intercambio

1. PR
PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO
Diseño de
Procesos
Industriales I
ESTUDIANTES:
 CALLE CUENTAS EDDY
 FLORES MOLLO CLAUDIA ADELINA
 MACHACA TOLA ALISON SUSAN
 POMA SANCHEZ CARLA JIMENA
 QUISPE MOLLO ABIGAIL LOURDES
 SANJINÉS CHOQUEVILLCA FABRICIO
DOCENTE:
ING. MIGUELYUCRA
FECHA: 31 DE MARZO DE 2014

2. Diseño de Procesos Industriales I
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INTERCAMBIO IÓNICO
1. DEFINICIÓN
El intercambio iónico es una operación unitaria, que tienen como función la separación, que está
basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Que involucra 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.
El intercambio iónico está basado en la adsorción, que es un proceso de separación de ciertos
componentes de una fase fluida hacia la superficie de un sólido adsorbente. Generalmente
pequeñas partículas de adsorbente se mantienen en un lecho fijo mientras que el fluido pasa
continuamente a través del lecho hasta que el sólido está prácticamente saturado y no es posible
alcanzar ya la separación deseada, con lo cual el lecho se ha de regenerar.
2. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO CON ZEOLITAS
2.1 ¿Qué son las Zeolitas?
Es un compuesto químico tan imperfectamente estabilizado que su composición cambiará de
acuerdo con la concentración de las substancias en solución. Las zeolitas se usan para el
ablandamiento del agua.
FIGURA 1: Zeolita
Fuente: picture source: www.answers.com
Son minerales volcánicos naturales con un gran numero de características que lo hacen único. Las
zeolitas se forman cuando la ceniza volcánica se deposito en lagos antiguos alcalinos. La

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interacción de la ceniza volcánica con las sales del agua de los lagos produjo la alteración de la
ceniza produciendo distinto tipo de materiales de zeolita.
Comprenden un numeroso grupo de hidrosilicatos que presentan una estrecha semejanza en la
composición química, en la asociación geológica y el yacimiento. En sentido general el nombre de
Zeolita proviene de dos palabras griegas:
2.2 Estructura de la Zeolitas
Tienen una estructura cristalina inusual y una habilidad extraordinaria de intercambiar iones. En su
estructura existe una gran cantidad de canales. Estos canales son normalmente de diámetros entre
0.5 a 0.7 nm, esto es solo un poco más grandes que el diámetro de las moléculas de agua. Esta
propiedad se denomina micro-porosidad. Además de esto existe un número de poros más grandes,
denominado meso-porosidad.
Figura 2: ESTRUCTURA DE LA ZEOLITA
FUENTE: zeolitas.blogspot.com
“lithos”
piedra.
“zein”
hervir

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Figura 3: Dos estructuras zeolíticas, note los tetraedros y las estructuras tipo túnel
(poros).
FUENTE: www.uclm.es
2.3 Composición mineralógica de la Zeolitas
Mineral compuesto fundamentalmente por Silicio y Aluminio, se presenta preferentemente en las
rocas de origen volcánico, en las cuales se agrupan en grandes cantidades que les permite formar
yacimientos. Investigaciones han determinado un total aproximado de 40 minerales pertenecientes
a la familia de las Zeolitas, siendo los más importantes:
 Analcima
 Chabacita
 Clinoptilolita
 Erionita
 Mordenita
 Faujasita
 Ferrierita
 Heulandita
 Gismondita
 Natrolita.
Debido al origen volcánico de las Zeolitas, sus yacimientos naturales no son tan abundantes, lo
que ha dado lugar a que se hayan diseñado diferentes métodos para su obtención artificial. Las
Zeolitas son combinaciones hidratadas, donde el agua se encuentra en ellas unida flojamente, por
consecuencia de la estructura, el agua presente en la estructura de las Zeolitas se puede
desprender por calor de modo continuo sin que se altere la estructura del mineral. El agua
desalojada se puede reincorporar colocada el mineral en atmósfera húmeda, y hasta es posible de
substitución en contacto con otras substancias. La mayor parte de las Zeolitas son silicatos
aluminicocálcicos o aluminicoalcalinos, semejantes a feldespatos y feldespatoides, de los cuales
no pocas veces derivan por meteorización o descomposición hidrotermal.
Las Zeolitas se encuentran insertas en las cavidades de las rocas volcánicas jóvenes y sus tobas,
pero no son ajenas a las drusas y hendiduras de las rocas eruptivas antiguas y las pizarras
cristalinas. Se ha comprobado además su presencia en los filones minerales, en ciertos
yacimientos de magnetita, en las calizas metamórficas de contacto y como formación reciente de
algunas termas. Las Zeolitas se consideran también elementos normales constitutivos de las rocas
magmáticas, debido a un proceso temprano de segregación. Genéticamente, las Zeolitas casi
siempre aparecen originadas en aguas termales, unas veces por cristalización directa de la

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disolución en las hendiduras y cavidades semejantes, y otras por formación secundaria mediante
pseudomórfosis de minerales de la familia de los feldespatos y sus afines.
2.4 Composición química de la Zeolitas
La composición química de las rocas Zeolíticas puede variarse por el proceso de Intercambio
iónico, (propiedad inherente a las Zeolitas) pero sólo en aquellos cationes intercambiables
presentes en la misma como Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio y otros. Durante este intercambio
iónico las Zeolitas se comportan atendiendo a sus propias leyes para este proceso, la más
importante es el orden de selectividad o afinidad por los cationes.
Atendiendo a las características de selectividad que presentan las Zeolitas, a su composición
química y mineral, a los tiempos de duración de los procesos de difusión externa e interna de los
iones durante el intercambio, así como a la influencia de la temperatura y la concentración iónica
de la solución de intercambio, se logran las composiciones deseadas de los iones de las rocas
Zeolíticas.
La carga negativa en las zeolitas es compensada por cationes del tipo N+, K+ o NH4+, los se
disponen en el interior de la estructura. Estos cationes son móviles y susceptibles de ser
intercambiados por otros. Una reacción típica de intercambio iónico sería la siguiente:
Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+
Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales, y pertenecen al grupo de los tectosilicatos.
Existen unas 40 zeolitas naturales y más de 150 sintéticas. Algunas zeolitas naturales incluyen:
Mineral Fórmula
Natrolita Na2(Al2Si3O10)·2H2O
Chabazita (Ca,Na)2 (Al2Si4O12)·6H2O
Analcima Na(AlSi2O6)·H2O
Stilbita Ca(Al2Si7O18)·7H2O
Heulandita Ca(Al2Si7O18)·6H2O
Laumontita Ca(Al2Si4O12)·4H2O
Mesolita Na2Ca2(Al2Si3O10)·3H2O
Thompsonita NaCa2(Al,Si)10O20·6H2O
2.5 Principales propiedades de las Rocas Zeoliticas
Las principales propiedades físico-químicas más importantes de las Zeolitas naturales y en función
de sus utilidades agrícolas son:

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Las Zeolitas actúan como catalizadores en procesos relacionados con la fisiología de los
vegetales. Las Zeolitas resultan ser verdaderos intercambiadores catiónicos, alcanzando una
capacidad de intercambio superior a los 200 meq./100 grs. de zeolita.
La propiedad de Intercambio catiónico de las Zeolitas se debe a su estructura cristalina muy
característica. La Zeolita es un mineral de Silicio (silicato) donde existe un arreglo de los átomos de
silicio, oxígeno y aluminio tal, que forman una estructura cristalina tridimensional rígida que deja
pequeñas cavidades interconectadas llamadas microporos que son los que constituyen los
canales. Es en estos canales donde ocurren las reacciones físico-químicas de las Zeolitas, entre
ellas el intercambio catiónico.
En las Zeolitas naturales aparecen iones de Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Fierro, entre varios
otros, los que se presentan coordinados en la estructura cristalina y pueden ser reemplazados por
otros iones, sin alterar en lo absoluto la composición de sílice-aluminio de la estructura cristalina,
esta es la esencia del intercambio catiónico.
Considerando que las Zeolitas son capaces de intercambiar los iones que presenta en sus canales
por otros, es que utilizando soluciones con una adecuada concentración obtenemos zeolitas con
una composición iónica específica y en correspondencia con nuestras necesidades.
En los espacios libres de los canales de las zeolitas se incorporan moléculas de agua o gases, los
cuales pueden ser desplazados por otras moléculas, confirmando de esta manera la absorción de
agua y gases.
2.6 ¿Cómo funciona el Intercambio con Zeolitas?
El proceso consiste en la reducción de la dureza de carbonatos, por la adición de cal hidratada y
usualmente un coagulante para acelerar la sedimentación del carbonato de calcio que es insoluble.
El efluente se hace pasar a continuación por suavizadores de zeolita, en los que se lleva acabo el
ablandamiento, se acostumbra filtrar el agua penetrada, antes de alimentarla a las unidades de
zeolita aunque en algunos casos omiten el uso de los filtros.
Figura 4: Proceso de Intercambio Iónico con Zeolitas
Catálisis
Intercambio Catiónico
Absorción-adsorción

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2.7 ¿Para qué sirve las Zeolitas en Intercambio Iónico?
Sirve para eliminar la dureza del agua incluyendo el hierro y el manganeso si estos componentes
pueden mantenerse en forma iónica reducida.
3. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO CON RESINAS SINTÉTICAS
3.1 ¿Qué son las Resinas?
La resina es una secreción orgánica que producen muchas plantas, particularmente los árboles del
tipo conífera. Es muy valorada por sus propiedades químicas y sus usos asociados, como por
ejemplo la producción de barnices, adhesivos y aditivos alimenticios. También es un constituyente
habitual de perfumes o incienso.
Es la sustancia sólida o de consistencia pastosa, insoluble en el agua, soluble en el alcohol y en
los aceites esenciales, y capaz de arder en contacto con el aire, obtenida naturalmente como
producto que fluye de varias plantas.
La resina es una mezcla compleja de terpenos, ácidos resínicos, ácidos grasos y otros
componentes complejos: alcoholes, ésteres, etc. La proporción de cada componente es función de
la especie arbórea y el origen geográfico. Valores típicos son:
 60-75 % de ácidos resínicos.
 10-15 % de terpenos.
 5-10 % de sustancias varias y agua.
Por destilación a presión ambiente, es posible separar dos fracciones:
 60 - 75 % de Colofonia.
 15 - 25 % de aguarras y agua.
Resinas sintéticas o polímeros: Se fabrican polimerizando dos tipos principales de monómeros.
Los que se generan a partir de compuestos aromáticos como el estireno y el divinilbenceno se
usan para adsorber compuestos orgánicos no polares de soluciones acuosas. Los que provienen
de ésteres acrílicos se utilizan para solutos más polares en soluciones acuosas.
Son adsorbentes comerciales que se caracterizan por grandes áreas superficiales de los poros,
que van desde 100 hasta más de 2000 m2/g.

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Las resinas sintéticas se definen como sustancias sólidas o semisólidas, obtenidas por reacción
química de materias primas resinosas y no resinosas y que poseen aspectos y propiedades físicas
análogas a las resinas naturales, aunque tengan diferente composición química y también diferente
comportamiento respecto a los distintos reactivos. Se tienen las siguientes resinas sintéticas:
 Poliéster: Las resinas de poliéster (termoestables) se usan también como matriz para la
construcción de equipos, tuberías anticorrosivas y fabricación de pinturas. Para dar mayor
resistencia mecánica suelen ir reforzadas con cortante, también llamado endurecedor o
catalizador, sin purificar.
 Poliuretano: Los poliuretanos termoestables más habituales son espumas, muy utilizadas
como aislantes térmicos y como espumas resilientes. Entre los poliuretanos termoplásticos
más habituales destacan los empleados en elastómeros, adhesivos selladores de alto
rendimiento, suelas de calzado, pinturas, fibras textiles, sellantes, embalajes, juntas,
preservativos, componentes de automóvil, en la industria de la construcción, del mueble y
múltiples aplicaciones más.
 Resina epoxi: Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se
endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor». Las resinas epoxi
más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol A.
 Acrílicos: Dentro de los plásticos de ingeniería podemos encontrarlo
como polimetilmetacrilato, también conocido por sus siglas PMMA. La placa de acrílico se
obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que
se encuentra en la industria del plástico es en gránulos ('pellas' en castellano; 'pellets' en
inglés) o en placas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las placas
para termoformado o para mecanizado.
 Viniléster: El viniléster es un tipo de resina muy resistente a la corrosión, incluso de
ácidos. Soporta altas temperaturas, el exterior y la fatiga. También tiene buenas
propiedades de aislamiento tanto térmico como eléctrico.
 Composites: Los composites o resinas compuestas son materiales sintéticos que están
mezclados heterogéneamente y que forman un compuesto, como su nombre indica. Están
compuestos por moléculas de elementos variados.
3.2 ¿Cómo funciona el Intercambio Iónico con Resinas?
El intercambio iónico es una reacción química reversible, que tiene lugar cuando un ión de una
disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida
inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica
como en las células vivas.
Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua
normalmente tiene muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el
agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para algunos usos del agua.
Las resinas de intercambio iónico poseen un radical fijo y un ión móvil o ión de sustitución. El ión
móvil es el ión que es intercambiado por iones que desean eliminarse de la solución y este
intercambio sólo funciona entre iones de igual carga eléctrica: cationes por cationes y aniones por
aniones.
En general las resinas de intercambio iónico operan en columnas, para favorecer el proceso de
intercambio, parecido a la destilación o la destilación en bandejas. La reacción de intercambio se
desplaza en el lecho de resina, generalmente hacia los niveles inferiores.

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Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que
posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones y debido a esto, en un
momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto pase
de iones no deseados en el agua producida y se dice que esta resina está "agotada" o saturada de
los iones que ha atrapado.. Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico,
se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del
proceso. Cuando se llega a la concentración pre establecida, se debe proceder a regenerar la
resina, para poderla utilizar en un nuevo ciclo.
Una representación simplificada de lo que está sucediendo en los sitios activos de la resina se
puede ver en esta figura.
A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha disolución
desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La eficiencia de este proceso
depende de factores como la afinidad de la resina por un ion en particular, el pH de la disolución si
el grupo activo tiene carácter ácido y básico, la concentración de iones o la temperatura. Es obvio
que para que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la
resina y viceversa. Este movimiento se conoce como proceso de difusión. La difusión de un ion
está en función de su dimensión, carga electroestática, la temperatura y también está influenciada
por la estructura y tamaño de poro de la matriz. ). El proceso de difusión tiene lugar entre zonas de
distinta concentración de iones, de más concentrado a menos, hasta que tengan la misma
concentración.
Resina de intercambio iónico en ciclo sodio, en proceso de suavización del agua y durante
el paso de regeneración de la capacidad de intercambio de la resina
En esta reacción química, el calcio Ca+2 se intercambia por su equivalente que son dos iones sodio
Na+. Químicamente esta reacción es de intercambio o desplazamiento y el grado o extensión en
que se lleva a efecto tal reacción depende de factores tales como: temperatura, pH, concentración
de la especie en solución y naturaleza del ión. Para la reacción anterior, la constante de equilibrio
sería:

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Para una temperatura determinada K, la constante de equilibrio, tiene un valor fijo que depende de
la naturaleza del ión que es desplazado y del que se adhiere a la superficie del polímero. Por
ejemplo, si sobre la superficie de la resina se tienen iones hidrógeno la reacción sería:
El valor de la constante de equilibrio es:
Es evidente que K1 y K2 serán diferentes para las dos reacciones anteriores. También, el
desplazamiento o sentido de la reacción, de acuerdo al principio de Le Chatellier, dependerá de la
concentración de las especies en solución, y este hecho se aplica para la regeneración de la resina
intercambiadora. Por ejemplo: para regenerar una resina saturada en calcio se revierte el equilibrio
incrementando sensiblemente la concentración de sodio y la reacción sería:
En otras palabras, si a una resina saturada en calcio se le agrega una solución de alta
concentración de sodio, los iones sodio desplazan el calcio de los sitios activos de la resina y la
resina se "regenera".
De igual manera, si a una resina saturada en calcio se le agregan iones hidrógeno en alta
concentración, los sitios activos son ocupados por hidrógeno y la resina vuelve a su condición
original.
En la práctica o en el "mundo real", los iones que se adhieren a los sitios activos de la resina son
de muy diferente tipo y pueden ser removidos total o parcialmente durante el proceso de
regeneración.
Si la naturaleza o la concentración de los iones en solución son similares, el orden de preferencia o
la selectividad de la resina para los diferentes iones es la que se presenta en la Tabla I.

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Tabla I: Orden de selectividad decreciente de los iones en resinas de intercambio iónico, a
igual concentración de la especie en solución.
3.3 ¿Cómo funciona el Intercambio Iónico con Resinas?
Las resinas de intercambio iónico descritas pueden tener diversos usos comerciales e industriales,
incluyendo:
 Suavización/ablandamiento. El ablandamiento del agua es una técnica que sirve para
eliminar los iones que hacen a un agua ser dura, en la mayoría de los casos iones de
calcio y magnesio. En algunos casos iones de hierro también causan dureza del agua.
 Desalcalinización. La desalcalinización a través de resinas de intercambio aniónico es
lograda a través del intercambio de cloruro por alcalinidad carbonática y bicarbonática, por
lo que el agua tratada es enriquecida con cloruros. La resina agotada es regenerada con
cloruro de sodio, parecido a un ablandador de agua.
 Desmineralización. Eliminación de las sales minerales disueltas en un líquido,
generalmente agua.
 Eliminación de nitratos. Eiminación de las grandes cantidades de nitratos contenidos en
el agua.
 Pulido de condensado. El pulido de condensados es una aplicación de especialidad en
la que las resinas de intercambio iónico se utilizan para la remoción de productos de
transporte de corrosión así como la remoción de trazas de impurezas iónicas. Esto
requiere el uso de resinas que tienen excelentes características de filtración así como
capacidad de intercambio iónico y que pueden resistir las altas temperaturas y caudales de
flujo encontrados en los sistemas condensados. Las resinas de pulido también deben tener
niveles bajos de impurezas orgánicas e iónicas para que no filtren contaminantes
objetables en el agua tratada

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 Control de contaminación, eliminación de COV. Los orgánicos volátiles son un legado
desafortunado, contaminando muchos suministros de agua potable y se encuentran
frecuentemente en agua residual y descargas de agua de lluvia. Los COV incluyen
solventes utilizados en el lavado en seco así como otros residuos orgánicos volátiles de
diversos desengrasantes y otras actividades industriales y de fabricación de productos
químicos.
 Tratamiento de agua. Las resinas de intercambio iónico son particularmente buenas para
las aplicaciones de bomba y tratamiento en especial para la remoción de trazas de
contaminantes sin alterar la química del agua para el suministro.
La selección de resinas apropiadas para aplicaciones específicas se determina a través del análisis
del agua de alimentación y la calidad de efluente que se desea.
Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos.
Detalle de las esferas de resina de intercambio iónico. El tamaño real de las esferas es superior a
0.2 mm para que no puedan pasar a través de las crepinas del desmineralizador, y generalmente
inferior a 1 mm.
BIBLIOGRAFÍA
1. Manual de tratamientos de agua H.E Hilleboe, Ed. Limusa 1995, Mexico
2. Métodos de ablandamiento de aguas subterráneas aplicadas a pequeñas comunidades,
Ana Maria Borja Villarroel, 1998, Tesis Ingeniería civil, UMSA
3. Avilla, I. J. (1999). Lo esencial acerca del intercambio iónico. Conferencia Anual de la
Water Quality Association (WQA).
4. Desmineralizadores. (2 de mayo de 2011). desmineralizadores. Recuperado el 28 de
marzo de 2014, de desmineralizadores: http://www.desmineralizadores.com/index.html
5. Geankopolis, C. (1998). Procesos de trasnporte y operaciones unitarias (Tercera Edición
ed.). México: Compañia Editorial Continental, S.A. de C.V.
6. ResinTech. (s.f.). resintech. Recuperado el 28 de Marzo de 2014, de resintech:
http://www.resintech.com/esn/