UNIVERSIDAD NACIONAL

DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

CURSO: Química II - AA-223

PRACTICA N° 06:

ABLANDAMIENTO DEL AGUA

NOMBRE FANTASIA: “Los Perrunis”

INTEGRANTES:

Atalaya Cruz María Giuliana Landeo Pacifico Leonardo Marroquin Rubio Piero Orellano Negrillo Luis Jesus Villegas Carrillo Karen

PROFESOR: Dr. Hugo David Chirinos Collantes

FECHA: Lima, 11 de Mayo de 2015

1. OBJETIVOS:

General:

Observar e interpretar el proceso de ablandamiento del agua por intercambio iónico.Específicos:

Determinación cualitativa de la dureza del agua por el método del jabón. Comparar y analizar le eficiencia de las resinas catiónicas para la eliminación de la dureza

del agua. Realizar la regeneración de las resinas catiónicas saturadas utilizadas en el proceso de

intercambio iónico. Observar la dureza del agua manifestada por el cortado de jabón.

2. MARCO TEÓRICO:

Ablandamiento del agua:

Es un proceso que quita la dureza, causada por la presencia de iones metálicos divalentes, principalmente Ca+2 y Mg+2 La dureza del agua es consecuencia del contacto con los suelos y rocas, en particular la piedra caliza, en presencia de CO2. Como se señaló en la sección 11.3.3, las concentraciones de dureza tanto carbónica como no carbónica se expresan como CaCO3.

Rara vez es necesario el ablandamiento para aguas de superficie (donde una dureza mayor de 200 mg/L es poco común), pero en ocasiones es deseable para las aguas subterráneas (donde se observan con cierta frecuencia durezas superiores a los 1.500 mg/L). El agua dura es aceptable para consumo humano, pero puede no ser adecuada para uso industrial en razón de los problemas de formación de incrustaciones que causa en las calderas. El ablandamiento con cal-carbonato y el intercambio de iones son dos de los métodos disponibles para ablandar el agua dura. En el ablandamiento con cal-carbonato, la cal (CaO) que se agrega al agua se hidrata a Ca(OH)2, el cual elimina la dureza carbónica conviniendo el CaHCO3 soluble en CaCO3 insoluble, y el MgHCO3 soluble en CaCO3 insoluble y MgCO3 soluble. Este MgCO3 soluble se precipita después como Mg (OH)2 y CaCO3 con la adición de más cal. La dureza no carbónica (por ejemplo, CaSO4 y MgSO4 solubles) se precipita como CaCO3 agregando carbonato de sodio (Na2CO3). Con el Intercambio de iones, el agua dura se fuerza a través de una resina de intercambio jónico como la zeolita, la cual extrae de manera preferente los iones Ca+2 y Mg+2 del agua y liberan iones Na+, los cuales forman sales solubles.

Las resinas de intercambio jónico utilizadas para el ablandamiento de agua son corrientemente materiales polímeros hechos en forma de pequeñas cuentas. Se incorporan a la resina grandes aniones orgánicos. En la resina que se coloca en la columna estos aniones grandes están emparejados con cationes sodio. A medida que el agua circula a través de la columna, los iones sodio de la resina se intercambian con los iones calcio y magnesio de la solución, de acuerdo con las siguientes reacciones:

Los iones calcio y magnesio se eliminan de este modo del agua; pasan a la fase sólida y son sustituidos en el agua por iones sodio. Los iones calcio se seguirán eliminando continuamente mientras la constante de equilibrio (ec. 3-22) de la reacción de intercambio iónico no se alcance. Un criterio similar es aplicable a la eliminación del magnesio.

Después de un período determinado de tiempo se habrá eliminado suficiente Ca++ y Mg++ de la corriente de agua que circula a través del lecho de modo que el contenido de Ca++ y/o Mg++ de la resina en todos los puntos del lecho se aproximará al valor de equilibrio dado por la ecuación 3-22.

El uso posterior del lecho dejaría demasiado Ca++ y Mg++ en el agua efluente. En este punto la resina ya utilizada podría sacarse del lecho y sustituirse por resina Na+ pura. Sin embargo, un procedimiento más barato es regenerar la resina ya utilizada. Esto se consigue pasando una solución concentrada de NaCl a través del lecho como se muestra en la figura 3-13. El elevado contenido de Na+ en la solución invierte la reacción de intercambio iónico y, de acuerdo con la

ecuación 2-22, el Na+ sustituye al Ca++ y al Mg-E+ en la resina haciéndola válida para su utilización en el ablandamiento de agua.

El agua dura debe ser purificada, ya que su uso puede ocasionar inconvenientes en la industria, como por ejemplo la precipitación de las sales causantes de la dureza en tubos y cañerías, con la consecuente disminución de la capacidad de los mismos. En el ámbito doméstico, uno de sus mayores inconvenientes es el de la dificultad para el lavado, debido a que no produce espuma con el jabón, además de que estropea electrodomésticos y su posible olor desagradable. El ablandamiento químico consiste en eliminar las sales para evitar estos problemas.

El agua dura al aplicarle el método del jabón no produce espuma, lo cual se denomina cortado del jabón. Este es una sal de sodio que disuelta en agua, o dispersa coloidalmente, produce espuma. En cambio, las sales de los cationes calcio y magnesio son insolubles en agua, y solo se lograra espuma en agua dura si se agrega jabón en exceso.

La dureza del agua se puede clasificar en dureza permanente o temporaria. La primera es aquella que no puede ser eliminada al hervir el agua, y es causada por cationes de calcio y magnesio asociados a cualquier anión que no sea carbonatos. Por ejemplo, CaSO4 o MgCl2. La dureza temporal se debe al calcio o magnesio asociados a carbonatos (carbonato ácido o bicarbonato), y puede ser eliminada al hervir el agua. Por ejemplo, Ca(HCO3)2 o Mg(HCO3)2. El bicarbonato de estos cationes se convierte por el calentamiento en dióxido de carbono, agua, y carbonato de catión, que precipitará, dejando al agua menos dura.

3. METODOLOGIA

REACTIVOS:

JABON: El jabón es un producto que sirve para la higiene personal y para lavar determinados objetos. Se puede encontrar en pastilla, en polvo, en crema o en líquido.El jabón generalmente son sales sódicas o potásicas resultadas de la reacción química entre un álcali (generalmente hidróxido de sodio o de potasio) y algún ácido graso; esta reacción se denomina saponificación. El ácido graso puede ser de origen vegetal o animal, por ejemplo, manteca de cerdo o aceite de coco. El jabón es soluble en agua y, por sus propiedades detersivas, sirve comúnmente para lavar.Tradicionalmente es un material sólido. En realidad la forma sólida es el compuesto "seco" o sin el agua que está involucrada durante la reacción mediante la cual se obtiene el jabón, y la forma líquida es el jabón "disuelto" en agua, en este caso su consistencia puede ser muy viscosa o muy fluida.

CLORURO DE SODIO: El cloruro de sodio, más conocido como sal de mesa, o en su forma mineral halita, es un compuesto químico con la fórmula NaCl. El cloruro de sodio es una de las sales responsable de la salinidad del océano y delfluido extracelular de muchos organismos. También es el mayor componente de la sal comestible, es comúnmente usada como condimento y conservante de comida. En la antigüedad, el cloruro de sodio era muy apetecido como un bien transable y como condimento, y se remuneraba en la época preclásica romana a los soldados que construían la Vía Salaria que empezaba en las canteras de Ostia hasta Roma con un generoso salarium argentum. También era el salario de un esclavo ya que se entregaba una pequeña bolsa con sal; por lo que la palabra asalariado tiene un significado etimológicamente peyorativo.

RESINA CATIÓNICA: Los filtros de resinas en ciclo sódico tienen como finalidad darle un tratamiento al agua para disminuir la dureza, que principalmente se debe al calcio y magnesio en solución.Para disminuir la dureza a niveles mínimos, se emplea una resina que extrae el calcio y el magnesio del agua, dejando un agua blanda. Para este fin en un filtro de resinas se tiene un recipiente dentro del cual hay un determinado volumen de resina; mientras mayor sea la cantidad de resina mayor es la capacidad del filtro.El agua fluye de arriba hacia abajo dentro del filtro, por lo que el agua tiene contacto con la resina y de esta manera son removidos calcio y magnesio, saliendo por la parte inferior del filtro agua blanda o de baja dureza.

La resina tiene una cierta capacidad, por lo cual después de que ha pasado un determinado volumen de agua, la resina se satura y ya no es capaz de cumplir su función. El tiempo de duración de la resina cumpliendo su función adecuadamente depende de la dureza del agua tratada así como del volumen de agua que se pase por el filtro. Si la dureza es muy alta, la resina se satura rápidamente; y de la misma manera: si el volumen de agua es muy alto la resina se satura en menor tiempo.

Ciclo sódico:

R−Na+Z−A→R−Z+Na−A

R: cadena de la resinaZ: catión (p. ej.: Ca2+, Mg, Na+, K+, etc.)A: anión (p. ej.: Cl-, SO4=, HCO3-, CO3=, etc.)

El intercambio catiónico en el ciclo del hidrógeno se utiliza para obtener agua de alimentación de calderas de baja presión (menos de 400lb/pulg.2), cuando el agua cruda tiene alta alcalinidad de bicarbonatos, baja dureza y contenido de sílice. También se aplica en la obtención de hielo cuando se desea obtener un producto cristalino, en corto tiempo y que no sea quebradizo. Tiene aplicaciones en la manufactura gaseosa en donde se requiere baja alcalinidad, baja dureza y adecuado PH. En este proceso de utilizan zeolitas de hidrógeno, que tienen la capacidad de intercambiar iones hidrógeno por los de calcio, magnesio, sodio.

Ciclo ácido:R−H+Z−A→R−Z+H−A

R: cadena de la resinaZ: catión (p. ej.: Ca2+, Mg, Na+, K+, etc.)A: anión (p. ej.: Cl-, SO4=, HCO3-, CO3=, etc.)R: Regeneración de materiales de resinas de intercambio iónico

MATERIALES

SOPORTE UNIVERSAL: Es un utensilio de hierro que permite sostener varios recipientes.

ERLENMEYER: Es utilizado principalmente para la preparación de soluciones. Frasco con Base redonda, la cual posee una estructura cónica en la zona del medio y en la zona superior se aprecia una boca con cuello estrecho. Cuando se habla de Matraz Erlenmeyer, se está hablando de un matraz graduado que contiene marcas que indican un determinado volumen. Se encuentran en distintas capacidades.

TUBO DE ENSAYO: Es un recipiente en forma cilíndrica con un extremo abierto y el otro redondeado, es comúnmente utilizado en laboratorios para colocar pequeñas muestras liquidas.

BURETA (+/-0.5ml): Instrumento de vidrio, este sirve para realizar titulaciones y cálculos más exactos con el volumen.

Experimento 1

Determincaion cualitativa de la dureza del agua

Experimento 2

Determinar si el agua de caño presenta dureza

Agua de caño

1 gota de jabon

Burbujas

El agua dura no corta a las burbujas

Agua de caño

Transvasar y lavar

5 ml de resina

Adicionar agua de caño cada 50 ml

Anotar el volumen de agua blanda

Se obtuvo 300 ml de agua blanda

Regenerar y repetir 3 veces

4. DATOS Y OBSERVACIONES

DATOS :

Reactivos Peso Molecular Concentración

NaCl 58,44 g/mol 5%

Jabón - -

OBSERVACIONES :

PRIMER EXPERIMENTO: “Determinación cualitativa de la dureza del agua (método del jabón)”

SEGUNDO EXPERIMENTO: “Ablandamiento por intercambio ionico”

Se observó, que al momento de echar unas gotas de solución de jabón, se formó una muy pequeña cantidad de espuma, lo que evidencia que la muestra de agua de laboratorio 20 presenta un grado de dureza.

*Primera alícuota (50 primeros ml)

*Segunda alícuota (50 segundos ml)

*Tercera alícuota (50 terceros ml)

*Resina saturada

Se observó una gran cantidad de espuma, lo que evidencia la presencia de agua blanda, además de demostrar un alto grado de eficiencia de la resina catiónica utilizada.

Se observó una menor cantidad de espuma con respecto a la alícuota anterior, lo que demuestra la presencia de agua blanda pero en menor cantidad que la anterior, Es decir la resina catiónica a disminuido su eficiencia al pasar el tiempo.

Se observó, una muy poca cantidad de espuma en el tubo de ensayo, esto evidencia la presencia de dureza en el agua y la saturación de la resina catiónica, para lo cual se debe realizar una regeneración para el caso de la resina cationica.

5. CALCULOS Y RESULTADOS

EXPERIEMTNO 1

Determinación cualitativa dureza del agua Método del jabón.

2JNa + Ca2+ ---------------- 2JCa + 2Na+

EXPERIMENTO 2

Ablandamiento por intercambio ionico

Agua dura + Resina ---------------------- Agua blanda + Resina

(Con alta concentración de Ca+ y Mg+) ()Saturada de Na+) (Saturada con Na+) (Saturada con Ca+ y Mg+)

CONCLUCIONES

*Al realizar el primer experimento, debido a la presencia de una muy poca cantidad de espuma (casi nada), concluimos que el agua de laboratorio 20 de la facultad de ingeniería ambiental presenta un alto grado de dureza.

*A lo largo de la realización de la práctica de laboratorio (segundo experimento) , logramos comprobar que a medida que el tiempo transcurre la eficiencia de la resina catiónica disminuye, ya que al ir sacando alícuotas de los diferentes volúmenes, la espuma en el tubo de ensayo disminuye lo que indica la disminución del ablandamiento del agua, para que al finalizar, la eficiencia de la resina catiónica disminuya, saturándose.

Se notó que luego de utilizar la resina catiónica y obtener las tres alícuotas, esta aumento su volumen en 3 ml, además de un cambio de color de un amarillo zapallo intenso al inicio, a un amarillo zapallo claro al final.

*Al haber notado la saturación de la resina catiónica dando como consecuencia una disminución de su eficiencia, se concluye que se debe proceder a una regeneración con sal de NaCl al 5% y un lavado con agua.

BIBLIOGRAFÍA:

Título: Ingeniería Ambiental – Segunda ediciónAutor: J. Glynn Henry y Gary W. Heinke

Título: Procesos de separaciónAutor: C. Judson King Editorial: Reverté, S.A

Título: Tratamiento de aguas industriales: Aguas de proceso y residualesAutor: Miguel Rigola Lapeña