UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA

AMBIENTAL

CURSO: QUÍMICA II

TÍTULO: DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA

NOMBRE GRUPO: LOS TIGRES

INTEGRANTES:

ALHUAY CASTRO EMMANUEL CLAUDIO JAVIER YHON ABDEL CONDE HUAYHUA DENNIS YAURICASA JERONIMO LUIS ALBERTO

PROFESOR: DR. HUGO DAVID CHIRINOS COLLANTES

CIUDAD Y FECHA: LIMA 11 DE MAYO DE 2015

ÍNDICE

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Objetivos ……………………………………………………………………………………………… 03

Marco teórico…………………………………………………………………………………………… 04

Metodología……………………………………………………………………………………………… 07

Datos/observaciones……………………………………………………………………………… 12

Cálculos y resultados……………………………………………………………………………… 13

Discusión…………………………………………………………………………………………………… 14

Conclusiones…………………………...………………………………………………………………… 15

Respuesta a las preguntas……………………………………………………………………… 15

Bibliografía………………………………………………………………………………………………… 17

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OBJETIVOS

GENERALES

Aplicar el método de intercambio iónico para desmineralizar el agua.

ESPECÍFICOS

Identificar el ion sulfato (SO4−2) en el agua de caño del lab-20.

Identificar el ion cloruro (Cl−1) en el agua de caño del lab-20. Desionizar o desmineralizar el agua de caño del lab-20

mediante la resina de intercambio catiónico. Desionizar o desmineralizar el agua de caño del lab-20

mediante la resina de intercambio aniónico.

MARCO TEÓRICO

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INTERCAMBIO IÓNICO

Es un proceso por el cual iones retenidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales con carga eléctrica, sobre la superficie de un sólido, son intercambiados por iones de carga similar en solución. Este intercambio es el desplazamiento de un ion por otro; tal como se aplica en tratamiento de aguas, es el intercambio reversible de iones entre un líquido y un sólido, sin ningún cambio radical en la estructura física del sólido. Un intercambiador iónico debe, por tanto, poseer iones intercambiables por otros. Las resinas sintéticas, usadas para intercambio iónico, se diferencian entre sí por la matriz usada para fabricarlas y por el grupo funcional adherido a la matriz y empleado para la adsorción. Algunas resinas adsorbentes no poseen grupos funcionales adicionales, pero lo mas común es que lo posean para hacer posible su intercambio con las sustancias que van a ser removidas por intercambio iónico o por acción específica con el grupo funcional.

Se denomina intercambio catiónico o intercambio básico el desplazamiento de un ion positivo o catión, por otro ion positivo. En aguas naturales dichos cationes son por regular calcio, magnesio, sodio, hierro y manganeso; en aguas residuales, generalmente metales y amonio. De la manera se denomina intercambio aniónico o intercambio ácido, el desplazamiento de un ion negativo o anión, por otro ion negativo. En aguas naturales dichos aniones son comúnmente cloruro, sulfato, nitrato, carbonato, hidróxido y fluoruro.

El proceso de intercambio iónico puede ser de flujo continuo o en cocha. En cochada, la resina se agita con el agua hasta completar la reacción; a continuación se extrae la resina por sedimentación, se regenera y se reutiliza; en el proceso continuo la resina se coloca en un lecho o reactor y el agua se pasa a través de ella.

Romero Rojas Alberto. Purificación del agua. Segunda edición. Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá, Colombia. Junio de 2006, pp 355,365.

Reacciones químicas de intercambio iónico.

Las cuatro clases de resinas más importantes son:*Fuertemente ácidas.* Débilmente ácida.*Fuertemente básicas.*Débilmente básicas.El contraión cambiable de una resina acida puede ser el hidrogeno o un catión monovalente como el sodio; Mientras que para una resina aniónica el contraión cambiable puede ser un hidróxido o algún anión

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monovalente como el cloro. El regenerante será un ácido, base o sal correspondiente.

A continuación se dan algunas reacciones típicas de Intercambio para los distintos tipos de cambiadores funcionales. Cuando los contraiones cambiables de la resina han sido sustituidos sustancialmente, la resina se regenera con una solución fuerte (2 al 10% en peso) del contraión cambiable.

Resina catiónicas fuertemente ácidas.

Estas resinas fijan los cationes que están unidos a los iones cloruros, nitratos sulfatos y silicatos quedando en el agua los ácidos de las sales inicialmente presentes en el agua.

CaSO4+R−2H→R−Ca+H 2SO4

MgSO4+R−2H→R−Mg+H 2SO4

Na2SO4+R−2H→R−2Na+H 2SO4

K SO 4+R−2H→R−2K+H 2SO4

CaCl2+R−2H→R−Ca+2HCl

MgCl2+R−2H→R−Mg+2HCl

NaCl+R−2H→R−2Na+2HCl

2KCl+R−2H→R−2K+2HCl

Ca(N O3)2+R−2H→R−Ca+2HNO3

Mg (N O3)2+R−2H→R−Mg+2HNO3

2NaNO3+R−2H→R−2Na+2HNO3

2KNO3+R−2H→R−2K+2HNO3

CaSiO3+R−2H→R−Ca+H 2SiO3

MgSiO3+R−2H→R−Mg+H 2SiO3

Na2SiO3+R−2H→R−2Na+H 2SiO3

K2SiO3+R−2H→R−2K+H 2SiO3

Resinas catiónicas débilmente ácidas.

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Las resinas son capaces de liberar el ácido carbónico de los bicarbonatos por fijación de los cationes Ca++¿ , Mg++¿ ,Na+¿ ,Ca+¿ ,ect .¿ ¿¿ ¿Pero no intercambian los cationes unidos a los aniones sulfatos, cloruros y nitratos.

Si consideramos a las resinas de intercambio catiónico como R−2H , donde R es el radical fijo y H+¿¿ el iónde sustitución ,tendremos la siguientes reacciones (de acuerdo a los cationes presentes):

Ca(HCO3)2+R−2H→R−Ca+H 2CO3(H 2O+CO2)

Mg (HCO3)2+R−2H→R−Mg+H 2CO3(H 2O+CO2)

2NaHCO3+R−2H→R−2Na+H 2CO3(H 2O+CO2)

2K HCO3+R−2H→R−2K+H 2CO3(H 2O+CO2)

Resinas aniónicas fuertemente básicas.

a) Forma básica, se regenera conNaOH

2 R−R3' NOH+SO4

−2→ (R−R3' N )2SO4+2OH−¿ ¿

b) Forma clorada se regenera con NaCLoHCl .

2 R−R3' NCl+SO4

−2→ (R−R3' N )2SO4+2Cl−¿¿

Cuando el intercambiador aniónico de bases fuertes, fijan los aniones de los ácidos débiles como el ácido carbónico y el ácido silícico, las reacciones serían:

R−2OH +H 2CO3→R−CO3+2H 2O

R−2OH +H 2SiO3→R−SiO3+2H 2O

Cuando existe pase de sodio después del intercambiador catiónico de ácidos fuertes, se lleva a cabo la siguiente reacción.

R−2OH +2NaCl→R−2Cl+2NaOH

Esta última reacción, obviamente provoca la elevación del PH del agua por encima de 9.

Resina aniónicas débilmente acidas.

a) Forma básica o base libre, se regeneran con NaOH , NH 4OH ,Na2CO3

2 R−NH 3OH +SO4−2→ (R−NH 3)2SO4+2OH−¿¿

b) Forma clorada se regeneran con HCl .

2 R−NH 3Cl+SO4−2→ (R−NH3 )2SO4+2Cl−¿¿

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Intercambiador aniónico de base débil: estos fijan los aniones de los ácidos fuertes, como sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones provenientes de los ácidos débiles como del ácido carbónico, o del ácido silícico.

R−2OH +2HCl→R−2Cl+2H 2O

R−2OH +H 2SO4→R−SO4+2H 2O

R−2OH +H NO3→R−2NO3+2H 2O

Muños Elguera, A. (2009). Tratamientos avanzados de aguas. Lima: Editorial universitaria de la Universidad Nacional de Ingeniería. PP 26, 27 y 28.

METODOLOGÍA

Resina catiónica

Resina de poliestireno alto grado de pureza, con alta eficiencia en intercambio iónico diseñado

para su uso en aplicaciones industriales o domésticas en equipos para suavización de agua eliminando la dureza iones, por ejemplo, calcio y magnesio, sustituyéndolos con los iones de sodio. Cuando la capa de resina se agota con iones de dureza, se regenera a la capacidad inicial con sal común.

Resina aniónica

Una resina aniónica se produce a partir del mismo copolímero empleado en resinas catiónicas, pero la activación superficial se hace por clorometilación seguido de una aminación del polímero. El resultado son grupos amino superficiales R3-N+, los cuales están cargados positivamente y son susceptibles de intercambiarse por aniones que se ponen en su contacto.

Cloruro de Bario (BaCl2)

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Se trata de un sólido de color blanco. El cloruro de bario es una sal neutra formada por 1 átomo de bario, 2 átomos de cloro.Propiedades:Densidad: 3,86 g/cm3.Masa molar: 208,233 g/mol.Punto de fusión: 962 °C.Punto de ebullición: 1560 °C.

Nitrato de Plata (AgNO3)

El nitrato de plata es la sal menos costoso de plata; que ofrece varias otras ventajas también. Es no higroscópico, a diferencia de fluoroborato de plata y perclorato de plata. Es relativamente estable a la luz. Por último, se disuelve en numerosos disolventes, incluyendo el agua. El nitrato puede ser

fácilmente reemplazado por otros ligandos, lo que hace AgNO3 versátil. El tratamiento con soluciones de iones haluro da un precipitado de AgX. Al hacer una película fotográfica, nitrato de plata se trata con sales de haluro de sodio o de potasio para formar haluro de plata insoluble in situ en gelatina fotográfica, que luego se aplica a las tiras de tri-acetato o poliéster. Del mismo modo, el nitrato de plata se utiliza para preparar algunos explosivos basados en plata, tales como el fulminato, acida, o acetiluro, a través de una reacción de precipitación.

Ácido clorhídrico (HCl)

Líquido incoloro que humea al aire y posee un olor punzante.

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Puede presentar una tonalidad amarillenta por contener trazas de cloro, hierro o materia orgánica. Es un ácido de alta estabilidad térmica y posee una amplia variedad de aplicaciones. Es obtenido por combinación y absorción en agua de cloro e hidrógeno gaseosos. Es una sustancia de gran utilidad en nuestros días por los químicos en los laboratorios y las industrias. Después del ácido sulfúrico, es el ácido de mayor importancia a escala industrial.

Cloruro de Sodio (NaCl)

El cloruro de sodio, también conocido como sal común, es un componente necesario para la salud humana.Está destinado a ser consumido en cantidades mínimas y provee al cuerpo con electrolitos y ayuda a relajar los músculos.Cuando se consume en grandes cantidades, puede dar lugar a problemas de salud no deseados, como la presión arterial alta.El cloruro de sodio se encuentra

en abundancia en muchos productos y muchas culturas consumen lo que se considera que son niveles peligrosamente altos de éste.PizetaLa pizeta es un recipiente cilíndrico sellado con tapa rosca, el cual posee un pequeño tubo con una abertura capaz de entregar agua o cualquier líquido que se encuentre contenido en su interior, en pequeñas cantidades.

Agua destilada

En el agua destilada solo se encuentra hidrogeno y oxígeno, sin ningún otro tipo de residuo orgánico o inorgánico, es decir agua pura. A diferencia, las aguas de consumo doméstico o embotellado aparte del sabor y olor característico presentan concentraciones de cloruros, sulfatos, sodio, carbonatos, etc. Así como metales pesados,

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pesticidas o restos microbiológicos que en definitiva son residuos que tiene que eliminar nuestro organismo.

Soporte universal

El Soporte Universal es una herramienta que se utiliza en laboratorio para realizar montajes con los materiales presentes en el laboratorio permitiendo obtener sistemas de medición y preparar diversos experimentos. Está conformado por una base o pie rectangular, el cual permite soportar una varilla cilíndrica que permite sujetar diferentes materiales con ayuda de dobles nueces y pinzas.

Jabón

El jabón es un agente limpiador o detergente que se fabrica utilizando grasas vegetales y animales y aceites. Químicamente, es la sal de sodio o potasio de un ácido graso que se forma por la reacción de grasas y aceites con álcali.

DIAGRANMA DE FLUJO

Experimento 1:

Determinación de SO4 en agua de caño:

Determinación de CL- en agua de caño

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2ml agua de caño

2-3gotas de BaCl2

Observar un precipitado blanco

2-3 gotas de AgNO3

2ml agua de caño

Experimento 2:

Des ionización del agua:

DATOS Y OBSERVACIONES

Jabón BaCl2 AgNO3 Resina catiónica

Resina aniónica

Color Rosado tenue

incoloro incoloro Dorado Amarillo tenue

Volumen 3 gotas 2-3 gotas

2-3 gotas

2ml 2ml

Concentración

- - 5% - -

Experimento 1)

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Observar la formación de una

opalescencia

Columnas de intercambio iónico

Colectar (A) Colectar

Resina catiónica

Resina aniónica

Agua colectada en resina

catiónica(A)

Agua de caño (constantemente)

Análisis correspondientes

Regenerar la resina con HCl.

Regenerar la resina con NaOH.

Algodón

Desmineralización

Agua destilada(Activar-resina)

Bureta 1 Bureta 2

Desmineralización Desmineralización

Análisis correspondientes

Desmineralización

Al hacer el análisis de agua de caño con jabón se formó espuma (volumen mínimo) que después se desvaneció (cortado de jabón).

Al añadir BaCl2 al agua de caño se notó un precipitado de color blanco.

Al añadir AgNO3 al agua de caño se notó la formación de una opalescencia.

Al hacer el análisis de sólidos totales disueltos del agua de caño en el omnímetro se obtuvo los siguientes resultados: 603ppm, 1200us/cm y (24,6 °C).

Experimento 2)

Al hacer el análisis de la dureza temporal con jabón en los primeros 50ml colectados al hacer pasar por la resina catiónica se dio la formación de espuma pero luego se desvaneció (cortado de jabón).

Al hacer los análisis correspondientes para la determinación de los iones sulfato y cloruro a los 100ml colectados al hacer pasar por la resina catiónica se notó un precipitado de color blanco y la opalescencia respectivamente.

A los 100ml colectados se hizo el análisis de jabón y se notó el proceso de cortado de jabón y al determinar los sólidos totales disueltos se obtuvo los siguientes resultados 922ppm, 1822us/cm (24.7°C).

A los primeros 100ml colectados al hacer fluir por la resina aniónica se le determinó los sólidos totales que contenía y su conductividad llegando a los siguientes 730ppm, 1455us/cm, (24.7°C).

Después de la regeneración al hallar los sólidos totales y su conductividad, luego de hacer pasar agua de caño por la resina catiónica se determinó 394ppm, 805us/cm (25°C).

Después de la regeneración de la resina aniónica se hizo fluir agua ablandada, colectada en el intercambio catiónico, por esta columna de intercambio aniónico después se halló en el omnímetro los sólidos totales que contenía y su conductividad en la que se obtuvo los siguientes resultados 3.64ppm y 6.83us/cm (25°C)

CÁLCULOS Y RESULTADOS

En Análisis de sólidos totales disueltos (STD) del agua de caño se obtuvo:

STD: 603ppm Conductividad: 1200us/cm

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Temperatura: 24,6°C

Después de hacer fluir por la resina catiónica.

Después de hacer fluir por la resina aniónica.

Antes de la regeneración

922ppm(STD)1822us/cm(conductividad)24.7°C(temperatura)

730ppm(STD)1455us/cm(conductividad)24.7°C(temperatura)

Después de la regeneración

394ppm(STD)805us/cm (conductividad)25°C(temperatura)

3.64ppm(STD) 6.83us/cm(conductividad)25°C(temperatura)

Nota: los datos de color azul en la tabla anterior no figuran en el reporte debido que se nos olvidó escribirlo.

Rendimiento (n) final del proceso de desionización del agua: Sólidos totales del agua de caño: 603ppm Sólidos totales del agua desionizada: 3,64ppm

n=603 ppm−3,64 ppm603 ppm

100%=99,39%

Se logró desmineralizar el agua de caño en un 99.39% resultando este proceso muy eficiente.

Reducción de la conductividad (m):

m=1200 ppm−6.83 ppm1200 ppm

100%=99,43%

Por tanto se logró reducir la conductividad del agua de caño en un 99.43%

DISCUSIÓN

Agua colectada después de hacer fluir por la resina catiónica.

Al realizar el análisis con jabón de los primeros 50ml de se consiguió agua ablandada esto debido a que no se produce el proceso de cortado del jabón.

Al realizar en análisis de los iones SO4-2 y Cl-1 en los primeros

100ml los resultados fueron positivos, si tiene estos iones, esto debido a que la resina catiónica no retiene los aniones sino solo los cationes.

Al realizar el análisis de la dureza del agua con jabón en los primeros 100ml se formó espuma que después se desvaneció, esto se debe a que la resina se saturo.

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Después del hacer el análisis de sólidos totales disueltos y la conductividad, a los primeros 100ml de agua, se tiene que la cantidad de sólidos totales disueltos y la conductividad aumentan de 603ppm a 922ppm y de 1200us/cm a 1822us/cm, la cual está errada ya que según la literatura debería disminuir, sin embargo buscando el por qué al problema se llegó al siguiente resultado (que fue la mas acertada de muchas):Los materiales (bureta) usados no estaban limpios contenían impurezas, estas proporcionaron mayor cantidad de sólidos, por ello aumentó la cantidad de sólidos totales, sin embargo este proceso realizó la limpieza del material, por lo que después de la regeneración se obtuvieron los resultados esperados con una eficiencia de hasta un 99.39% en la reducción de STD.

El agua de caño después de desionizar en resina catiónica se pasó a la columna de intercambio aniónico (resina aniónica), al agua colectada se le determinó la cantidad de sólidos totales y se obtuvo un disminución(de 922ppm a 730ppm ) respecto al agua colectada en el intercambio catiónico, la cual es correcta, sin embargo es erróneo respecto al agua de caño pues los sólidos totales aumentaron(de 603ppm a 730ppm) encontrándonos con una contradicción, esto debido al mismo problema que se arrastró desde un principio, la suciedad delos instrumentos.

Después de la regeneración los resultados fueron correctos porque la cantidad de sólidos totales disueltos y la conductividad en el agua desionizada, por la resina catiónica, disminuyó (de 603ppm a 394ppm; 1200us/cm a 850us/cm), de la misma manera con el agua desionizada por la resina aniónica pasó de 349ppm a 3.64ppm y la conductividad de 805us/cm a 6.83us/cm

CONCLUCIONES

Se determinó que el agua de caño de laboratorio 20 presenta dureza temporal iones (Ca¿¿+2 ,Mg+2)¿ y dureza permanente (SO4

-2 , Cl-1 )

Se logró ablandar el agua de caño: Análisis con jabón no se dio el cortado de jabón Los sólidos totales disueltos disminuyeron de 603ppm

a 3,64ppm y su conductividad de 1200us/cm a 6,83us/cm. mediante el proceso de intercambio iónico, catiónico y aniónico.

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RESPUESTA A LAS PREGUNTAS

1. ¿Qué es el agua potable? Características

Es una solución que contiene la cantidad de sales necesarias y que está libre de contaminantes y microorganismos patógenos. Lo que la hace apto para el consumo humano y para que sea potable tiene que pasar por distintos procesos como:

Tamizado, pre cloración, coagulación, sedimentación, filtración, cloración y fluoración.

Sus características son múltiples. Un resumen es el siguiente:

A. Calidad estética: color, olor, sabor, turbiedad, pH, alcalinidad entre otras.B. Calidad microbiológica: debe estar libre de organismos coliformes fecales (son microorganismos con una estructura parecida a la de una bacteria común que se llama Escherichia coli).

C. Calidad química: debe estar dentro de límites establecidos por la Organización Mundial de la Salud para sustancias tóxicas y plaguicidas. Algunos tóxicos importantes son: plomo, mercurio, cadmio, cromo, arsénico, etc.

2. ¿Qué es agua desionizada?El agua desionizada o desmineralizada es llamada así porque se le han quitado, mediante resinas de intercambios iónico de lecho mixto, los cationes, como los de sodio (Na), calcio (Ca), hierro (Fe), cobre (Cu), ya aniones como el carbonato, fluoruro, cloruro, entre otros. Estos significa que el agua se le han quitado todos los iones excepto el H+, o más rigurosamente H3O+ y el OH-, pero puede contener pequeñas cantidades de impurezas no iónicas como compuestos orgánicos.

3. Uso de agua desionizadaUso científicoEl agua desionizada se usa de manera amplia en muchas investigaciones o campos científicos porque los iones en el

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agua pueden afectar de forma adversa los resultados que se intenta alcanzar. De todos modos, en muchos casos en la esfera científica, primero debe tratarse para incrementar su pureza aún más. Otra razón por lo que esta forma de agua se utiliza es debido a que no conduce la electricidad así como otros tipos de agua que pueden contar con mayor carga de iones.

Otros usos

El agua desionizada se utiliza con algunas baterías de auto para asegurar o extender la vida útil de la batería. También se usa como parte del enjuague en algunos lavaderos de autos. Algunos otros productos en los que podría usarse incluyen cosméticos y artículos de limpieza.

4. Porque la resina Catiónica para ablandamiento se regenera con NaCl y la resina Catiónica para desmineralización se regenera con HCl

En el proceso de desmineralización los iones intercambiados no deben contribuir con sólidos disueltos al efluente, razón por la cual se intercambian primero los cationes por hidrogeno (en HCl) y luego por OH- .El H+ y el OH- se combinan para formar H2O, así no hay solidos disueltos residuales ni se afecta el pH. Las resinas se regeneran con ácido y base, en este orden. Cuando no se desea agua afluente y se provee agua estabilizada.

BIBLIORGRAFÍA

Muños Elguera, A. (2009). Tratamientos avanzados de aguas. Lima: Editorial universitaria de la Universidad Nacional de Ingeniería. PP 26, 27 y 28.

Romero Rojas Alberto. Purificación del agua. Segunda edición. Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá, Colombia. Junio de 2006, pp 355,365.

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