a la abrasión [53].
5.3.2 INTERCAMBIADOR INORGÁNICO SINTÉTICO
Se preparan por métodos de fusión y precipitación a partir de
mezclas conteniendo sílica, alúmina, álcalis o componentes similares
obteniéndose aluminosilicatos sintéticos cristalográficamente amorfos
pero con propiedades de intercambio iónico. En años recientes, se han
sintetizado zeolitas con estructura cristalina regular por el método de
preparación hidrotermal que incluye cristalización a elevadas
temperaturas a partir de soluciones de sílica, alúmina y álcalis; la
estructura porosa de la zeolita actúa como tamiz molecular y además
exhibe selectividad o intercambio preferencial por determinado ión. La
mayoría de las zeolitas muestran marcada selectividad para cationes
monovalentes sobre los cationes divalentes y en general los
intercambiadores orgánicos prefieren iones de carga mayor [58]. Se
recomienda el uso de aluminosilicatos sintéticos para soluciones con
pH entre 7 a 12, a pH > 12 se disuelven y si el pH < 7 se origina una
perdida gradual de la capacidad de intercambio iónico y degradación de
la estructura cristalina. Se han reportado algunas aplicaciones en la
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 71/137
Revisión Teórica
51
remoción de amonio en aguas residuales usando zeolitas tipo LINDE W
y en la remoción de durezas usando zeolitas tipo LINDE A [53].
5.3.3
INTERCAMBIADOR ORGÁNICO SINTÉTICOSe obtienen por copolimerización (Estireno con Divinilbenceno)
formando así una red tridimensional de alta resistencia mecánica y la
incorporación de los grupos iónicos por sulfonación o aminación. Son
polímeros orgánicos sintéticos que presentan una estructura
tridimensional. Debido a su alta estabilidad mecánica y química son
prácticamente insolubles en cualquier solvente. Poseen una matriz de
hidrocarburos representada por grupos polares funcionales fijos y
grupos ionizables unidos a ella. Cada grupo polar tiene un ión unido
químicamente a la matriz de la resina, el otro es sostenido solamente
por fuerzas electrostáticas y está libre para intercambiar con iones del
mismo tipo de carga, que se encuentren en la solución, en la cual esta
colocada la resina [57].
El desarrollo de las resinas sintéticas comenzó con la síntesis de las
mismas mediante polimerización por condensación (fenol-
formaldehído, epiclorhidrina-amina) y, posteriormente, se sintetizaron
mediante polimerización por adición . La mayoría de las resinas
comerciales están basadas en la estructura estireno-divinilbenceno ,
debido a su buena resistencia química y física y a su estabilidad en
todo el rango de pH y a la temperatura. También se emplean matrices
poliméricas basadas en el ácido acrílico o metacrílico [63]. Las
Figuras 6 y 7 ilustran ambos tipos de síntesis.
Figura 6 Policondensación entre fenol y formaldehído
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 72/137
Revisión Teórica
52
Figura 7 Polimerización entre el divinilbenceno y el ácidometacrílico
En el proceso de fabricación de la matriz polimérica , el estireno
y divinilbenceno, que son insolubles en agua, se mezclan mediante un
agitador a una velocidad que rompe la mezcla en pequeñas esferas.
Estas esferas a medida que transcurre la reacción se endurecen
formando perlas esféricas, que es la forma en la
que se suelen presentar estas resinas. En este
punto, el copolímero no esta funcionalizado. El
entrecruzamiento confiere a la resina estabilidad
y resistencia mecánica, así como insolubilidad. El
grado de entrecruzamiento es un factor importante de controlar ya que
no sólo determina las propiedades mecánicas de la resina, sino también
su capacidad de hincharse (swelling) y de absorber agua.
El hinchado del polímero se produce cuando el disolvente penetra en
los poros de la estructura polimérica, ensanchándolos y abriendo, por
tanto, la estructura. A simple vista, se observa un aumento en el
volumen que ocupa la resina. Este proceso favorece la permeabilidad de
iones en la matriz de la resina y mejora la accesibilidad a los grupos
funcionales. Como inconveniente, el aumento de tamaño de la resina
puede dar problemas de exceso de presión si la resina está
empaquetada en una columna y adicionalmente el que la resina sufra
procesos de hinchado y deshinchado puede, con el tiempo, afectar a la
estabilidad mecánica del polímero [63, 64].
Hay dos formas de obtener una resina de intercambio iónico
funcionalizada:
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 73/137
Revisión Teórica
53
1. Incorporar el grupo funcional durante la polimerización, por ejemplo
empleando monómeros ya funcionalizados.
2. Primero se lleva a cabo el proceso de polimerización y después de
introducen los grupos funcionales sobre la matriz polimérica mediante
las reacciones químicas oportunas, como sulfonación o cloración-
aminación.
A pesar de que con el primer proceso se obtiene resinas más
homogéneas, las limitaciones que provoca el entrecruzamiento hacen
que el proceso más utilizado sea el segundo. Sobre los polímeros ya
funcionalizados pueden realizarse otras reacciones químicas para
obtener resinas con grupos funcionales más específicos que permitan
aplicaciones más concretas. Las resinas pueden clasificarse en función
de la estructura de la red polimérica y el tipo de grupo funcional
[63, 64].
5.3.3.1 Tipos de resinas de intercambio iónico según suestructura de red:
•
Tipo gel: También conocidas como resinas microporosas ya que
presentan tamaños de poro relativamente pequeños. En estas resinas el
fenómeno de hinchamiento es muy importante, ya que se hinchan en
mayor o menor medida en función del porcentaje de agente
entrecruzante empleado durante la polimerización y del disolvente en el
que se encuentre la resina. Por ejemplo, una resina con baja proporción
de divinilbenceno se hinchará mucho en disolución acuosa, abriendo
ampliamente su estructura, lo cual permitirá la difusión de iones de
gran tamaño.
•
Resinas macroporosas: También llamadas macroreticulares.
Durante la síntesis de estas resinas a partir de sus monómeros, se
utiliza un co-solvente que actúa interponiéndose entre las cadenas
poliméricas creando grandes superficies internas. Este disolvente se
elimina una vez formada la estructura rígida del polímero. Las perlas
tienen una relación área/volumen mayor que las resinas tipo gel, y por
tanto, mayor capacidad de intercambio. La estructura macroreticular
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 74/137
Revisión Teórica
54
favorece la difusión de los iones, mejorando por tanto la cinética de
intercambio.
•
Resinas isoporosas: Se caracterizan por tener un tamaño de poro
uniforme, con lo que aumenta la permeabilidad de los iones en el
interior de la red. Son resinas de alta capacidad, regeneración eficiente
y de costo más bajo que las resinas macroporosas.
5.3.3.2 Tipos de resinas de intercambio iónico según el grupo
funcional
Se han desarrollado una gran variedad de resinas catiónicas y
aniónicas, de alta capacidad y selectividad.
•
Resinas Catiónicas: Son aquellas resinas que llevan unido a la
cadena de hidrocarburos grupos funcionales tales como: sulfonato,
carboxilato, fenolato, fosfonato, fosfinato y otros. La carga negativa del
grupo funcional es compensada por cargas positivas de un número
estequiométricamente equivalentes de cationes móviles conocidos como
contra-ión. Dentro de la matriz el contraión puede intercambiarse por
otros iones tomados de la solución que rodea a la resina [29]. Pueden
dividirse en:
Resinas catiónicas de ácido fuerte: Se producen por sulfonación del
polímero con ácido sulfúrico. El grupo funcional es el ácido sulfónico, -
SO3H
Resinas catiónicas de ácido débil: El grupo funcional es un ácido
carboxílico -COOH, presente en uno de los componentes del copolímero,
principalmente el ácido acrílico o metacrílico [63, 64].
•
Resinas Aniónicas: Contienen grupos funcionales básicos adheridos
a la molécula del polímero, éstos son generalmente aminas [29]. Pueden
dividirse en:
Resinas aniónicas de base fuerte : Se obtienen a partir de la reacción
de copolímeros de estireno-divinilbenceno clorometilados con aminas
terciarias. El grupo funcional es una sal de amonio cuaternario, R4N+.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 75/137
Revisión Teórica
55
Resinas aniónicas de base débil: Resinas funcionalizadas con grupos
de amina primaria, -NH2, secundaria, -NHR, y terciaria, -NR2. Suelen
aplicarse a la adsorción de ácidos fuertes con buena capacidad, pero su
cinética es lenta [63, 64].
• Resinas Anfotéricas: Estos tipos de resinas se caracterizan por
contener tanto grupos catiónicos como aniónicos [53]. En estas resinas
el grupo funcional tiene las propiedades de un reactivo específico, ya
que forman quelatos selectivamente con algunos iones metálicos. Los
átomos más frecuentes son azufre, nitrógeno, oxígeno y fósforo, que
forman enlaces de coordinación con los metales. Sus ventajas sobre las
demás es la selectividad que muestran hacia metales de transición y
que el carácter de ácido débil del grupo funcional facilita la
regeneración de la resina con un ácido mineral. No obstante son poco
utilizadas en la industria por ser más caras que las anteriores y por
tener una cinética de absorción más lenta. La resina quelatante más
conocida tiene como grupo funcional el ácido iminodiacético, cuya
fórmula puede verse en la Figura 8 [59, 60].
Figura 8 Resina Anfotérica cuyo grupo funcional es el ácidoiminodiacético
Es importante considerar que la obtención de resinas se logra por
dos procedimientos de síntesis [53]:
1. Polimerización de un electrolito orgánico y un agente de
entrecruzamiento (monómero).
2. Copolimerización de monómeros, seguido de un proceso de
sulfonación (uso de ácidos) o un proceso de aminación (uso de aminas).
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 76/137
Revisión Teórica
56
5.4 CARACTERÍSTICAS DEL INTERCAMBIO IÓNICO
De manera general, se pueden agrupar las siguientes características
del Intercambio Iónico [53]:
1) El intercambio iónico es estequiométrico y
reversible, por cada equivalente gramo del
ión que la resina o zeolita toma, ésta
desprende el equivalente del contraión hacia
la solución.
2) Todos los compuestos que sean ionizables en un medio liquido,
pueden tener reacción de intercambio iónico, cuanto mayor sea la
ionización mayor será la velocidad de intercambio iónico.
3) Todos los sitios activos de los grupos funcionales son sitios de
intercambio iónico o sea en todas las partes donde existen el grupo
funcional existe el intercambio iónico, en razón de la capacidad de
intercambio, las resinas exhiben capacidades entre 2 a 10 meq/g;
cuanto mayor sea la capacidad de la resina menor será la cantidad de
resina requerida.
5.5
PROPIEDADES DE LAS RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
Las propiedades de las resinas de intercambio iónico, dependen de la
naturaleza y número de grupos funcionales del grado de ionización, del
tipo y extensión de los enlaces de entrecruzamiento en la matriz y de la
configuración de los grupos funcionales [65].
5.5.1 HINCHAMIENTO
Al poner en contacto una resina de intercambio iónico con agua, ella
se expande o se hincha. Las fuerzas elásticas de la estructura de la
matriz se oponen a las fuerzas de alargamiento y así previenen unhinchamiento más allá de ciertos límites. El hinchamiento está
directamente relacionado con la capacidad de intercambio y con la
disociación del grupo funcional e inversamente con el número de
enlaces cruzados.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 77/137
Revisión Teórica
57
5.5.2 CAPACIDAD
Se define como el número de grupos funcionales por unidad de peso
o por unidad de volumen de la resina de intercambio. Generalmente la
capacidad se expresa en meq/g de resina completamente seca o
meq/cm3 para un lecho de resina hinchada. Resinas con grupos
fuertemente ácidos o básicos se encuentran en la práctica,
completamente ionizadas, así la capacidad de la resina permanece
constante sobre un amplio rango de pH. Tales grupos son capaces de
remover iones de sales neutras tales como NaCl, CaCl2, etc. La
capacidad para resinas con grupos débilmente ácidos o básicos se ve
afectada por el pH de la solución en contacto, la captación total de
cationes y aniones por estos grupos, solo puede alcanzarse en
soluciones fuertemente alcalinas o ácidas, respectivamente, además no
son capaces de remover iones de sales neutras.
5.6
MAGNITUD DEL INTERCAMBIO IÓNICOEl intercambio preferencial de los iones por parte de las resinas,
dependen de una variedad de factores entre los cuales se encuentran:
[66, 67]
5.6.1 NATURALEZA DE LOS IONES
A igualdad de otros factores, a mayor carga de ión, más fuertemente
es absorbido. Los iones trivalentes de las tierras raras son sorbidos
más fuertemente que el calcio por una resina de intercambio catiónico,
y el calcio es sorbido más fuertemente que los iones de los metales
alcalinos.
5.6.2 TAMAÑO DEL IÓN HIDRATOLa porción aumenta a medida que disminuye el volumen del ión
solvatado, en general la porción aumenta a medida que disminuye la
hidratación del ión y aumenta su polaridad.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 78/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 79/137
Revisión Teórica
59
completar la capacidad total ya que pueden no penetrar dentro de la
estructura de la resina y serían retenidos sólo en la superficie externa;
en soluciones diluidas los iones que transportan alta carga (mayor
valencia) son retenidas más fuertemente que los iones de más baja
carga, por ejemplos:
PO SO Cl 4 4
≡ =
> >
Similarmente para una serie de cationes
Th Nd Ca Na
> > >
4 3 2
En general, cuanto mayor es la polarizabilidad y menor su grado de
hidratación, más fuerte será la retención por la resina. Así, para un
sistema iónico en agua, la resina prefiere el ion del más bajo radio
hidratado. En una serie de iones de igual carga, el ion con el más
pequeño radio en la fase acuosa es sostenido más herméticamente por
la resina. El orden de preferencia para los metales alcalinos es:
C Rb K Na LiS
> > > >
y para los metales alcalinos térreos
Ba Sr Ca Mg Be
> > > >
Se observa que la preferencia aumenta con el incremento del
número atómico en cada serie, con el incremento del radio iónico, pero
con el decrecimiento del radio hidratado. Similarmente, para una serie
de aniones monovalentes, el orden de preferencia es:CIO I NO Br Cl CH COO OH F 4 3 3
> > > > > > >
Entre los factores relativos a la naturaleza de la resina
intercambiadora, el grupo funcional exhibe una escala selectiva por la
asociación fuerte entre determinado ion con los grupos iónicos fijos. Las
resinas conteniendo grupos débilmente ácido y débilmente básico son
altamente selectivos en su comportamiento hacia los iones hidrógeno H +
e hidroxilo OH -. Muchas resinas que contienen grupos funcionales
quelatos, presentan pronunciada selectividad por los iones metálicos
del grupo de transición por ejemplo, los iones Cu ++ son retenidos por
resinas aniónicas débilmente básica conteniendo grupos aminos los
cuales pueden formar complejos. Una resina sulfónica prefiere otros
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 80/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 81/137
Revisión Teórica
61
solución aumentará ligeramente. Un efecto similar es observado si otros
solutos están presentes que puedan formar complejos con los iones en
la resina y el efecto contrario será observado si los complejos son
formados con los iones intercambiantes presentes en la solución [53].
5.8 MÉTODOS PARA DETERMINAR EQUILIBRIO
Varios métodos han sido utilizados para obtener datos de equilibrio
para sistemas de intercambio iónico binario:
5.8.1 MÉTODO DE CARGASimplemente consiste en mezclar una cantidad de resina con un
volumen de solución hasta que la condición de equilibrio sea alcanzada
bajo agitación y control de temperatura; una vez alcanzado el equilibrio,
las composiciones del intercambiador y de la solución son determinados
por análisis de las fases separadamente y el balance de materiales
puede ser usado entonces como chequeo de la precisión experimental.El método de carga para la obtención de la data de equilibrio debe ser
aproximado en ambas direcciones de intercambio para mayor precisión
y en particular en zeolitas inorgánicas que exhiben histéresis durante el
proceso de intercambio iónico.
La desventaja de este método es la imposibilidad de predecir el valor
de la fracción iónica equivalente de un ion dado en solución, de modoque es necesario realizar varios experimentos para registrar un cierto
rango de la composición iónica. La obtención de muchos puntos de
equilibrio con la misma muestra de resina introduce serios errores por
pérdida de la capacidad de resina durante los experimentos. Por otro
lado, la utilización de diferentes muestras para la obtención de
diferentes puntos de equilibrio introduce la posibilidad de que lavariabilidad del material de intercambio iónico genere dispersión en los
resultados.
El grado de intercambio depende de la cantidad de resina y del
coeficiente de selectividad. En la medida que la selectividad de la resina
por el ion a ser removido sea alta, la operación por carga permite
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 82/137
Revisión Teórica
62
utilizar la capacidad remanente de la resina. De otra manera se requiere
que el ion desprendido por la resina sea concurrentemente removido
desde la solución. Ejemplo de lo anterior podría ocurrir cuando los
iones desprendidos sean iones H + o OH - y se combinen con iones OH - o
H + respectivamente para formar H 2O ; otro ejemplo es una reacción en la
cuál el ion desprendido es precipitado desde la solución [53].
5.8.2 MÉTODO PROGRESIVO DE CARGA
Es un método donde una sola muestra del intercambiador iónico es
utilizada para obtener muchos puntos de equilibrio. Esto involucramezclar el intercambiador con solución de composición progresivamente
cambiante, permitiendo que el equilibrio ocurra entre los cambios
sucesivos. Este método es de fácil aplicación empezando con el
intercambiador en equilibrio con un tipo de ión, entonces se reemplaza
alícuotas de la solución con solución conteniendo el otro tipo de ión.
Después de cada punto de equilibrio, la solución es analizada y lacomposición de la resina se obtiene por balance de materiales. Este
método utiliza una sola muestra del intercambiador, pero el balance de
materiales es usado para estimar la composición en la resina y así no es
disponible como una medida de la precisión, los errores tenderán
acumularse con el curso de una serie de mediciones [53, 68].
5.8.3 MÉTODO DE COLUMNA POR RUPTURA
Se utiliza una columna empacada del intercambiador iónico de
composición uniforme en contacto con una solución acuosa de
composición mayor del ion preferido por la resina. Haciendo circular
muy lentamente la solución a través de la columna, se establece así
suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio favorecido por elmecanismo de transferencia de difusión longitudinal; el proceso termina
cuando la composición del efluente se torne igual a la solución de
entrada a la columna. A nivel de laboratorio se construye la historia de
saturación para el sistema iónico bajo estudio, esto es, concentración a
la salida como función del volumen acumulado alimentado a través de
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 83/137
Revisión Teórica
63
la columna y con la información hasta la condición de ruptura puede
determinarse el equilibrio entre la nueva solución y el intercambiador.
La composición de la solución cambia de nuevo en la medida que el
frente de saturación se incrementa para un nuevo volumen acumulado,
que permitirá calcular nuevo punto de equilibrio.
Este método suele ser llamado Método de Columna por Ruptura,
requiere que la solución contenga al ion preferido por la resina. Entre
los problemas operacionales, puede citarse que la solución acuosa debe
estar libre de sólidos sedimentables y suspendidos, ya que tal
acumulación genera rápidamente una excesiva caída de presión. Aún
en la ausencia de sólidos insolubles, la caída de presión a través de una
columna con tamaños de partícula pequeños resulta mayor comparable
a una columna con tamaños mayores, y será más dependiente del
caudal de la solución [53].
5.8.3.3 ETAPAS DEL MÉTODO DE COLUMNA POR RUPTURA • Empaquetamiento de la columna: Consiste en introducir el
intercambiador en el interior de la columna evitando la formación de
bolsas de aire entre sus partículas para así obtener un lecho uniforme.
Esta operación se realiza habitualmente lavando el intercambiador con
agua destilada, que además resulta útil para eliminar posibles
impurezas y para provocar el fenómeno de hinchamiento. Ello puedecausar graves problemas si tiene lugar una vez que el intercambiador se
encuentra confinado en la columna y no se ha dejado espacio suficiente
para alojarlo una vez ha incrementado su volumen.
• Acondicionamiento del intercambiador: Muchas resinas
comerciales se venden en una forma iónica que puede no ser la
adecuada para el tratamiento que se desea realizar. Por ejemplo, unaresina básica fuerte que tenga como contraión un grupo OH- y que, por
necesidades del proceso, sea deseable tener un ion Cl-. En la etapa de
acondicionamiento se procede a cambiar el contraión de la resina
poniéndola en contacto con una disolución concentrada del ion que se
desea tener. Una vez se ha conseguido este objetivo y la resina está en la
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 84/137
Revisión Teórica
64
forma iónica deseada, debe eliminarse el exceso de esta disolución
lavando la resina con agua destilada.
• Etapa de carga: En esta etapa tiene lugar el intercambio de iones
entre la disolución a tratar y el intercambiador. La
disolución a tratar se introduce en la columna y fluye
gradualmente a través del intercambiador. Las
condiciones de operación (velocidad de flujo, pH de la
disolución etc) dependerán del tipo de intercambiador
utilizado, y es importante optimizarlas para obtener un
buen rendimiento en cuanto a capacidad y
selectividad. Cuando el intercambiador comienza a
estar saturado con los iones de la disolución que
entra, se observa un aumento de la concentración de
dichos iones en la disolución que sale de la columna.
Esta descarga de iones se conoce como ruptura, e
indica que el tratamiento de la disolución por el intercambiador ya no
está siendo efectivo. Una vez la concentración de estos iones en la
disolución de salida iguala a la de la concentración de entrada, el
intercambiador ha agotado toda su capacidad de intercambio en las
condiciones de operación.
• Etapa de regeneración: consiste en devolver el intercambiador
saturado a su forma iónica inicial, empleando una disolución
concentrada en el ion originariamente asociado al intercambiador (por
ejemplo, un ácido mineral para una resina ácida fuerte). Esta etapa es
importante en el proceso de intercambio iónico ya que el buen
funcionamiento del intercambiador en sucesivos procesos de carga
depende de una regeneración eficiente. Para obtener el máximo
rendimiento de esta etapa es importante optimizar parámetros como la
concentración y volumen de disolución regenerante así como la velocidad
de flujo. La regeneración tiene dos inconvenientes importantes:
1. El gasto económico en regenerante. Puede reducirse reutilizándolo
hasta que pierda su eficiencia aunque esta opción tampoco es adecuada
ya que implica establecer unas condiciones para su almacenaje.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 85/137
Revisión Teórica
65
2. La generación de residuos, ya que después de regenerar el
intercambiador se obtienen disoluciones altamente ácidas o básicas
generalmente muy concentradas en metales que deben ser tratadas o
eliminadas [60, 61].
5.8.3.4 MODOS DE OPERACIÓN DEL MÉTODO EN COLUMNA
En los procesos de intercambio iónico en columna se puede trabajar
de dos modos:
1. Las disoluciones de carga y de regeneración se introducen siempre
por la parte superior de la columna.
2. El regenerante se introduce en dirección opuesta a la disolución de
carga, es decir, por la parte inferior de la columna. Este proceso de
denomina, proceso en contracorriente
El procedimiento más habitual es el primero, ya que supone un
equipamiento más económico que el segundo. No obstante, este modo
de operación utiliza el regenerante de forma menos eficiente que el
proceso en contracorriente. En éste, al pasar el regenerante de abajo a
arriba, se fluidiza el lecho del intercambiador, de manera que se
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 86/137
Revisión Teórica
66
aumenta la superficie de contacto, la regeneración es más rápida y se
necesita menos volumen de regenerante [60, 61].
5.8.4 MÉTODO DE GLUECKAUFPor cualquier método de columna, el proceso de intercambio se logra
sólo en una dirección; en el método de ruptura el ion preferido entra a
la resina, mientras en el método de Glueckauf, el ion preferido entra a
la solución. Así, ninguno de los dos métodos puede ser usado
convenientemente cuando el diagrama de equilibrio presente un punto
tipo azeótropo, equivalente en casos donde ningún ion es preferido en
todo el rango de concentraciones. Otra desventaja de los métodos de
columna es que los resultados pueden estar afectados por los efectos de
difusión y dispersión, y más seriamente por la mala distribución del
liquido. La consideración teórica de los métodos de columna es el logro
de equilibrio en cada punto del lecho en todos los tiempos de contacto y
esto es difícil de lograr en la práctica por la velocidad finita de
intercambio [53, 71].
Este método de columna considera que el intercambiador se
encuentra inicialmente en la forma del ion de mayor preferencia por la
resina y será removido utilizando una solución conteniendo solamente
el ion de menos preferencia. Del proceso de transferencia se genera la
información entre composición de salida y tiempo de contacto para
obtener por la teoría de columna de De Vault [72] el diagrama de
equilibrio del sistema iónico respectivo.
5.8.5 MÉTODO CONTINUO DE UN TANQUE REACTOR AGITADO
Básicamente consiste en un lecho de intercambiador iónico en un
tanque bajo agitación en contacto con la solución que alimentacontinuamente el tanque. Este método es aplicable a cualquier sistema
iónico y cualquier selectividad de la resina, en cualquier dirección del
proceso de intercambio, no es afectado por los efectos de dispersión,
mala distribución del líquido y puede ser utilizado para la
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 87/137
Revisión Teórica
67
determinación de los puntos de equilibrio sin efectos apreciables por la
velocidad finita de intercambio [53, 73].
5.9 APLICACIONES DEL INTERCAMBIO IÓNICOLas resinas de intercambio iónico son ampliamente usadas a nivel
industrial y académico. En la actualidad el intercambio iónico se
considera una operación unitaria, análoga a operaciones clásicas, tales
como: adsorción, destilación, filtración. Sus aplicaciones pueden
resumirse en cuatro categorías principales [54]:
5.9.1 TRANSFORMACIÓN DE CONSTITUYENTES IÓNICOS
El ablandamiento de agua es un típico ejemplo de una aplicación del
intercambio iónico, que implica la sustitución de un ión en solución por
otro ión, sin ningún cambio de concentración. Los iones que
determinan la dureza del agua son a saber: calcio, hierro, magnesio y
manganeso. Estos iones son removidos mediante iones sodio de una
resina de intercambio tipo catiónico según la reacción:
++ +↔+ Na MR M R Na 22
5.9.2 FRACCIONAMIENTO DE ELECTROLITOS
La separación de electrolitos en solución, mediante intercambio
iónico, puede alcanzarse de distintas formas. Si las especies iónicas a
separar tienen cargas opuestas la separación se logra fácilmente
adsorbiendo una de las especies, dadas mediante una resina de
intercambio apropiada.
Especies iónicas de cargas semejantes se separan si existen
diferencias entre las especies iónicas en cuestión, tales como: distinto
radio iónico, magnitud de carga o velocidad de intercambio, factores
mediante los cuales puede alcanzarse la separación.
5.9.3 CONCENTRACIÓN DE CONSTITUYENTES IÓNICOS
La porción de constituyentes iónicos de soluciones diluidas y su
subsecuente concentración mediante procesos de elusión es una
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 88/137
Revisión Teórica
68
interesante aplicación del intercambio iónico, tanto para la
recuperación de materiales valiosos, como para el análisis de trazas. La
recuperación de magnesio de agua de mar, o el análisis de cobre en
leche, son ejemplos de tales aplicaciones.
La alta capacidad de la resina permite concentrar, con una pequeña
cantidad de la misma, un volumen de electrolito o una especie iónica
particular, contenida en un volumen de solución, mucho mayor que el
volumen de resina. Además, el equilibrio natural del intercambio iónico,
permite escoger condiciones para resorber la especie iónica captada por
la resina, como una solución concentrada.
5.9.4 REMOCIÓN DE SUSTANCIAS IÓNICAS
Todos los iones pueden ser removidos de soluciones y sistemas
coloidales empleando combinaciones apropiadas de resinas de
intercambio aniónico y catiónico. Así, si la resina intercambiadora
aniónica es colocada en forma de hidroxilo y la catiónica en forma de
hidrógeno el paso de una solución de electrolitos a través de una y
luego de la otra, o de una mezcla de ambas, resulta una remoción
completa del electrolito, este proceso recibe el nombre de
desmineralización, desionización o desalinización (ver Figura 9).
Figura 9 Planta de tratamiento por intercambio iónico
para la desmineralización de agua: conformada por dosunidades, un lecho catiónico y uno aniónico, con sistemade funcionamiento automático, y con regeneraciónprogramable por caudal, y diseñada para suministrar undeterminado caudal normal.Los accesorios que componen el sistema son:Bomba de alimentación en acero inoxidable2 tanques de PRFVResina catiónicaResina AniónicaCabezal automático2 recipientes para contener los productos regenerantes
La tecnología de intercambio iónico se aplica a distintos procesos
dentro de la industria, como purificación, catálisis, recuperación de
metales valiosos, etc. A continuación se describen brevemente estas
áreas de aplicación de los intercambiadores iónicos.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 89/137
Revisión Teórica
69
5.9.5 TRATAMIENTO DE AGUAS [59, 60]
Eliminación de la dureza del agua
El paso del agua por rocas sedimentarias como la piedra caliza,
provoca que dos de los iones más comunes en aguas naturales sean el
calcio y el magnesio. Estos cationes divalentes, cuando se encuentran
en altas concentraciones, son los responsables de la dureza del agua. El
empleo de agua dura tanto para usos domésticos como industriales,
provoca problemas de formación de depósitos e incrustaciones y
dificulta la acción de los detergentes, ya que se forman espumas y
precipitados que reducen su eficiencia.
Las zeolitas se utilizan en la eliminación de la dureza de aguas
domésticas e industriales por su capacidad de intercambiar los iones
calcio y magnesio presentes en el agua por iones sodio alojados en su
estructura. Por esta misma razón, estos minerales han reemplazado a
los fosfatos en la composición de los detergentes, precisamente para
mejorar su efectividad al secuestrar los iones calcio y magnesio del
agua. El 80% de la producción de zeolitas se emplea en esta aplicación.
Además, el uso de zeolitas naturales tiene la ventaja de ser compatible
con medidas de protección del medio ambiente.
En la eliminación de la dureza del agua también se emplean
intercambiadores iónicos más versátiles como carbón sulfonado, resinas
sulfonadas de fenol-formaldehído y, en los últimos años resinas de
poliestireno sulfonado. En las aguas naturales también hay una
pequeña fracción de iones hierro y manganeso, cuya presencia es
indeseable ya que pueden manchar los tejidos, formar depósitos en
tuberías, tanques u otros elementos, así como inducir su corrosión.
Estos iones pueden eliminarse mediante intercambio iónico, pero este
proceso tiene ciertas limitaciones ya que ambos iones pueden precipitar
en la superficie de la resina.
Alcalinidad del agua
En el agua también se encuentran distintos aniones como
bicarbonato, carbonato, hidróxidos, cloruro, sulfato, fluoruro, fosfatos
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 90/137
Revisión Teórica
70
etc. Los tres primeros son los responsables de la alcalinidad del agua,
que no es más que la capacidad que tiene el agua de neutralizar ácidos.
Es decir, un agua altamente alcalina será capaz de aceptar muchos
iones hidrógeno antes de que su pH empiece a descender. La
alcalinidad se expresa en términos de mg/L de carbonato de calcio. El
agua altamente alcalina tiene un sabor amargo. En la industria, la
alcalinidad es un problema cuando se emplea agua hirviendo, ya que el
vapor de agua es rico en CO2 que al condensar forma ácido carbónico
capaz de atacar el metal de las conducciones.
Para eliminar los aniones responsables de la alcalinidad del agua se
utilizan resinas aniónicas de intercambio, generalmente en forma
cloruro, de modo que se intercambian los aniones del agua por el
cloruro de la resina. Otro proceso posible es emplear una resina
débilmente ácida.
Eliminación de materia orgánica
Es habitual encontrar en aguas superficiales cierta cantidad de
ácidos orgánicos, como ácidos húmicos o taninos. La presencia de esta
materia orgánica en el agua para uso doméstico puede conferirle olor,
color y un sabor desagradable, pero el interés en eliminar estos
compuestos radica en su tendencia a convertirse en trihalometanos
cuando se procede a la cloración del agua. Estas sustancias pueden
eliminarse empleando resinas aniónicas de intercambio en forma
cloruro, especialmente resinas acrílicas.
Eliminación de nitratos
El uso excesivo de fertilizantes, el estiércol y los efluentes
procedentes de explotaciones ganaderas son los responsables de la
contaminación del agua por el anión nitrato NO3-. La presencia de
cantidades elevadas de este anión en el agua potable pueden provocar
graves problemas en bebes menores de 6 meses (síndrome del niño
azul). La eliminación de este anión se puede realizar mediante resinas
de intercambio aniónico en forma cloruro (ver Figura 10).
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 91/137
Revisión Teórica
71
Figura 10 Planta de tratamiento porintercambio iónico para ladesnitrificación de agua. Está compuestapor dos unidades de desnitrificación, con
sistema de funcionamiento automático,regeneración programable y diseñada parasuministrar el caudal prefijado. Los accesorios que componen el sistemason:Dos tanques de PRFV de capacidadadecuada al diseñoResina aniónica fuerteCabezal automático sistema TWIN
Tanque salero para solución regenerante.
Eliminación del ion amonio
Las aguas residuales vertidas por industrias, redes de alcantarillado
y producidas en procesos agrícolas y ganaderos son las responsables de
la presencia del ion amonio en lagos, ríos y, a la larga, en pozos de agua
potable. La presencia de amonio en el agua reduce la concentración de
oxígeno disuelto necesario para la vida acuática y acelera la corrosión
de metales y materiales de construcción Para la eliminación de amonio
mediante intercambio iónico, además de las resinas catiónicas
convencionales, se emplean también intercambiadores iónicos
inorgánicos. Las zeolitas, por su selectividad a este catión, son el
material de elección en la fabricación de filtros para eliminar amonio del
agua, tanto en piscifactorías como en acuarios.
Desionización del agua
El agua desionizada es un ingrediente esencial en aplicaciones
médicas, laboratorios, en la industria farmacéutica, cosméticos,
microelectrónica, etc. El proceso de desionización del agua (ver Figura
11) consiste en reducir la concentración de iones presentes en ella a
niveles muy bajos, proceso que puede llevarse a cabo mediante
intercambio iónico. En este proceso se emplea una resina catiónica de
intercambio para eliminar los cationes (sodio, calcio, magnesio, etc.) y
dos resinas aniónicas, una básica débil que absorberá los ácidos fuertes
y otra básica fuerte para intercambiar los aniones (cloruro, sulfato,
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 92/137
Revisión Teórica
72
bicarbonato etc.). Como la concentración de iones en el agua determina
su capacidad de conducir la electricidad, la efectividad del proceso de
ionización se determina midiendo los parámetros resistividad o
conductividad.
Figura 11 Esquema de un proceso de desionización de agua
Residuos nucleares
Los intercambiadores iónicos encuentran su
aplicación en la industria de la energía nuclear en
varias de las etapas del ciclo de obtención del
combustible nuclear, en el tratamiento de
efluentes contaminados con elementos
radioactivos y en la purificación del agua de
refrigeración del núcleo. En estos procesos los intercambiadores se
contaminan con elementos radioactivos y, por tanto, deben
considerarse y tratarse como un residuo radioactivo más. De hecho, las
resinas de intercambio que se emplean en el tratamiento de agua de
refrigeración es la segunda fuente de residuos radioactivos de una
central nuclear (ver Figura 12). Generalmente se emplean resinas de
intercambio orgánicas, pero los intercambiadores inorgánicos están
siendo objeto de estudio y aplicación en varios de estos procesos ya que
los primeros tienden a degradarse en las condiciones térmicas y
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 93/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 94/137
Revisión Teórica
74
• Como excipientes en la formulación de fármacos, para enmascarar el
mal sabor del principio activo, estabilizar el fármaco y acelerar la
desintegración de la pastilla después de su ingestión.
• Dosificación controlada: El intercambiador iónico libera lentamente el
fármaco alojado en su matriz polimérica. Algunas resinas de
intercambio iónico han demostrado tener actividad terapéutica, y se
aplican en la reducción de colesterol en sangre, para adsorber sales
biliares, etc.
CatálisisUn catalizador es una sustancia capaz de acelerar la velocidad de
una reacción química sin sufrir ningún cambio químico permanente y
pudiendo recuperarse al final de la reacción. Catalizar un proceso es de
vital importancia en la industria química, donde se aplican desde
catalizadores heterogéneos en la forma de sólidos porosos hasta
catalizadores homogéneos que se disuelven en la mezcla de reacción.Los intercambiadores iónicos se aplican como catalizadores
heterogéneos en muchas reacciones químicas, ya que tienen la ventaja
sobre la catálisis homogénea no sólo que se consiguen mejores
rendimientos de reacción, sino también que se separan del medio con
una simple filtración. Ejemplos de reacciones son hidrólisis,
esterificación, formación de amidas, condensaciones, entre otros. Esimportante destacar el papel de las zeolitas como catalizadores. Las
zeolitas ácidas, que contienen iones hidrógeno en su estructura,
catalizan muchas reacciones químicas, como el craquing del crudo,
isomerización y síntesis de combustible. También se utilizan como
catalizadores en procesos de oxidación-reducción, una vez se ha
introducido en su estructura un metal determinado. La particularestructura de poro de las zeolitas, que varían en forma y tamaño, es
determinante en su actuación como catalizador ya que introduce una
limitación estérica al acceso de los reactivos a los sitios activos.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 95/137
Revisión Teórica
75
Agricultura
El fenómeno de intercambio iónico es básico en la agricultura, ya
que tiene un importante papel en la absorción de nutrientes por parte
de las plantas. De hecho, el suelo es un gran sistema intercambiador de
iones, con capacidad para calcio, magnesio, potasio, amonio, nitratos y
fosfatos. Las zeolitas se han aplicado para controlar la liberación de
nutrientes al suelo agrícola, ya que tienen la ventaja que sustituyen a
los fertilizantes solubles que pueden contaminar el agua y además que
impiden la pérdida de nutrientes por disolución. También se emplean
para retener la humedad del suelo y para elevar el pH en suelos ácidos.
Hidrometalurgia
Los procesos de intercambio iónico se aplican en hidrometalurgia en
la recuperación y concentración de metales valiosos, como cobre, uranio
y cromo, así como en procesos especiales que emplean resinas de
intercambio iónico selectivas para la recuperación de oro, platino y
plata. El empleo de resinas de intercambio iónico es una posible
solución al tratamiento de efluentes procedentes de la industria de
refinado de metales. La acumulación de metales pesados en el medio
ambiente es un serio problema para la salud debido a su alta toxicidad,
su capacidad de acumularse en los tejidos y, además, que no son
biodegradables. Esta situación ha generado una serie de regulaciones
en cuanto a emisiones de metales tóxicos al entorno, que han obligado
a la industria a conceder una gran importancia al control de sus
efluentes. En esta área de aplicación, las resinas orgánicas de
intercambio iónico son las predominantes, pero se encuentran muchos
ejemplos de empleo de zeolitas naturales y sintéticas en el tratamiento
de efluentes contaminados, así como de biomateriales basados en
chitosan o alginato.
Aplicaciones del Intercambio Iónico en la Ingeniería Ambiental
La práctica sobre la utilización de intercambio iónico como proceso
de separación en sus diferentes modos de contacto (Batch, Lecho Fijo,
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 96/137
Revisión Teórica
76
Lecho Fluidizado o Lecho Móvil) ha tenido mayor desarrollo que las
teorías sobre equilibrio, cinética y diseño de unidades de transferencia
de intercambio.
Las aplicaciones de intercambio iónico están relacionadas con la
Ingeniería Ambiental como tratamiento terciario. Sin embargo cada día
se amplia su utilización para la separación, concentración y
purificación de mezclas líquidas acuosas u orgánicas en las diferentes
industrias petroquímica, metalúrgica, farmacéutica, etc [79].
En la última década, se ha incrementado el interés por investigar la
calidad de los cuerpos de agua a nivel mundial, debido principalmente a
su utilización inadecuada como depósito final de residuos líquidos y
sólidos provenientes de actividades industriales agrícolas y domésticas,
las cuales llevan gran cantidad de sustancias tóxicas incluyendo
metales pesados. Los metales pesados a diferencia de otros agentes
causan problemas, pues tienen la capacidad de acumularse en los
organismos: humanos, animales, vegetales, cuerpos de agua, etc.,
además de no ser biodegradables.
Los investigadores ambientales han visto la necesidad de desarrollar
nuevas metodologías mediante las cuales sea posible diferenciar y
determinar las formas químicas de trazas de metales (especialmente
metales pesados tóxicos) en aguas naturales. Sin embargo, cuando la
concentración es muy baja resulta prácticamente imposible su
determinación.
Entre las diferentes técnicas de preconcentración, el empleo de
resinas de intercambio iónico representa una buena alternativa,
constituyen un método simple y rápido de usar , permitiendo
manejar volúmenes grandes de muestra y alcanzar altas
concentraciones. Además, la muestra no es contaminada con impurezas
de otros metales y/o reactivos orgánicos [80, 81, 82, 83].
El intercambio iónico se ha empleado en el análisis de mercurio
inorgánico, a través de resinas sintéticas tipo Amberlite [84]. Se ha
comparado la capacidad de las resinas Amberlite IRA-120 y Amberlite
IRA-402 para el intercambio de mercurio inorgánico a partir de
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 97/137
Revisión Teórica
77
soluciones acuosas diluidas, estudiando el efecto de las variables
operacionales: tamaño de partícula, pH de la solución, grado de
concentración de la solución mercurial, y efectividad de la solución
despojadora. Los resultados experimentales demuestran que la
disminución tanto del grado de acidez de la solución mercurial como del
tamaño de partícula de la resina favorecen el intercambio de la resina
por los iones Hg+2.
Asimismo, se ha logrado el intercambio de trazas de mercurio
disuelto en concentraciones menores de 1μg/g, de las especies iónicas
Hg+2 y CH3Hg+ empleando la resina Sumichelate Q-10R [10]. Los
ensayos experimentales por carga y columna, se programaron para la
determinación de la cinética de intercambio, del efecto interferente de
otros cationes y de la efectividad de la solución despojadora. Los
resultados indicaron que la resina muestra un carácter preferencial de
intercambio por los iones mercurio sobre los iones Ca++ y Mg++,
demostrando que la selectividad preferencial de la resina aparece como
una alternativa para el análisis cuantitativo de mercurio disuelto a nivel
de trazas en cuerpos de agua. Otras investigaciones [11] han
profundizado en el análisis de las variables operacionales en la
cinética de intercambio iónico. En esta materia se han realizado
estudios de los sistemas iónicos Cd+2-H+-Cl-, Cd+2-H+-SO=4 y Cd+2-H+-
CH3-COO- sobre resinas tipo sulfónicas y quelatantes para diferentes
condiciones de temperatura, pH y concentración del ion cadmio en la
solución acuosa. Los resultados muestran que los valores de
intercambio iónico para la cinética del sistema Cd+2-H+ siguen una
secuencia preferencial de las resinas en la forma del ion H+.
Baes A.U y colaboradores, lograron la remoción casi total de trazas
de Cu++, Pb++ y Ni++ presentes en aguas superficiales empleando resinas
inorgánicas, logrando obtener las isotermas de adsorción a valores de
pH entre 4 y 6 [87].
Los procesos de tratamiento iónico han sido aplicados como
sistemas de tratamiento de aguas residuales para lograr la
separación de metales pesados, tales como cromo, hierro y aluminio,
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 98/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 99/137
Revisión Teórica
79
Abou-Mesalam M.M y El-Naggar M., estudiaron los mecanismos de
difusión de iones Cs+, Zn+2 y Eu+3 empleando partículas de titanato de
circonio (ZrTi) en un sistema de intercambio iónico. Estos autores
calcularon los valores de energía de activación y de coeficiente de
difusividad y los compararon con los obtenidos usando otras resinas
orgánicas e inorgánicas [93].
5.10 VELOCIDAD DE INTERCAMBIO IÓNICO
Considerando la reacción de intercambio:
++ +↔+ A RB B RA
Están comprendidos tres procesos que pueden determinar la
velocidad:
1. Difusión de B+ hacia la superficie de partícula de la resina y difusión
simultánea de A+ desde la superficie hacia la solución.
2. Difusión de B+ en la resina, hacia el sitio de intercambio y difusión
de A+ fuera de la resina.
3. Reemplazo de A+ por B+ en el sitio de intercambio.
El tercer proceso es muy rápido y no presenta gran importancia
(aunque posiblemente éste sea el factor limitante en algunos
intercambiadores quelantes). Por lo tanto la velocidad de intercambio
iónica (cinética) estará controlada por la difusión en fase sólida (proceso
1) o difusión en la fase líquida (proceso 2) [57]. Si se lograran visualizar
las dos fases a nivel macroscópico, en el proceso de intercambio iónico,
al elaborar un esquema, se podría divisar algo similar a lo expresado en
la Figura 13.
Donde las concentraciones cº, c i , c i , cº , van cambiando a medida
que van desde o a través de la solución hacia la resina, así tenemos:
cº: concentración promedio de la fase líquida a cualquier tiempo de
contacto.
c i : concentración de la interfase líquida.
c i : concentración de la interfase sólida.
cº: concentración promedio de la fase sólida a cualquier tiempo de
contacto
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 100/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 101/137
Revisión Teórica
81
Donde C AR significa concentración del ión A en la resina, C AS
concentración del ión A en solución y similarmente para el ion B .
Definiendo como fracción iónica en solución x = C /C o, con C o como la
concentración total equivalente de iones en solución, y =q /a = fracción
iónica en la resina, con a como capacidad de intercambio de la resina.
Así la Ec. (1) puede re-escribirse como:
K y
x
x
y
C
a AB
A
A
B
B
n
o
n
=
⎛
⎝
⎞
⎠
⎛
⎝
⎞
⎠
1
(2)
Para sistemas iónicos binarios puede escribirse x A + x B = 1.0, y A +
y B = 1, y así resulta en términos del ion A
K y
x
x
y
C
a AB
A
A
A
A
n
o
n
= ⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
−
−
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠⎟
−1
1
1
(3)
Para la reacción de equilibrio
m A+ Y
- + R m - B m R - A + B
+m -Y m
-
La ecuación de equilibrio es:
K y
x
x
y
Q
C AB
A
A
m
A
A O
m
= ⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
−
−
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
−1
1
1
(4)
Si se expresa la ley de acción de masa para la reacción de equilibrioanterior en función de las actividades de los iones en cada fase:
K a a
a a AB
AR BS
n
AS BR
n
.
. (5)
Por definición, actividad aKm= γKm C km, donde γK es el coeficiente de
actividad del ion K en la fase m y C K la concentración del ion K en la
fase m, sustituyendo resulta:
K C C
C C AB
AR BS
n
AS B R
n
AR BS
n
AS B R
n
.
.
.
.
γ γ
γ γ (6)
Re-escribiendo la ecuación (xx):
K C C
C C K AB
AS BR
n
AR BS
n
AR BS
n
AS BR
n AB
o= = =
γ γ
γ γ
.
.
.
. (7)
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 102/137
Revisión Teórica
82
K AB
o se denomina aparente constante de equilibrio, por la variación
de los coeficientes de actividad tanto para soluciones concentradas
como a nivel de la fase sólida. La ecuación (7) generaliza los efectos del
grado de concentración de la solución sobre el equilibrio del sistema
iónico dado.
La descripción cuantitativa del equilibrio puede también
representarse por el modelo de equilibrio de Donnan (10) que establece:
"El potencial de cada especie iónica en la resina es igual a su
correspondiente en la fase liquida". Así para la reacción de intercambio:
A+n Y n
- + n R- B Rn - A + nB+
Y -
Puede escribirse en términos de la actividad:
a a
a a
A R B S
n
A S B R
n
.
.= 1 (8)
Al sustituir aKm = γKm C km puede escribirse así:C C
C C K AR BS
n
AS BR
n
AS BR
n
AR BS
n AB
o .
.
.
.= =
γ γ
γ γ (9)
Se debe advertir que aún cuando la teoría de Donnan permite una
interpretación termodinámica del fenómeno de intercambio iónico, la
validez de la constante aparente de equilibrio es sólo en un rango
limitado de concentración.
En general el proceso reversible de intercambio iónico entre una
resina conteniendo al ion A de valencia Z A y la solución electrolítica
conteniendo al ion B de valencia Z B , puede expresarse por el coeficiente
de selectividad:
( )K y x y x a
C Z Z
AB B
Z
A
Z
A
Z
B
Z
O
A B
A B B A= ⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟ −/ ( ) (10)
Definiendo como coeficiente de selectividad racional:
B
R
A A B
S
Z
A
Z
S B
Z
R B
Z
A B Z A Z A Z B Z ++
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 103/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 104/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 105/137
Revisión Teórica
85
1. Flujo a través del seno de la fase líquida hasta la interfase líquida -
sólida:
(18)
Donde cO
O representa la concentración promedio en la fase líquida
para cualquier tiempo de contacto, c i representa la concentración
promedio a la interfase y k L a representa el coeficiente de transferencia
de masa para la fase líquida.
2. Flujo a través de la fase sólida desde la interfase hasta el seno de la
fase sólida:
(19)
Donde c o
representa la concentración promedio en la fase sólida
para cualquier tiempo de contacto, c i representa la concentración a la
interfase k sa representa el coeficiente de transferencia de masa para la
fase sólida.
3. Los valores de concentración en la interfase están dados por las
relaciones de equilibrio para el sistema iónico respectivo:(20)
En la práctica resulta difícil efectuar mediciones de los
valores a la interfase líquida-sólida, siendo más conveniente introducir
un coeficiente global de transferencia de masa para el proceso de
intercambio, así:
1. Flujo del ion intercambiante a través de la fase líquida:(21)
Donde c * representa el valor de equilibrio dado por:(22))( *
c f co =
( )io L
o
ccak t
c −=∂ ∂
( )oi
s
o
ccak t
c−=
∂
∂
)( ii c f c =
( )*ccaK
t
c o
L
o
−=∂
∂
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 106/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 107/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 108/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 109/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 110/137
Revisión Teórica
90
4 Ecuación modificada de Helfferich:
(31)
Introduce los factores R i, Ri para la incorporación del efecto de
migración iónica. En el rango diluido de la mezcla liquida R i → 1 y Ri →
1 se reduce a la Ec. (30), en el rango concentrado basado en el Modelo
de Película de Transferencia de Masa, R i esta dado por:
R i es evaluado con los coeficientes de difusividades en la solución y
Ri en la resina, α factor de separación, α > 1 equilibrio favorable y α < 1
equilibrio desfavorable.En la práctica se consideran algunas variables que podrían incidir
en el carácter dominante de determinada fase sobre la velocidad de
intercambio iónico. Así el control de la fase sólida es favorecido por:
i) Altas velocidades de la fase líquida o fuertes agitaciones.
ii) Alta concentración de los iones en solución.
iii) Grandes tamaños de las partículas de intercambio iónico;iv) Grandes tamaños o volumen de los iones o complejos iónicos;
v) Altos porcentajes de entrecruzamiento de DVB;
vi) Equilibrio desfavorable para el ión entrante a la resina.
5.13 MODELOS CINÉTICOS DE INTERCAMBIO IÓNICO [53]
La cinética de intercambio iónico controlada por difusión dentro del
intercambiador es expresada por la segunda Ley de Fick con un
coeficiente de difusividad para un determinado sistema iónico. Esto es
válido para intercambio isotópico o intercambio de iones de igual
movilidad. En el intercambio de iones de diferentes movilidades, un
campo eléctrico se crea en la dirección de acelerar el ión más lento y
retardar al ión más rápido y de esta manera preservar la condición de
Difusividad del Ión Saliente de la Resina
Difusividad del Ión Entrante a la Resina
)25( α δ
λ +=i
i
P L
S
R
R
r D
D D
B
Ai
D
D R ==
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 111/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 112/137
Revisión Teórica
92
(ii)
El flujo a la interfase como la cantidad de iones que difunden a través
del espesor δ a la superficie de la partícula de intercambio iónico.
(iii)
Evaluando el flujo se obtiene,
(Equivalente iónico / Superficie. Tiempo) (iv)
La cantidad de iones entrando a la resina como consecuencia del flujo a
través de la superficie esta dado por:
(v)
Donde S es la superficie de la partícula considerada esférica S = 4 π r P2,
v es el volumen de la partícula v r P4
3
3π , así resulta:
(vi)
Adimensionando, N C a / donde a es la capacidad de la resina, n =
C /C o; C o concentración total de la solución, entonces la Ec. (vi) puede
escribirse así:
(vii)
Por la consideración de equilibrio lineal N = n i . No se considera
variación de la concentración total con el tiempo, esto es n o = 1,
integrando la Ec.(vii):
yC C
C C io
i
δ
−+=
o y L
y
C D J
=−=
∂
∂
δ
io
L
C C D J
−−=
∫∫
−= V
S
dv
Jds
t
C
∂
∂
( )io
P
L
io
L
P
P C C r DC C D
r r
t C −=−= δ δ π
π ∂ ∂ 3)(4 3
34
2
( )io
P
o L nnar
C D
t
N −=
δ ∂
∂ 3
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 113/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 114/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 115/137
Revisión Teórica
95
(x)
Llamando k
D C
ar
A o
P=
3
α
δ y rearreglando la Ec. (x), resulta
(xi)
Integrando de la siguiente manera:
(xii)
Sea: 1 - N = ω , dN = - d ω , N = 1 - ω ; expresando en función de ω con
los límites ω = 1 a ω = 1 - N :
(xiii)Resulta finalmente,
(xiv)
La Ec. (xiv) es denominada como ecuación de Nikolaev para volumen
infinito de solución, obsérvese que si α = 1 se obtiene el resultado de
Boyd et al.:
(xv)
3. Modelo Cinético de ADAMSON - GROSSMANN
Para control de la fase líquida, Adamson y Grossmann consideran
para una reacción de intercambio monovalente-monovalente:
i) Gradiente lineal para los iones intercambiantes a través del espesor
de la película líquida.
ii) La relación de equilibrio expresada por el factor de separación.
iii) Proceso cuasi-estacionario y la concentración externa de solución
constante.
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +−
−= N N
N
ar
C D
dt
dN
P
o A
α α δ 1
3
N N
N k
dt
dN
+−−
=α α
1
∫∫ =−
+− t
o
N
o kdt dN N
N N
1
α α
( )[ ] kt d N
I −=+−∫ −
ω α ω
1
11
( ) ( ) t ar
C D N N
P
o A
δ
α α
31ln1 −=−+−−
δ P
o A
ar
t C D N
3)1ln( =−−
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 116/137
Revisión Teórica
96
Sea la reacción de intercambio, A + + R - B R - A + B + el flujo del
ion A + esta dado por:
(i)
El flujo del ion B + esta dado por:
(ii)
La densidad de corriente de la solución es:
J A + J B = 0 ; J B = - J A (iii)
Relacionando los flujos así:
(iv)
Por otro lado de las Ecuaciones (i) y (ii):
(v)
Igualando con la Ec.(iv) se obtiene para JA:
(vi)
El perfil de concentración del ión A + :
C A = k o + k i y (vii)
Sujeto a las condiciones de borde:
a y = o , C A = C Ai (viii)
a y = δ , C A = C A o
(ix)
Resolviendo la Ec. (viii) con las condiciones de borde (viii y ix), resulta:
(x)
dy
dC D J A
A A
−=
dy
dC D J B
B B −=
B A
A B A
B
A A A
B
B
A
A
D D
D D J
D
J D J
D
J
D
J −=−=+ /
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +−=+
dy
dC
dy
dC
D
J
D
J B A
B
B
A
A
⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜
⎝
⎛ +
−
−=
dy
dC
dy
dC
D D
D D J B A
A B
B A A
yC C
C C i
A
o
Ai
A Aδ
−+=
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 117/137
Revisión Teórica
97
De igual manera para el ion B + :
C B = C C C
y B
i B
o
B
i
δ (xi)
Sustituyendo las Ec. (x y xi) en la expresión de J A :
(xii)
Rearreglando la Ec. (xii) se obtiene:
(xiii)
Sustituyendo en la Ec. (iii) , los flujos dados por las Ec. (i y ii) :
J J D dC
dy
D dC
dy
A B A A
B B
= =
0
También;
D A dC A + D B dC B = 0 (xiv)
Integrando la Ec. (xiv) se obtiene: D A C A + D B C B = constante (xv)
Donde C A es la concentración del ión A + a cualquier posición y, C B la
concentración del ión B +, evaluando la constante a la posición y = δ ,
así:
D A C A + D B C B = D B C A o + D B C B
o (xvi)
Por el factor de separación α para la reacción de intercambioA + + R - B R - A + B +
α =C C
C C
A B
i
B A
i
.
. (xvii)
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+
−−
−=δ δ
i
B
o
B
i
A
o
A
A B
B A A
C C C C
D D
D D J
( ) ( )[ ]o
B
o
A
i
B
i
A
B A
B A A C C C C
D D
D D J +−+
−−=δ
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 118/137
Revisión Teórica
98
Donde C A es la concentración del ión A en la resina; C B concentración
del ión B en la resina, C Ai concentración del ión A a la interfase y C B
i
concentración del ión B a la interfase (y = o ). Despejando C Bi de la Ec.
(xvii):
C C C
C B
i
A
i B
A
= α (xviii)
De la Ec. (xvi) evaluando a la interfase (y = o):
D A C Ai + D B C B
i = D A C A o
+ D B C B o (xix)
Sustituyendo la Ec. (xviii) en la Ec. (xix):
D A CA
i + D B α C Ai
C
C
B
A
= D A C A o + D B C B
o (xx)
De donde se obtiene para C Ai :
C Ai =
D C D C
D D C
C
A A
o
B B
o
A B B
A
α (xxi)
Sustituyendo las Ecuaciones (xxi y xviii) en la Ec.(xiii):
]
J D D
D D
C C C C A A B
A B
A
i
B
i
A
o
B
o=
δ
(xiii)
J D D
D DC C
C
C C C A
A B
A B
A
i
A
i B
A
A
o
B
o=
⎣
⎤
⎦
δ α
J D D
D DC
C
C C C A
A B
A B
A
i B
A
A
o
B
o=
⎝
⎞
⎠
⎣
⎢
⎤
⎦
⎥
δ α1 (xiv)
( ) ( ) J
D D
D D
C
C
D C D C
D D C
C
C C A A B
A B
B
A
A A
o
B B
o
A B B
A
A
o
B
o= −−
+⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠⎟
+
+
⎛
⎝
⎜⎜⎜⎜
⎞
⎠
⎟⎟⎟⎟
− +
⎡
⎣
⎢⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥⎥
δ α
α
1
Simplificando resulta:
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 119/137
Revisión Teórica
99
J D D
C C C
C
D D C
C
A A B
B
o
A
o B
A
A B B
A
=
δ
α
α (xxii)
El balance de materiales para el ión A + sobre una partícula esférica de
radio r P :
∂
∂
C
t
J ds
dv r J A
AS
P
A =
∫
3 (xxiii)
Sustituyendo la expresión de J A , Ec.(xxii), en la Ec.(xxiii):
∂∂ δ
α
α
C
t
D D
r
C C C
C
D D C
C
A A B
P
B
o
A
o B
A
A B B
A
=
3 (xxiv)
Introduciendo las fracciones iónicas equivalentes en la resina
C C a A B = , capacidad total de la resina, N C a A y C a N B = 1 , así:
∂∂ δ
α
α
N
t
D D
a r
C C N
N
D D N
N
A B
P
B
o
A
o
A B
=
3
1
1 (xxv)
Ordenando:
D D N
N
C C N
N
dN D D
a r dt
A B
B
o
A
o
A B
P
=
α
α δ
1
1
3 (xxvi)
Integrando para la condición inicial, t = o , la resina se encuentracompletamente en la forma iónica de B tal que N = O , así:
α α
α α δ
D D D N
C C C N dN
D D
a r dt
B A B
A
o
B
o
A
o
A B
P o
t
o
N
=
∫
3 (xxvi)
Usando el resultado genérico para la integral:
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 120/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 121/137
Revisión Teórica
101
Una representación simplificada de lo que está sucediendo en los
sitios activos de la resina se puede ver en la Figura 14.
Figura 14 Representación de la reacción de intercambio iónico
A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones
presentes en dicha disolución desplazan a los que estaban
originariamente en los sitios activos. La eficiencia de este proceso
depende de factores como la afinidad de la resina por un ion en
particular, el pH de la disolución si el grupo activo tiene carácter ácido y
básico, la concentración de iones o la temperatura. Es obvio que para
que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la
disolución a la resina y viceversa. Este movimiento se conoce como
proceso de difusión. La difusión de un ion está en función de su
dimensión, carga electroestática, la temperatura y también está
influenciada por la estructura y tamaño de poro de la matriz. El proceso
de difusión tiene lugar entre zonas de distinta concentración de iones,
de más concentrado a menos, hasta que tengan la misma concentración
(ver Figura 15).
Figura 15 Proceso de difusión en el proceso de Intercambio Iónico
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 122/137
Revisión Teórica
102
5.15 EXTRACCIÓN Y DESORCIÓN DE METALES PESADOS
5.15.1 GENERALIDADES Y APLICACIONES DE
DITIOCARBAMATOS
Los ditiacarbamatos (DTC), conocidos también como disulfuros
tiurámicos se preparan normalmente bajo la forma de sales de metales
alcalinos, por la acción de aminas primarias o secundarias sobre
disulfuro de carbono en presencia de hidróxido de sodio. Son
compuestos que contienen átomos de azufre con carácter de donantes
de carga eléctrica, de fórmula general:
Los ditiocarbamatos forman complejos en un amplio rango con
metales de transición. Compuestos con otros metales, tales como el
estaño (II), y con no metales, como el teluro (IV) son también conocidos
(94). Los DTC, reaccionan con iones metales, para formar sulfuros poco
solubles, y formar compuestos con anillos de cuatro miembros,
generalmente poco solubles en agua. Reaccionan con un amplio rango
de elementos, sin embargo las condiciones pueden mejorarse si se usan
agentes enmascarantes [57].
El ditiocarbamato en forma aniónica, representa estructuralmente
de la siguiente manera:
N-C
S
S
R
R
X C
S
S
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 123/137
Revisión Teórica
103
Las formas conocidas de enlace con metales [95], formando quelatos
son:
Gaal y otros (96) mediante el estudio de espectros RMN obtenidos
con C13 propusieron algunas formas estructurales de complejos
metálicos de ditiocarbamatos, así, para metales con números de
oxidación +IV, M+IV (DTC)4, (M= Ti, Zr, V, Nb, Mo); con números de
oxidación +III, M+III (DTC)3, (M= V, Cr, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir,
Pb, AS, Sb, Bi) y con números de oxidación +II, M+II (DTC)2 (M= Ni, Pd,
Pt, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb). Todos estos complejos muestran una relación
1:2, entre el número de oxidación y el número de coordinación (el DTC
presenta dos sitios de enlace).
Alan M. Bond y otros (97) prepararon ditiocarbamato de mercurio,
agregando nitrato mercúrico (Hg(NO3)2) a una mezcla estequiométrica
de disulfuro de carbono (CS2), hidróxido de sodio y una amina
secundaria (RR’NH). El producto obtenido se purificó reconociéndose
estructuralmente como dialquil ditiocarbamato mercúrico
(Hg(RR’DTC)2).
DIETILDITIOCARBAMATO (DDTC)
Tradicionalmente se introduce enana fase orgánica como NH2 DDTC
o dentro de una fase acuosa, como NaDDTC, el cual es rápidamente
soluble en solventes orgánicos. La solución acuosa se descompone
R2N C
S
S
M
SIMÉTRICO
R2N C
S
S M
UNIDENTADO
R C
S
S
M
NO-SIMÉTRICO
R
M: metal
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 124/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 125/137
Revisión Teórica
105
iónico Chelex-100 como método de preconcentración y el sistema
NaDDTC, metilisobutilcetona (MIBC) para la extracción, este método ha
sido aplicado a diferentes clases de residuos sólidos lixiviados.
Lo y otros (101) preconcentraron iones Hg+2, Au+3 y Cu+2 presentes
en el agua de mar utilizando dietilditiocarbamato de plomo e hicieron
mediciones con activación neutrónica. Dichos metales se llevaron a la
forma de sulfuros insolubles, y luego de quilatados en forma de
ligandos con dietil-ditiocarbamato fueron extraídos con un solvente
orgánico.
El sistema Aminopirrolidina N-Carboditioato (APCD) con (MIBC) se
ha empleado ara la determinación de Cd, Zn, Pb, Cu, Co y otros metales
pesados, en diferentes clases de muestras de agua (57). También se ha
usado EDTA, como solvente de extracción de Cd, Pb, Cu y Zn. Se ha
implementado un nuevo método para la determinación de 109Cd,
usando solventes de extracción N-ciclohexil, N-nitrosohidroxilamina
(NCHA) y 4-Metilpiridia dentro de (MIBC), el cual constituye parte de un
amplio estudio para evaluarla utilidad del (NCHA) como agente de
extracción de metales, dentro de (MIBC) (102).
5.16 PRECONCENTRACIÓN DE TRAZAS DE ELEMENTOS
Las técnicas más convencionales de análisis elemental tales como,
espectroscopia, polarografia, etc. No son lo suficientemente sensitivas
para usarse en la determinación de concentraciones muy bajas, en el
orden de trazas, las cuales se definen como cantidades cuya magnitud
es de 10-1-10-5 %, cantidades más bajas se consideran como ultra o
submicrotrazas [75]. Aún si un elemento es teóricamente determinable,
la matriz del elemento puede presentar efectos adversos, ocasionando
alteraciones en la exactitud y precisión de la determinación.
Preconcentración y separación de los elementos de la matriz, representa
el mejor y a veces único método disponible para la separación de tales
cantidades.
Mediante la técnica de intercambio iónico se pueden concentrar, en
una pequeña columna, trazas de elementos contenidas en volúmenes de
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 126/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 127/137
Revisión Teórica
107
método se ha determinado cesio 132 y estroncio 89 y 90, en aguas de
lluvia, aguas superficiales y nieve, usando resina Dowex 50 de forma
protónica y fluyendo con una solución de glicolato de amonio [77].
Bajo condiciones favorables las resinas de intercambio iónico también
sirven para preconcentrar poluentes del aire. Un método desarrollado
para determinar flúor, en corriente de aire a través del intercambiador
iónico y fluir el flúor sorbido con solución acuosa de cloruro de sodio al
0,5%. Este procedimiento permitió medir flúor en aire en
concentraciones de 1-30 n/ml [78].
5.17 MEDICIÓN DE TRAZAS CADMIO
5.17.1 ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON
LLAMA (EAALL)
Son numerosos los trabajos, en los cuales la determinación de
cadmio se ha realizado mediante la EAALL, esta es una técnica que se
caracteriza por la simplicidad de sus operaciones, alta especificidad en
la determinación de los elementos, y buenos límites de detección,
además de adaptabilidad para la virtual determinación de todos los
elementos metálicos, todo lo anterior ha permitido un amplio uso, de
este método de análisis. Con frecuencia las concentraciones de cadmio,
en ambientes naturales, son bajas, necesitándose alguna técnica de
preconcentración anterior a la medición, la cual puede alcanzarse por
intercambio iónico, extracción con solventes o coprecipitación de
quelatos. Una ventaja de esta etapa de pretratamiento es la separación
del elemento buscado del resto del volumen de la matriz, reduciendo
interferencias de otros elementos en la determinación posterior
mediante EAALL. Usando una técnica experimental cuidadosa, el
método permite obtener medidas con buena exactitud y precisión [57].
5.17.2 ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CON
HORNO DE GRAFITO (EAAHG)
Es probablemente una de las técnicas más sensitivas, conveniente y
rápida, para la determinación de trazas y microtrazas de cadmio y otros
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 128/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 129/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 130/137
Revisión Teórica
110
participación en el proceso electroquímico. El efecto varía con la
estructura del compuesto orgánico, el ambiente químico y el tipo de
electrodo usado [105]. Se recomienda la completa destrucción del
material orgánico para alcanzar exactitud en los resultados analíticos.
Los métodos electroanalíticos en general miden iones cadmio en
solución y no la concentración total del elemento. Ello ha encontrado
un amplio uso en estudios en la determinación de formas físico-
químicas del cadmio.
5.18 MECANISMOS DE ADSORCIÓN, DESORCIÓN Y MEDICIÓNDE MERCURIO
Los procesos de desorción se fundamentan en que la tiourea,
comportándose como un ligando neutral, forma complejos coordinados
catiónicos con los iones metilmercúricos (CH3Hg+) y mercúrico (Hg+2).
Las estructuras de estos complejos no han sido determinadas ya que la
estequiometría, análisis por vía húmeda y espectral de estos complejos
no proporcionan información precisa.
Sin embargo con el conocimiento de algunas propiedades
estructurales y de enlace de los ditiocarbamatos y de la tiourea,
presentes en algunos de sus complejos organometálicos se proponen las
siguientes reacciones químicas posibles y las estructuras moleculares o
iónicas que intervendrían en los procesos de adsorción, deserción y
medición referidos a las resinas utilizadas en el presente trabajo:
Desorción de las especies de mercurio adsorbidas (orgánico e
inorgánico)
En la etapa de desorción la tiourea en solución acuosa acidificada,
utilizada como eluyente, reacciona con el mercurio (Hg+2, CH3Hg+)
adsorbido por la resina formando complejos catiónicos de ión bis
(tiourea) mercurio (II), [Hg(SC(NH2))2)+2 ión tiourea metilmercurio (II)
[HgCH3(SC(NH2))]+1.
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 131/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 132/137
Revisión Teórica
112
magnesio o cloruro de calcio anhídro), por el cual ha de circular la
mezcla aire o gas inerte con vapor de mercurio, previa a su llegada a la
celda de absorción (106).
6 SIMULACIÓN DE UN MODELO EFECTIVO DE TRANSFERENCIA
DE MASA PARA SISTEMAS IÓNICOS
La necesidad de desarrollar un modelo efectivo de transferencia de
masa bajo control de la fase líquida a partir de las ecuaciones de
Newman constituye el objetivo de esta investigación. Dicho modelo
deberá incluir los mecanismos de difusión y migración iónica para
cualquier sistema iónico bajo control de la fase líquida, permitiendo
simular la cinética experimental de los sistema iónicos y los efectos de
las variables operacionales, para ello se hará uso de observaciones
experimentales de ensayos por carga por intercambio iónico entre
soluciones acuosas de metales pesados y resinas sintéticas.
6.1 FORMULACIÓN DEL MODELO
6.1.1 MODELO FÍSICO
Se simula la cinética de los sistemas iónicos binarios Cd++-H- y Hg++-
H-, que consiste en el intercambio de los iones cadmio y mercurio desde
una muestra de solución acuosa hacia las partículas de una resina
sintética.
La transferencia de masa en sistemas de intercambio iónico puede ser
más compleja que la de adsorción pero las técnicas de operación y los
resultados son muy semejantes. La difusión de un soluto en un sólido
podría entenderse como un proceso de difusión controlado por un
mecanismo de transferencia de dos resistencias, difusión del soluto
desde el seno de la fase acuosa a la superficie externa del sólido
(interfase) y desde a interfase al interior del sólido.
Cuando la cinética es controlada por la fase líquida, se hace la
consideración que hay una película delgada de líquido y de espesor
constante alrededor de la fase sólida, a través de la cual ocurre el
transporte de iones por difusión. Ese espesor llamado δ en realidad no
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 133/137
Revisión Teórica
113
es verdadero, es imaginario, por lo que su magnitud se estima a través
de mediciones, este espesor usualmente está en el orden de 10 -2, 10-3 y
hasta 10-4. El mecanismo de difusión de la película es solo un medio
para representar y expresar matemáticamente el proceso de transporte
el cual lleva a un ion hacia un contacto directo interno con la superficie
de una partícula de resina. En realidad una película real no existe lo
que hay es un capa límite hidrodinámica.
6.1.2 MODELO MATEMÁTICO
Se desarrolló un modelo cinético que incorpora los efectos de
difusión y migración de manera general al proceso de transferencia de
masa controlado por la fase líquida y acoplado al diseño de
experimentos por carga para los sistemas iónicos conformado por los
metales pesados cadmio y mercurio.
Para un sistema binario de estados de oxidación ( 321 ,, Z Z Z ) y
difusividades ( 321 ,, D D D ) las ecuaciones de Newman pueden escribirse
de la siguiente manera:
1) Flujo de Nernst-Planck en la dirección Y
dy
d C D Z
dy
dC D J iii
i
ii
Ψ−−= ; i = 1, 2, 3 (24)
Donde C1 es la concentración de los iones ínter cambiantes, 1
representa al ion inicialmente en la solución, 2 al ion inicialmente en la
resina; 3 al ion común, Ψ es el potencial electroestático o campo
eléctrico autoinducido.
2) Condición de electro neutralidad de las soluciones
03
1
=∑=
i
i
iC Z (25)
3) Intensidad de corriente de las soluciones
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 134/137
Revisión Teórica
114
03
1
== ∑=
i
i
i J Z F I ; 03 = J (26)
La condición 3 J = 0 implica que la resina no intercambia co-iones,
esta consideración resulta válida para resinas sintéticas.
Combinando las ecuaciones 24 y 26 para expresar en términos del ion
1, se obtiene:
( ) ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ Ψ+++
−−
dy
d C Z C Z C C
dy
d
D Z D Z
D D Z J 221121
1122
2121 ( (27)
Para el ion común de la condición 3 J = 0, puede escribirse:
dy
dC
C Z dy
d 3
33
1−=
Ψ (28)
Para el ion 2,
3
2
31
2
12 C
Z
Z C
Z
Z C −−= (29)
Para el flujo del ion 1 en función del ion intercambiante 1 y del ion
común 3, se obtiene:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−−= dy
dC
Z
Z
dy
dC
Z
Z
D Z D Z
D D Z J
3
2
31
2
1
1122
2121 11 (30)
Asumiendo un perfil lineal de concentración en la película para los
iones 1 y 3, el gradiente resulta:
δ
o
iii C C
dy
dC −=
*
(31)
Donde *
iC es la concentración en la interfase líquida-sólida
(superficie de la partícula de intercambio iónico; o
iC es la concentración
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 135/137
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 136/137
Revisión Teórica
116
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−=−
Ψ⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ −
°°Ψ
1
*3
1*1
11
*
1
Z A
Z
A
Z
e BC AC e AC (40)
Donde( )( )
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
=1
1
1
2
33
A
Z
Z
Z Z
B
α
Expresando los términos de las fracciones iónicas equivalentes, el
potencial electroestático máximo, puede escribirse así;
31
3
*3
*
1
1
3
1
1
3 Z A
Z
Z
o
Z
x Z
Z A B
x Z
Z A B
e
−
−
Ψ−
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
= (41)
El balance diferencial para el ion intercambiante 1 en la interfase sólida
está dado para geometrías esféricas
11 J
v
s
dt
C d −
&&& 1
3 J
r p= (42)
Sustituyendo 1 J por la ecuación (36), la expresión del potencialelectroestático por la ecuación (41) y la fracción iónica equivalente en la
fase sólida, aC Z y /111&&&= , resulta
⎪⎪
⎪
⎭
⎪⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
−
−
31
3
*
1
1
3
1
1
3
2
3*
1
2
3
2
11311 113
Z A
Z
Z
o
p
o
x Z
Z A B
x Z
Z A B
Z
Z x
Z
Z
Z
Z
r a
Z C D
dt
dy
δ
α
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −
2
3
1
1
3
2
1 11 Z
Z x
Z
Z
Z
Z o (43)
Donde a es la capacidad equivalente de la resina y pr el radio
promedio de las partículas. La ecuación (43) satisface los extremos
0=t , 01 =C , 01 = y , esto es inicialmente, no hay iones 1 en la resina,
8/16/2019 trabajo de suher bayrom de cinetica en agua.pdf
http://slidepdf.com/reader/full/trabajo-de-suher-bayrom-de-cinetica-en-aguapdf 137/137
Revisión Teórica
mientras a ∞→t , ,, 11 aC Z → 11 = y , esto es la saturación de la presión.
Para cualquier sistema iónico binario bajo control de la fase líquida, la
relación de equilibrio a la interfase dada por el factor de separación
puede escribirse así:
( )( )1
*
1
*
11'
1
1
y x
x y
−
−=α (44)
La cinética de adsorción e intercambio iónico binario controlado por
la fase líquida conduce a una expresión en “derivadas parciales”
no lineales, de segundo orden con respecto a la posición radial y de
primer orden con respecto al tiempo, requeridas para soluciones
aproximadas de métodos numéricos.
Los parámetros operacionales son estimados usando el criterio de la
minimización de una función lineal objetiva definida sobre el concepto
de los mínimos cuadrados de la diferencia del valor experimental y el
valor calculado.
Para establecer comparaciones entre la data experimental y los
resultados del modelo, es necesario considerar que a nivel de
laboratorio resulta difícil evaluar perfiles de concentración como