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1. Área de Ingeniería Química
INTERCAMBIO IÓNICO

2. INTERCAMBIO IÓNICO 1
1. OBJETIVO
El objetivo de esta práctica es el estudio del comportamiento de un lecho fijo
constituido por una resina de intercambio iónico, con el que se eliminarán los iones Na+ de
una corriente de hidróxido sódico.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de
materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido
por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por
fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende
del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen
ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.
Una resina de intercambio iónico puede considerarse como una estructura de
cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida grupos iónicos
libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz
tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación o
entrecruzamiento determina la estructura porosa interna de la misma. Como los iones deben
difundirse en el interior de la resina para que ocurra el intercambio, la selección del grado
de reticulación puede limitar la movilidad de los iones participantes.
Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones, de
signo opuesto, denominados contraiones, que están libres y que son los que se
intercambian realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes,
los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan
aniónicos.

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El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando
cantidades químicamente equivalentes. Un ejemplo común del intercambio catiónico es la
reacción para el ablandamiento del agua:
Ca++ + 2NaR ↔ CaR + 2Na+
donde R representa un lugar estacionario aniónico univalente en la malla del polielectrolito
de la fase intercambiador.
2.1. INTERCAMBIO IÓNICO EN LECHO FIJO
La operación de intercambio iónico se realiza habitualmente en semicontinuo, en un
lecho fijo de resina a través del cual fluye una disolución. El régimen de funcionamiento no
es estacionario por variar continuamente la concentración de los iones en cada punto del
sistema. Las instalaciones constan generalmente de dos lechos idénticos, de forma que si
por uno de ellos circula la disolución que contiene los iones que se desea intercambiar, el
otro se está regenerando.
Al inicio de la operación de un lecho, la mayor parte de la transferencia de materia
tiene lugar cerca de la entrada del lecho donde el fluido se pone en contacto con
intercambiador fresco. A medida que transcurre el tiempo, el sólido próximo a la entrada se
encuentra prácticamente saturado y la mayor parte de la transferencia de materia tiene lugar
lejos de la entrada. Debido a la resistencia que opone el sistema a la transferencia de iones
desde el seno del líquido a los centros de intercambio, se establece un gradiente de
concentración en el lecho (Figura 1). La región donde ocurre la mayor parte del cambio de
concentración es la llamada zona de transferencia de materia, esta zona separa la zona
virgen de la resina y la de saturación y sus límites frecuentemente se toman como c/co =
0,95 a 0,05.
A medida que progresa el intercambio iónico la zona de transferencia de materia se
traslada en el lecho hasta alcanzar su extremo inferior (figura 2), instante a partir del cual la
disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar.

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Figura 1. Perfiles de concentración en el lecho a lo largo del tiempo
Zona de
Zona de Zona de
t.m.
transición saturación
t t t
Zona de
saturación
Zona de
Zona de
Zona de
saturación
t.m.
transición
Zona
virgen Zona
virgen
Zona de
Zona de
transición
t.m.
Figura 2. Evolución de la concentración en un lecho de intercambio iónico

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El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación en el lecho hasta que los iones de
la disolución aparecen en la corriente de salida o más concretamente, cuando se alcanza la
máxima concentración permisible en el efluente, se denomina Tiempo de ruptura (tR). En
este momento, la corriente se desviaría a un segundo lecho, iniciando el proceso de
regeneración del primero. La curva que representa la evolución de la concentración del
efluente que abandona el lecho recibe el nombre de Curva de ruptura. (Fig. 3)
El conocimiento de la curva de ruptura, es fundamental para el diseño de un lecho
fijo de intercambio iónico, y en general debe determinarse experimentalmente, dada la
dificultad que entraña su predicción.
C/C0
1
Capacidad/W
Curva de
ruptura
Volumen
Tiempo
tR
Figura 3. Diagrama concentración efluente – tiempo
2.2. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LA RESINA
Se define como Capacidad de la resina el valor de la concentración de iones que
pueden ser retenidos por una unidad de peso de resina. Suele expresarse como meq de
soluto retenidos/g resina seca. La capacidad de la resina es un parámetro fundamental para

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la selección del intercambiador ya que generalmente se requieren capacidades altas para la
separación o purificación a realizar.
La determinación de la capacidad máxima de una resina catiónica se realiza
intercambiando ésta con una disolución básica: se produce una reacción irreversible entre el
catión saliente de la resina con los iones OH- de la disolución de tal forma que si existe
suficiente concentración de soluto llega a agotarse la capacidad total de la resina.
Para el cálculo de la capacidad de la resina en lecho fijo en unas condiciones
determinadas es necesario conocer cuál es la cantidad total de soluto retenido por la misma.
Este valor se puede determinar a partir de la curva de ruptura del sistema en función del
volumen eluído (figura 4), calculando el área de la zona comprendida entre la curva de
ruptura y la línea recta horizontal correspondiente a la concentración de la disolución de
entrada. Dividiendo este valor entre el peso total de resina contenido en la columna, se
determinará la capacidad de la resina utilizada en ciertas condiciones.
Área sobre curva rotura (l ) x C0 (meq / l )
q0 = (1)
Peso re sin a ( g )
C/C0
1
Capacidad/W
Volumen
Figura 4. Cálculo de la capacidad de una resina.

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2.3 FRACCIÓN DE LECHO UTILIZADO
La fracción de lecho utilizado en el punto de ruptura o a cualquier tiempo de la
operación se puede determinar a partir de la cantidad de soluto retenida en ese punto y la
capacidad de la resina.
cantidad de soluto retenida (meq)
Fracción de lecho utilizado = (2)
q 0 (meq / g ) x peso de resina ( g )
La cantidad de soluto retenida a un tiempo dado se calcula determinando el área de
la zona comprendida entre el tramo correspondiente de la curva de ruptura y la línea recta
horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada.
Cantidad de soluto retenida (meq) = At x C0 (3)
C/C0
1
Capacidad/W
At
Vt Volumen
Figura 5. Calculo de la cantidad de soluto retenida a un tiempo determinado

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2.4. LONGITUD DE LECHO NO UTILIZADO
Una vez iniciada la operación de intercambio, el perfil de concentración en la zona
de transferencia de materia adquiere pronto su forma característica y una anchura que no
varía al desplazarse a través del lecho. Por tanto, si se utilizan diferentes longitudes de
lecho, manteniendo constante el resto de las condiciones, se obtendrán curvas de ruptura de
la misma forma. En lechos de gran longitud la zona de transferencia representa una fracción
menor de forma que se utiliza una mayor fracción y longitud de lecho. La longitud de lecho
no utilizado en un punto determinado se puede calcular a partir de la fracción del lecho
utilizado y la longitud del lecho.
Longitud de lecho = Longitud del lecho − [Fracción de lecho utilizada x Longitud del lecho]
no utilizado
(4)
3. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL
La instalación experimental empleada en la práctica se esquematiza en la Figura 6.
Consiste en una columna de vidrio (2 cm de diámetro) en la que se coloca cierta cantidad
de resina de intercambio. Esta columna es alimentada alternativamente desde 3 ó 4
depósitos por disoluciones de agua, HCl y NaOH mediante respectivas válvulas. Una
bomba de membrana, colocada a la salida de los depósitos, provoca el flujo de los
diferentes fluidos. Se dispone de dos instalaciones para la realización de la práctica, la nº1
consta de 20 g de resina seca, mientras que la nº2 consta de 10 g. El análisis del efluente de
salida se realiza mediante medidas de conductividad. Como la concentración de los
diferentes iones es proporcional a la conductividad, se utilizarán conductividades
normalizadas que equivalen a las concentraciones normalizadas (λ/λ0=C/C0).

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H2 O HCl NaOH
Lecho de
resina
Bomba
Figura 6. Instalación experimental.
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se realizarán dos experimentos con cada lecho de resina. En la instalación n º1 se
tratarán dos corrientes de NaOH 0,085 N con diferentes caudales de alimentación, 50
ml/min y 35 ml/min. En la segunda instalación se tratarán dos corrientes con
concentraciones de NaOH 0,085 N y 0,14 N respectivamente, con un caudal de
alimentación de 50 ml/min.
Se procederá de la siguiente forma:
1) Se bombea agua destilada a través del lecho, ajustando el caudal correspondiente al
primer experimento que se va a realizar, hasta asegurarnos de que la conductividad
registrada sea constante y correspondiente a la del agua destilada.
2) Es importante que la resina nunca se encuentre seca, siempre debe quedar el lecho
sumergido en cierta cantidad de líquido.

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3) Regeneración de la resina: Se pasa una corriente de HCl 0,1N hasta que la
conductividad del efluente de salida sea constante e igual a la de la disolución de
entrada.
4) Se vuelve a alimentar agua destilada hasta la total eliminación del HCl residual.
5) A continuación se van a obtener los datos necesarios para dibujar la curva de
ruptura. Se cierra la válvula de alimentación de agua destilada y se abre la de
alimentación de NaOH. Se toma ese momento como tiempo cero y se anotan
valores de la conductividad de la disolución procedente de la columna cada 30 s
hasta obtener una lectura de conductividad constante e igual a la de disolución de
entrada (λ∞).
6) Se sustituye la corriente de NaOH por la de agua destilada hasta eliminar la sosa
residual en la columna.
7) Se vuelve a regenerar la resina según el apartado 3) y a bombear agua destilada
según el apartado 4).
8) Se repite el proceso del punto 5) para las nuevas condiciones de alimentación.
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Se representa gráficamente el cociente de valores de conductividad λ/λ∞ frente al
volumen eluido y de este modo, se obtiene la curva de ruptura del sistema. A partir de esta
gráfica y del caudal utilizado se puede calcular el tiempo de ruptura del sistema que sería el
tiempo que tardaría la disolución alcalina que sale de la columna en alcanzar la
concentración de ruptura, siendo ésta un 20% de la concentración inicial.
A partir de la curva de ruptura por integración numérica se calcula el valor de la
capacidad de la resina utilizada en el experimento (Ecuación 1), la cantidad de soluto
retenida en el tiempo de ruptura (Ecuación 3) y la fracción de lecho utilizada (Ecuación 2).
A partir de los resultados obtenidos determinar cómo influye el peso de resina
empleado, la concentración de NaOH y el caudal de alimentación utilizados sobre: el

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tiempo de ruptura, la capacidad de la resina y la cantidad total de soluto retenida, fracción
de lecho utilizado y longitud de lecho no utilizado en el punto de ruptura.
6. BIBLIOGRAFÍA
1) Hines, A.L. y Maddox, R.M. (1985). “Mass Transfer. Fundamentals and
Applications”. Prentice-Hall. New Jersey.
2) McCabe, W.L.; Smith, J.C. y Harriot, P. (1994). “Operaciones unitarias de
Ingeniería Química”. McGraw-Hill. Madrid.
3) Perry, R.H. y Green, D.W. (Volumen III, 2001).”Manual del ingeniero
químico”. McGraw-Hill. Madrid.