LABORATORIO Nº6 DESIONIZACION DEL AGUA

QUIMICA

INTEGRANTES:

Acuña Villalba , Miguel 20091354J Alvino Granados, Katherine 20092688I Ramón Gamboa, Karina 20092664B Yañe Chumbe, Yonathan 20101259D

PROFESOR:

ING. CESAR MASGO

CURSO:

QUIMICA II - PRACTICA DE LABORATORIO NO6

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DESIONIZACIÓN DEL AGUA

O

B JE

TIVOS:

Se

busca desmineralizar el agua que contiene iones como Ca+2, Mg+2, Cl-, SO4

-, etc.; un primer proceso es el

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ablandamiento del agua, esto mediante el uso del lecho de resina catiónica y posteriormente el uso del lecho de resina aniónica, las cuales realizan el intercambio iónico; para obtener agua de mayor pureza que se pueda asemejar a la que se consigue mediante el método de destilación, que es el mas usado en estos casos.

FUNDAMENTO TEORICO:

Intercambio iónico

Es un método ampliamente utilizado en tratamiento de agua. El intercambio iónico consiste en reemplazar iones entre la resina y el medio. La resina es un producto sintético, sólido, insoluble en agua cargada con iones positivos y negativos

Existen varios tipos de intercambio iónico:

Descalcificación(o ablandamiento)Desionización (o desmineralización)

En la descalcificación, se intercambian los iones calcio y magnesio (ambas sales incrustantes) por iones sodio (que forma sales no incrustantes). Es importante decir que este intercambio no produce una disminución de la salinidad del agua tratada, sino que únicamente supone un cambio de la composición del agua tratada.

La desionización, intercambia iones mediante dos tipos de resina. Una está cargada positivamente con iones H+ (que intercambia H+ por Ca, Na, Mg, Al…) y otra está cargada negativamente con iones OH- (que intercambia OH-, por Cl, SO4, CO3, HCO3…)En este intercambio se liberan al medio los grupos H+ y los OH- , formando el compuesto H2O.

Resinas de intercambio catiónico

Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo.

Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante.

En los copolímeros de estireno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinilbenceno y el contenido de este último está directamente relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con su porosidad.

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Resina catiónica (suavizadora)

Resina catiónica de ácido fuerteMateria prima: Esferas de poliestirenoColor: Claro, dorado o rojizoNúmero de malla: 16 - 50.Presentación : Sacos de 1 ft3 Aplicaciones:

Suavizadores de agua

Retención de calcio y magnesio.

Resinas catiónicas de ácido fuerte

Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH.

Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).

Resinas catiónicas de ácido débil

Tienen menor capacidad de intercambio. No son funcionales a pH bajos.

Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las pérdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior. Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.

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Resina aniónica

Resina aniónicaMateria prima: Esferas de poliestireno Color: Claro, dorado o rojizoNúmero de malla: 16 - 50.Presentación : Sacos de 1 ft3 Aplicaciones:

Desmineralización de agua.

Resinas aniónicas de base débil:

Utiliza principalmente para remover ácidos fuertes como los cloruros los sulfatos y los nitratos. Las moléculas orgánicas grandes también son rápidamente removidas por la resina y fácilmente desprendidas durante la regeneración debido a su alta porosidad.

Resinas aniónicas de base fuerte:

Tiene la capacidad de alcanzar niveles bajos de sílice residual. Requiere cantidades mínimas de sosa cáustica, basada en poliestireno de amonio cuaternario, muestra excelente eficiencia en las características de regeneración y enjuague. Funciona bien en los sistemas (Doublite) en desmineralizadores ya sea en cama mixta (Mixlite) o en capas estratificadas donde los diseños especiales de los rangos del tamaño de las partículas resultan en alcanzar o mantener buenas separaciones. La resina aniónica tiene estabilidad física excepcional para una resina de tipo gel convencional, lo que permite vida prolongada sin que haya un caída de presión excesiva. También muestra buena cinética de intercambio, permitiendo que se alcancen flujos prácticos, niveles de concentración muy bajos de aniones, ácidos fuertes y débiles.

¿Cómo trabaja el intercambio de resinas iónicas?

Las resinas se separan como cuentas esféricas 0,5 a 1,0 mm de diámetro. Estos parecen sólidos, incluso bajo el microscopio, pero a escala molecular la estructura es bastante abierta. Esto significa que la solución pasa por una capa de resina que puede fluir a través del polímero entrecruzado, puesta en contacto íntimo con los sitios de intercambio. La afinidad de las resinas de ácido sulfónico para los cationes varía con el tamaño y la carga iónica del catión. En general, la afinidad es mayor para los grandes iones con alta valencia.

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Algunos ejemplos de resinas de intercambio iónico por orden de afinidad para algunos cationes comunes son aproximadamente:

Hg2+ <Li+ <H+ <Na+ < K+ ≈ NH4+ < Cd2+ < Cs+ < Ag+ < Mn2+ < Mg2+< Zn2+ < Cu2+ < Ni2+ < Co2+ <

Ca2+ < Sr2+ Pb2+ < Al3+ < Fe3+.

Vida útil de las resinas de intercambio iónico

Después de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas de intercambio iónico sufren la pérdida de sitios de intercambio activo o sufren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio.

Las resinas catiónicas fuertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar cationes asociados a los ácidos fuertes y las resinas aniónicas fuertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a baja concentración, tales como los carbonatos y silicatos.

La mayoría de autores de la especialidad asignan una vida útil esperada de las resinas de intercambio iónico entre los 5 y los 10 años. Según la Empresa RHOM AND HASS (fabricante de resinas de intercambio iónico) las resinas aniónicas tienen una vida útil teórica de 70 a 300 m3 de agua tratada por litro de resina y las resinas catiónicas de 200 a 1500 m3 de agua tratada por litro de resinas; en ambos casos dependerá de la calidad del agua a tratar.

Existen métodos de laboratorio que permiten determinar la capacidad de intercambio iónico de una resina dada, la mayoría de los cuales han sido desarrollados por las empresas fabricantes. La utilidad de poder determinar la capacidad de intercambio iónico reside en poder comparar las capacidades de varias resinas cuando se necesita escoger una resina adecuada a las necesidades de operación; así mismo sirve para saber el estado de la vida útil de una resina que está en uso y determinar en qué momento necesita ser cambiada.

Naturaleza iónica de las aguas naturales

Los iones que se encuentran en mayor proporción en las aguas naturales son:

– Cationes: Calcio, Magnesio, Sodio y Potasio

– Aniones: Sulfatos, Bicarbonatos, Cloruros, Nitratos y Silicatos

También pueden estar presentes otros iones, pero en cantidades no significativas para los procesos de intercambio iónico.

EXPERIMENTO Nº1: DESMINERALIZACIÓN DEL AGUA

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OBJETIVOS:

La desmineralización del agua mediante la combinación de resinas catiónicas y aniónicas para retener los sólidos disueltos en el agua y de esta forma conseguir la pureza del agua similar al método clásico de destilación.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Desionización o “la casa de iones”

Todos los cuerpos de la naturaleza son ensamblajes de unidades elementales llamadas átomos. El agua, por ejemplo está compuesta por átomos de hidrógeno (H) y átomos de oxígeno (O).

Explicado de forma esquemática, un átomo se presenta bajo la forma de un núcleo (reagrupa protones y neutrones) rodeado por una nube de electrones. Cada electrón lleva una carga eléctrica negativa, cada protón lleva una carga positiva y los neutrones, como su nombre indica, no tienen carga alguna. Cuando el número de electrones es exactamente igual al de protones, entonces todas las cargas se equilibran, dejando el átomo eléctricamente neutro.

Sin embargo, los electrones son partículas extremamente ligeras y viajeras. Así, ocurre que un átomo pueda perder o adoptar algunos electrones, lo que desequilibra las cuentas eléctricas.

Entonces se convierte en ión positivo (catión) o negativo (anión). Si se disuelve cloruro sódico (sal de mesa) en agua, los átomos que la componen se disocian y se ionizan, es decir que el sodio se presenta bajo la forma de iones positivos (Na+) y el cloro bajo la forma de iones negativos (Cl-). Basta con sumergir los electrodos en estas soluciones para crear dos polos de atracción: los aniones se precipitan hacia el electrodo positivo, los cationes hacia el negativo, y la solución queda vaciada de sus iones. Este es el principio en el que se basa la desionización.

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El agua desionizada o desmineralizada

Es aquella a la cual se le han quitado los cationes, como los de sodio, calcio, hierro, cobre y otros, y aniones como el carbonato, fluoruro, cloruro, etc. mediante un proceso de intercambio iónico. Esto significa que al 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.

Es parecida al agua destilada en el sentido de su utilidad para experimentos científicos, por ejemplo en el área de la química analítica donde se necesitan aguas puras libres de iones interferentes.

El agua desionizada tiene valores típicos de resistividad de 18,2 MΩ·cm, o su inversa, la conductividad, de 0,055 μS·cm-1.

El agua desionizada puede cambiar su pH con facilidad al ser almacenada, debido a que absorbe el CO2 atmosférico. Éste, al disolverse, forma ácido carbónico, de ahí el aumento de la acidez, que puede ser eliminada hirviendo el agua.

El agua desionizada es bastante agresiva con los metales, incluso con el acero inoxidable, por lo tanto debe utilizarse plástico o vidrio para su almacenaje y manejo.

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MATERIALES:

- Pipeta.- Vaso colector.- Bombilla.- Probetas.- Bureta.- Soporte.- Algodón

COMPUESTOS:

- Resina Aniónica ( R- )- Nitrato de Plata (AgNO3)- Cloruro de Bario (BaCl2).- Agua Blanda (Lab.5)

PROCEDIMIENTO:

– Similar al laboratorio anterior ,se prepara cuidadosamente la columna de intercambio en una bureta bien limpia, introduciendo primero un pedazo de algodón , seguidamente de Resina Aniónica (5ml) la cual es acomodada de tal modo que no sobren espacios entre el algodón y la resina.

– Agregamos el agua BLANDA obtenida en el laboratorio Nº5 sobre la bureta y graduamos su llave de tal modo que el líquido fluya a razón de 2 gotas por segundo.

– En seguida analizamos parte del agua acumulada en el vaso colector, la cual recibe el nombre de agua DESIONIZADA, para ello le agregamos gotas de solución de AgNO3, la formación de opalescencia nos indica presencia del ión Cl. También agregamos gotas de BaCl2, la formación de un precipitado blanco, nos indica presencia del ión Sulfato.

– Cuando se observe la existencia de dureza del agua, se deja de adicionar más muestra, quedando por concluido el experimento.

PARTE EXPERIMENTAL

La desionización consiste en la eliminación de cationes y aniones (Cl- y SO2-4) contenidos en el agua. Para lo cual se utilizará dos tipos de resina, primero la resina catiónica (laboratorio #5) y luego la resina aniónica.

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Resina aniónica:

R – NH+3OH- + Cl- R – NH+

3Cl- + OH-

Sales de amonio muestra

Para verificar la correcta desionización del agua recolectada al final del proceso, analizar:

Cl- + AgNO3 AgCl

SO2-4 + BaCl2 BaSO4

De existir alguna de estas partículas en el agua, al someterla a los compuestos mostrados se formarán los precipitados que se indican en las ecuaciones respectivamente.

Luego de recolectar cierta cantidad de agua desionizada y al hacer los análisis respectivos, se determinar que existen impurezas, entonces se procede a la regeneración de la resina aniónica, mediante el empleo de NaOH (1 M).

6 Lb NaOH 1pie3 resina

3000 gr NaOH 28320 ml resina

mNaOH 5 ml resina

Resolviendo mNaOH = (5 x 3000) / 28320 = 0.5 gr

Lo que representa 0.5 ml de NaOH (1 M)

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APLICACIONES A LA ESPECIALIDAD

Tratamiento de agua

Eliminación de la dureza del agua. o Eliminación de calcio y magnesio evitando así depósitos e

incrustaciones. Se emplean resinas de poliestireno sulfonado.o Eliminación de hierro y manganeso, cuya presencia puede manchar

tejidos, formar depósitos en tuberías e inducir su corrosión. Este proceso debe realizarse con precaución por existir un riesgo de que ambos iones precipiten sobre la resina.

Alcalinidad del agua: Eliminación de aniones bicarbonato, carbonato e hidróxidos. Generalmente se emplean resinas en forma cloruro.

Eliminación de materia orgánica: Eliminación de ácidos orgánicos (ejemplos: ácidos húmicos o taninos) precursores de trihalometanos al clorar el agua. Se emplean generalmente resinas aniónicas en forma de cloruro, especialmente de tipo acrílico.

Eliminación de nitratos: Eliminación de aniones nitrato NO3-, mediante resinas

en forma de cloruro. Eliminación del ión amonio: Eliminación de NH4+ por medio de resinas

catiónicas. Desionización del agua: Reducción de los cationes (Ca2

+, Na+, Mg2+, etc.) y

aniones (Cl-, SO4 2-, etc.) presentes en el agua a niveles muy bajos. Muy importante para laboratorios, industrias farmacéuticas, cosméticos, microelectrónica, etc. Se realiza mediante una resina catiónica y dos resinas aniónicas, una básica débil que adsorberá los ácidos fuertes y otra básica para intercambiar los aniones.

Industria nuclear

Tratamiento de efluentes contaminados con elementos radiactivos, purificación del agua de refrigeración del núcleo, etc. Las resinas, una vez usadas y contaminadas con elementos radiactivos, deben tratarse como un residuo radiactivo más.

Industria alimentaria

Purificación del agua (por ejemplo: industria de la cerveza), desmineralizar líquidos azucarados y jarabes, controlar la acidez, el olor, el sabor y contenido en sal del alimento. También se emplean para aislar o purificar aditivos o componentes de alimentos.-5-6-

Industria farmacéutica

Recuperación y purificación de productos (antibióticos, vitaminas, enzimas, proteínas, entre otros).

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Hidrometalurgia

Tratamiento de efluentes procedentes de la industria de refinado de metales. Recuperación y concentración de metales valiosos (Oro, Platino, Plata, Cobre, Uranio, Cromo, etc.).

RECOMENDACIONES

– Pasar unos 5 ml de agua destilada para limpiar la bureta – No introducir mucho algodón en la bureta ya que este puede taponear y no

permitir el fluido paso del agua.– Cubrir los costados de las buretas con algodón para evitar que el agua caiga al

tubo con agua desionizada, pues una pequeña gota estropearía nuestra experiencia.

– Evitar contacto con el voltímetro debido a que el cuerpo humano posee iones y esto haría variar nuestros cálculos.

– Calibrar el voltímetro con un poco de agua destilada.

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CUESTIONARIO

1. ¿Qué es el agua potable?

El agua potable es un agua que se puede beber sin riesgo para la salud. Para ser consumible, el agua debe ser tratada para eliminar las sustancias inertes o vivas que pueden ser nocivas para el organismo. Por consiguiente, se establecen normas para fijar los contenidos límite.

Para asegurar su calidad se han establecidos valores máximos y mínimos para el contenido en minerales, diferentes iones como cloruros, nitratos, nitritos, amonio, calcio, magnesio, fosfato, arsénico etc. además de los gérmenes patógenos. El pH del agua potable debe estar entre 6,5 y 8,5. Estos valores se recogen en la normativa 98/83/EU. Los controles sobre el agua potable suelen ser más severos que los controles aplicados sobre las aguas minerales embotelladas.

En la actualidad, se denomina agua potable a la tratada para su consumo humano según unos estándares de calidad determinados por las autoridades locales e internacionales.

En zonas con intensivo uso agrícola es cada vez más difícil encontrar pozos cuyaagua se ajusta a las exigencias de las normativas. Especialmente los valores de nitratos y nitritos además de las concentraciones de los compuestos fitosanitarios superan a menudo el umbral de lo permitido. La razón suele ser el uso masivo de abonos minerales o la filtración de purines. El nitrógeno aplicado de esta manera que no es asimilado por las plantas es transformado por los microorganismos del suelo en nitrato y luego arrastrado por la agua de lluvia al nivel freático.

También ponen en peligro el suministro de agua potable otros contaminantes medioambientales como el derrame de derivados del petróleo, lixiviados de minas, etc.

La producción

Al proceso de conversión de agua común en agua potable se le denomina potabilización. Suele consistir en un stripping de compuestos volátiles seguido de la precipitación de impurezas con floculantes, filtración y desinfección con cloro u ozono.En zonas con pocas precipitaciones y disponibilidad de aguas marinas se puede producir agua potable por desalinización. Este se lleva a cabo a menudo por ósmosis inversa o destilación.

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En algunos países se añaden pequeñas cantidades de fluoruro al agua potable para mejorar la salud dental.

Suministro

El suministro de agua potable al consumidor es un problema que ha ocupado al hombre desde la antigüedad. Ya en la Grecia clásica se construían acueductos y tuberías de presión para asegurar el suministro local.

En algunas zonas se construían y construyen cisternas que recogen las aguas pluviales. Estos depósitos, también llamados aljibes, suelen ser subterráneos para que el agua se mantenga fresca y a salvo de la luz del sol.

2. ¿Qué es el agua desionizada?

El agua demonizada es aquella que ha pasado por una desionización el cual es un Proceso que utiliza resinas de intercambio iónico de fabricación especial que eliminan las sales ionizadas del agua. Teóricamente puede eliminar el 100% de las sales. La desionización normalmente no elimina los compuestos orgánicos, virus o bacterias excepto a través del atrapado “accidental” en la resina y las resinas aniónicas de base fuerte de fabricación especial que eliminan las bacterias gram negativo. Otro método usado para eliminar los iones del agua es la electrodesionización.

3. Usos del agua desionizada

Se utiliza para varios usos, incluyendo la elaboración de calidades analíticas y reactivas, dilución de muestras, alimentación de analizadores bioquímicos y preparación de soluciones farmacéuticas.

Tiene demanda en gran escala industrial, por industrias como las plantas de energía, fibras sintéticas, tubos de televisión, papel para condensadores, fábricas de hielo y refino de azúcar.

Es del mayor interés observar que estas industrias son ahora capaces de producir agua de conductividad (107 ohm-cm) en cantidad de millones de galones diarios y a un costo de unos pocos centavos por mil galones.

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4. ¿Por qué la resina catiónica para ablandamiento se regenera con NaCl y la resina catiónica para desmineralización se regenera con HCl?

Las resinas pueden ser regeneradas tratando la resina catiónica con ácido sulfúrico u otro acido fuerte el ácido se lleva los cationes y deja en su lugar iones de hidrógeno.

La resina aniónica puede ser tratada por una base fuerte. Como el hidróxido de sodio, que se apodera de los aniones que la resina tomó de la solución salina y hace volver a la resina a su forma hidroxilada.

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BIBLIOGRAFÍA

http://www.tqm.com.mx/desmineralizacion.htm

http://www.monografias.com/trabajos51/intercambio-ionico/intercambio-ionico2.shtml

QUÍMICA DE CHANG, 1992 MC GRAW-HILL.

GUÍA PARA EL LABORATORIO DEL CURSO DE QUÍMICA - CESAR MASGO

http://www.adescosa.com/que.htm

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