departamento de ingeniería metalúrgica intercambio iónico departamento de ingeniería...
TRANSCRIPT
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Cementación
Cu, Au
Intercambio Iónico
Extracción por Solventes
U, Ni, Co, Mo, Be, V, Mg, TR,Cu, Au,
Precipitación sin
ReducciónAl, Cu, Co, Mg, Be, Th, Li, Re, B, V, W, Mo
Precipitación por Reducción Química
Ni, Co, Cu
ElectrodepositaciónCu, Zn, Au, Cd, Ag,
Co, Ni, Mg
Soluciones Concentradas
Soluciones Diluidas
PLS
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
INTERCAMBIO IÓNICO
En tiempos bíblicos Moisés empleó corteza de un árbol
para obtener agua potable a partir de agua salada.
Aristóteles, haciendo pasar agua de mar a través de un
recipiente de cera obtuvo agua dulce.1850, H.S. Thompson y J.T. Way, determinan mecanismo de reacción.
1927, primera columna de zeolita mineral para eliminar Ca y Mg.
1935,B. Adams y E. Colmes, desarrollaron polímeros
orgánicos.
1945, se desarrollaron polímeros sintéticos, cationicas de
base fuerte 1947, se desarrollaron las resinas aniónicas de
base fuerte utilizando el copolímero estireno-divinilbenceno
como matriz.
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Generación de nuevas estructuras poliméricas (macro porosas, poli-
acrílicas, tipo gel) obteniéndose las resinas de intercambio que se
usan en una amplia gama de operaciones industriales
Las resinas convencionales, consisten de una matriz polimérica con
una distribución relativamente homogénea de sitios de intercambio a
través de la estructura. Los materiales intercambiadores de iones son
vendidos generalmente como esferas o algunas veces como gránulos
con un tamaño y uniformidad específicos. La mayoría de las resinas
son preparadas como esferas y por lo general su tamaño varía entre
0,3 hasta 1,2 [mm]; gravedad específica de 1,1-1,5.
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
El intercambio iónico, es la base un gran número de
procesos químicos, los cuales pueden ser subdivididos en
tres grandes categorías:
• Sustitución
• Separación
• Remoción
El intercambiador iónico, puede ser una sal, un ácido o
una base, que es insoluble en agua pero es hidratado,
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Un intercambiador iónico consiste de una matriz de
polímero y un grupo funcional que interactúa con los iones.
Matriz Poliacrílica, [acrilato, metaacrilato y
acrilonitrilo], entrelazado con DVB (divinilbenceno),
Poliacrilamidas, Poliacrilatos.
Matriz que incluyen fenol – folmadehidos
Matriz Polialkilamina.
Matriz Poliestireno, polimerización de estireno,
entrelazado con DVB genera un polímero completamente
insoluble.
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Estireno
Poliestireno lineal
Divinylbenceno
Estructura de Resinas de Intercambio Iónico
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Síntesis del copolímero estireno-divinilbenceno
Poliestireno entrelazado (crosslinked polystyrene)
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Resinas de Intercambio Catiónico
Fuertemente Ácidas (grupo sulfónico) [Amberlite IR 120;
Dowex HCR; Duolite C 20, Lewatit S 100]
Débilmente Ácidas (grupos carboxilos) [Amberlite IRC 76,
Duolite C 433, Relite CC]
Resinas de Intercambio Aniónico
Fuertemente Básicas (Tipo I, grupo Amonio
Cuaternarias) [Duolite A 101]
Débilmente Básicas (Tipo II, grupos Aminas) [Duolite A
102]
Grupos Funcionales:
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
I. Catiónico Fuertemente ácida
I. Catiónico Débilmente ácida
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Intercambiador Aniónico
Donde R puedes ser:
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Selectividad
El intercambio iónico, (ion exchange, IX), es un proceso en el cual
ocurre una reacción química reversible, donde un ión de la solución es
intercambiado por un ión, de carga similar, incluido en la partícula
sólida.
AnBRBARn n
n
n
Donde R representa la matriz y el grupo funcional de la
resina y A- es el ión intercambiable y B-n es el ión que se
desea cargar en la resina
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Propiedades
•Capacidad: número total de
sitios disponibles para el
intercambio. Puede ser expresada
en base seca como húmeda,
debiendo tener la precaución de
que el agua “capturada” por la
resina es dependiente de la
naturaleza de la estructura
polimérica.
Capacidad total versus % de entrecruzamiento, para una resina tipo sulfónico forma H+.
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Capacidad Operativa: Proporción de la
capacidad total utilizada durante el
proceso de intercambio.
•Concentración y tipo de iones ha ser
absorbidos
• Velocidad de percolación
• Temperatura
• Altura del lecho de resinas
• Tipo, concentración y cantidad de
regenerante
Agotamiento, %0 100
Dir
ecc
ión d
el Fl
ujo
a
c
b
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Estabilidad y Vida Útil:
Estabilidad química de la matriz
Estabilidad térmica de los grupos
activos
Estabilidad Mecánica
Estabilidad Osmótica
Resistencia al SecadoTamaño de partículas: Para usos industriales el tamaño de
partículas es un compromiso entre la velocidad de
intercambio (la cual es mayor con lechos pequeños) y altas
velocidades de flujos (la cual requiere de partículas gruesas
para minimizar las pérdidas de carga).
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Densidad: determina el comportamiento hidrodinámico en un
sistema contra corriente. Puede ser aumentada
artificialmente por la adición de átomos de cloruro o bromuro
a la matriz (uso en lechos fluid izados).
Intercambiadores Catiónicos
Fuertemente ácido 1,18 – 1,38 (1,28)
Débilmente ácido 1,13 – 120 (1,18)
Intercambiadores Aniónicos
Fuertemente básico 1,07 – 1,12 (1,10)
Débilmente básico 1,02 – 1,10 (1,05)
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Hinchamiento (Swelling): es una hidratación de los grupos
iónicos y aumenta con la capacidad de retención de agua
impuesta por la red polimérica.Ésta gobierna la cinética, la capacidad de intercambio y la
resistencia mecánica de las resinas. El contenido de
humedad ó moisture-holding capacity (MHC) y la cantidad de
materia seca (dry matter, DM), pueden ser determinadas
mediante: Hydr
DryHydr
P
PPMHC
Hydr
Dry
V
PDM
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Variación del contenido de humedad (A) y capacidad total
(B), con el grado de entrelazado en una resina catiónica
fuertemente ácida
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
b
a
a
b
B
A BA
AB
K
Donde: Mx concentración del ión en la resina y Mx
concentración del ión en la solución acuosa.
depende de las condiciones experimentales, tales como
la concentración y la temperatura.
B
AK
En la reacción general de intercambio, entre iones A y B de
valencias a y b, respectivamente, el coeficiente de
selectividad esta definido por:
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
La fracción equivalente, Xi, de un ion i en una solución con
una concentración de iones [C] esta definido por:
Ci
Xi
Similarmente, la fracción equivalente, de un ion i en la
resina es: Ci
X i
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
B
B
B
BB
A XX
X
X
BA
AB
11
Otra concepto útil es el Factor de separación, definido como:
Isoterma de intercambio iónico para iones monovalentes
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
INTERCAMBIO CATIÓNICO
En general es utilizado para remover iones indeseables desde
una solución sin cambiar el pH. Se pueden utilizar resinas de
formas iónicas diferentes, pero la forma sódica es
ampliamente preferida, por la baja preferencia por el sodio,
lo que facilita la adsorción de otros metales.
En cada caso, la resina es regenerada por la reacción inversa con soluciones de cloruro de sodio.
TartratoHNaKRTartratoHKNaR
Tratamiento del vino
3
2
223
2 22 HCONaCaRHCOCaNaRAblandamiento de agua
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
INTERCAMBIO DE HIDRÓGENO EN RESINAS FUERTEMENTE ÁCIDAS
ClHNaRClNaHR
El reemplazo de iones metálicos por ion hidrógeno, lleva a una reducción total del sólido disuelto en solución y la producción de ácido libre.
la resina es regenerada por la reacción inversa con ácido mineral.
Los intercambiadores débilmente ácidos son selectivos, prefieren remover cationes divalentes o trivalentes.
INTERCAMBIO DE HIDRÓGENO EN RESINAS DÉBILMENTE ÁCIDAS
OHMgRCOOOHMgRCOOH222 22
223222 COOHRCOONaCONaRCOOH
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
INTERCAMBIO ANIÓNICO
La resina más utilizada, para intercambio aniónico en
general, es la fuertemente básica en forma cloruro.
En cada caso, la resina es regenerada por la reacción inversa con soluciones de cloruro de sodio.
ClNaNORNONaClR33
Es utilizada para remover ácidos orgánicos naturales, nitratos de aguas y en hidrometalurgia para adsorber metales acomplejados anionicamente
ClnNaHumatoRHumatoNaClnR n
n
n
ClNaCNAuRCNAuNaClR 22
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
ABSORCIÓN DE ÁCIDO EN RESINAS FUERTEMENTE BÁSICAS
Es la forma de intercambio aniónico mas utilizada, cuando es
seguida por el intercambio de hidrógeno mediante resinas
fuertemente ácidas para completar procesos de
desmineralización. OHClRClHOHR2
32
HCORCOOHR
La regeneración de la forma bicarbonato de la resina requiere
de 2 equivalentes de iones OH- por equivalente de HCO3-
tomado, por que ½ OH- neutraliza el bicarbonato y lo
convierte a su forma CO2 .
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
ABSORCIÓN DE ÁCIDO EN RESINAS DEBILMENTE BÁSICAS
Las resinas débilmente básicas, en la cual el grupo activo es una amina, no tienen una forma verdadera de hidróxido. Ellas ionizan bajo condiciones ácidas.
ClCHHRNClHCHRN2323
La regeneración puede ser con amoniaco o carbonato de sodio
Bajo condiciones alcalinas, existen como bases libres y pueden adsorber ácidos. Son llamadas “forma cloruro”, pudiendo adsorber ácidos fuertes, sales neutras o no reaccionar.
3232223HCOCHHRNOHCOCHRN
ClNHCHRNNHHClCHRN423323
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
Aspectos Cinéticos
Las ecuaciones de acción de masa, aplican solamente a
sistemas en equilibrio. En practicas industriales donde una
solución fluye a través de la resina, es difícil alcanzar el
equilibrio, por lo que los resultados son influenciados por
consideraciones cinéticas. La difusión a través del film y en la fase sólida ocurren a
diferentes velocidades y una de ellas puede ser la etapa
controlante.1) Difusión del ión en la resina (difusión en la
partícula)
2) Difusión en la capa de Nernst (difusión en el
film)
La etapa más lenta es la que controla la velocidad global de
intercambio iónico
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
BAα
rDCDC
H 25
Donde: C= Conc. Total del ion en solución.
C = Conc. Total del ion en fase sólida (Capacidad
total)
D, D = Coeficiente de difusión
H = Constante de Helfferich
= Espesor de la capa de Nernst
r = radio de la resina de intercambio iónico
= Factor de separación
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Intercambio Iónico
H << 1 la difusión en la partícula es la etapa
controlante
H >> 1 la difusión en el film es la etapa
controlanteLa definición de H muestra que la difusión en el film, es
favorecida por:
• Alta capacidad de resina C
• Capa de Nernst delgada (alta velocidad de flujo)
• Baja concentración de C en la solución
• Pequeños lechos de resina
• Alta selectividad ( )