El documento analiza los parámetros de diseño y el comportamiento de una columna de intercambio iónico. Describe los tipos de resinas de intercambio iónico, incluyendo las resinas catiónicas y aniónicas, así como los equipos utilizados como absorbedores de lecho fijo y continuos. Explica los fundamentos del proceso de adsorción, incluyendo la formación de una zona de adsorción móvil y el punto de ruptura donde la concentración de soluto aumenta bruscamente.

1. AANNÁÁLLIISSIISS DDEE UUNNAA
CCOOLLUUMMNNAA DDEE IINNTTEERRCCAAMMBBIIOO
IIOONNIICCOO
“Muy a menudo el hombre se convierte en lo que cree que es”
M Gandhi
I. OBJETIVO
El propósito del experimento es analizar los parámetros de diseño y el comportamiento de
una columna de intercambio iónico, determinándose la altura de la zona móvil, la longitud
sin utilizar del lecho (LUB), la capacidad de la resina, entre otros.
II. DECRIPCION DEL PROBLEMA
Se estudiará la adsorción de Na+ en una resina de intercambio iónico en un lecho fijo. El
proceso que se lleva a cabo en un estado no estacionario, se analizará considerando la
formación de una zona de intercambio móvil.
III. INTRODUCCIÓN
Las operaciones de intercambio iónico se pueden considerar como un caso especial del
proceso de adsorción en el cual ocurre el mecanismo de difusión:
El intercambio iónico depende de la rapidez de cada uno de los siguientes procesos:
• Difusión de iones desde el seno del líquido hasta la superficie externa de una partícula
intercambiadora.
13
Figura 13.1 Esquema del proceso de
difusión hacia una resina. 4

2. Análisis de una columna de intercambio ionico
118
• Difusión interna de iones a través del sólido hasta el sitio de intercambio.
• Intercambio de los iones.
• Difusión externa de los iones liberados hasta la superficie del sólido.
• Difusión de los iones liberados desde la superficie del sólido hasta el líquido.
Algunas veces, el paso limitante que controla la cinética de la reacción de intercambio,
pero se dan casos en los cuales la rapidez aparentemente es muy rápida en comparación
con la rapidez de difusión. La rapidez de difusión puede escribirse mediante los
coeficientes de transferencia de masa adecuados para la difusión a contracorriente
equivalente a través del sólido y a través del líquido. En algunos casos, parece que la
resistencia a la difusión en la fase líquida es el paso controlante.
El intercambio iónico consiste básicamente en reacciones químicas de sustitución entre un
electrolito insoluble que se pone en contacto con la solución que se desea purificar. Este
electrolito insoluble se le llama normalmente resina. Su origen puede ser inorgánico u
orgánico, natural o sintético.
a) Intercambiadores iónicos inorgánicos
Naturales: Son aluminosilicatos como zeolitas, arcillas minerales y feldespatos.
Las zeolitas y las arcillas son minerales de aluminosilicatos ampliamente distribuidos en la
corteza terrestre. Algunas proceden de la erosión de las rocas, otras aparecen como
depositos sedimentarios y, por último, algunas tienen origen volcánico.
Sintéticos: Generalmente se pueden subdividir en las siguientes categorías:
- Óxidos metálicos hidratados. Ej. óxido de titanio hidratado, ácido poliantimónico
- Sales insolubles de metales polivalentes. Ej. fosfato de titanio
- Sales insolubles de heteropoliácidos. Ej. molibdofosfato amónico
- Sales complejas basadas en hexacianoferratos insolubles
- Zeolitas sintéticas.
b) Intercambiadores iónicos orgánicos
Naturales: Existen varios polímeros naturales que actúan como intercambiadores iónicos,
como celulosa, ácido algínico, chitina, chitosan, dextrano y agarosa, y también derivados
de éstos.
Sintéticas: Las resinas sintéticas de intercambio iónico consisten en una matriz polimérica
reticulada por la acción de un agente entrecruzante y derivada con grupos inorgánicos que
actúan como grupos funcionales. Son los materiales más habituales en las aplicaciones de
intercambio iónico en la industria.
Las resinas pueden clasificarse en función de:
a) Estructura de la red polimérica
b) Tipo de grupo funcional

3. Análisis de una columna de intercambio ionico
119
Tipos de resinas de intercambio iónico según su estructura de red
• Tipo gel: También conocidas como resinas microporosas ya que presentan tamaños de
poro relativamente pequeños. En estas resinas el fenómeno swelling es muy
importante, ya que se hinchan en mayor o menor medida en función del porcentaje de
agente entrecruzante empleado durante la polimerización y del disolvente en el que se
encuentre la resina. Por ejemplo, una resina con baja proporción de divinilbenceno se
hinchará mucho en disolución acuosa, abriendo ampliamente su estructura, lo cual
permitirá la difusión de iones de gran tamaño.
• Resinas macroporosas: También llamadas macroreticulares. Durante la síntesis de estas
resinas a partir de sus monómeros, se utiliza un co-solvente que actúa interponiéndose
entre las cadenas poliméricas creando grandes superficies internas. Este disolvente se
elimina una vez formada la estructura rígida del polímero. El sólido tienen una relación
área/volumen mayor que las resinas tipo gel, y por tanto, mayor capacidad de
intercambio. La estructura macroreticular favorece la difusión de los iones, mejorando
por tanto la cinética de intercambio.
• Resinas isoporosas: Se caracterizan por tener un tamaño de poro uniforme, con lo que
aumenta la permeabilidad de los iones en el interior de la red. Son resinas de alta
capacidad, regeneración eficiente y de costo menor que las resinas macroporosas.
Tipos de resinas de intercambio iónico según el grupo funcional
• Resinas catiónicas de ácido fuerte: Se producen por sulfonación del polímero con ácido
sulfúrico . El grupo funcional es el ácido sulfónico, -SO3H
• Resinas catiónicas de ácido débil: El grupo funcional es un ácido carboxílico -COOH,
presente en uno de los componentes del copolímero, principalmente el ácido acrílico o
metacrílico.
• Resinas aniónicas de base fuerte: Se obtienen a partir de la reacción de copolímeros de
estireno-divinilbenceno clorometilados con aminas terciarias. El grupo funcional es una
sal de amonio cuaternario, R4N+.
• Resinas aniónicas de base débil: Resinas funcionalizadas con grupos de amina primaria,
-NH2, secundaria, -NHR, y terciaria, -NR2. Suelen aplicarse a la adsorción de ácidos
fuertes con buena capacidad, pero su cinética es lenta.
• Resinas quelatantes: En estas resinas el grupo funcional tiene las propiedades de un
reactivo específico, ya que forman quelatos selectivamente con algunos iones metálicos.
Los átomos más frecuentes son azufre, nitrógeno, oxígeno y fósforo, que forman enlaces
de coordinación con los metales. Sus ventajas sobre las demás es la selectividad que
muestran hacia metales de transición y que el carácter de ácido débil del grupo
funcional facilita la regeneración de la resina con un ácido mineral. No obstante son
poco utilizadas en la industria por ser más caras que las anteriores y por tener una
cinética de absorción más lenta. La resina quelatante más conocida tiene como grupo
funcional el ácido iminodiacético.
Impregnadas: Constan de un soporte polimérico que se impregna con una disolución
orgánica que contiene a un extractante selectivo a un metal en específico. Estas resinas

4. Análisis de una columna de intercambio ionico
120
tienen un grave inconveniente que es la pérdida de disolvente durante su uso, lo cual
reduce su aplicabilidad.
Estos versátiles materiales desempeñan un amplio rango de tareas tanto en ambientes
acuosos como no acuosos. Algunas de estas aplicaciones son:
• Catálisis básica o ácida.
• Manufactura de solventes de alta pureza o regentes químicos.
• Separación de derivados de procesos de fermentación.
• Desacidificación de solventes orgánicos.
• Producción de agua de alta pureza para la manufactura de semiconductores.
• Recuperación de desechos valiosos procedentes de corrientes de efluentes.
• Controlar la descarga en productos farmacéuticos.
• Cromatografía tanto en escala analítica como en escala industrial.
• Control ambiental.
• Hidrometalurgia.
Equipos de adsorción1,3
Existen básicamente dos categorías generales en la clasificación del equipo de adsorción:
adsorbedores de lecho fijo y adsorbedores continuos.
Absorbedores de lecho fijo
Este tipo de arreglo es el más comúnmente utilizado. Operan como unidades por cargas o
como lechos de adsorbente a través de los cuales pasa la alimentación fluida, con
interrupciones periódicas para la regeneración.
Un sistema completo de esta índole, está provisto por recipientes a presión o tanques
abiertos con tuberías, válvulas, controles y equipos auxiliares para la regeneración del
lecho. El tanque puede ser vertical u horizontal, como se muestra en la Figura 13.2
a)Figura 13.2 Tanques adsorbedores: a) vertical
presurizado, b) horizontal a
presión ambiental3
[1,4]

5. Análisis de una columna de intercambio ionico
121
Al tratarse un gas, se tienen además compresores o sopladores de vías múltiples para
evitar obstrucciones.
En el caso de los líquidos, suele contarse con bombas que incluyen depósitos de regulación
con el fin de asegurar la continuidad del flujo.3
En la Figura 13.3 se presenta un equipo típico utilizado en la adsorción de vapores de
disolventes.
El sistema funciona de la siguiente manera: las partículas de adsorbente se colocan en un
lecho de 0.3 a 1.2 metros de espesor, en ambos recipientes, soportado mediante una placa
con perforaciones. La alimentación gaseosa circula a través de uno de los lechos mientras
el otro se encuentra en regeneración. El flujo descendente es preferible debido a que el
flujo ascendente a velocidades elevadas puede dar lugar a la fluidización de las partículas,
lo que provoca colisiones y formación de finos. Cuando la concentración de soluto en el
gas de salida alcanza un cierto valor, o bien, para un tiempo previamente establecido, se
accionan automáticamente las válvulas con el fin de dirigir la alimentación al otro lecho e
iniciar en este la secuencia de regeneración.1
El tamaño del lecho adsorbente debe determinarse de acuerdo a la velocidad de flujo de
gas y al tiempo de ciclo apropiado, procurando una caída de presión baja.
En el caso de secado de gases, el equipo utilizado, es similar al descrito en los párrafos
anteriores, con el particular de que se utiliza gas caliente para la regeneración.
Un punto clave en la operación de los equipos, es la distribución del líquido, si este no se
distribuye de forma equilibrada a través del lecho de adsorbente, no se alcanzará el
máximo de utilización del adsorbente durante la adsorción, y del fluido de desorción
durante la regeneración.3
Adsorbedores Continuos4
La adsorción a partir de gases o líquidos, se realiza de forma continua haciendo circular el
sólido a través del lecho en contracorriente con el flujo del fluido. Las partículas sólidas
descienden por gravedad, retornando después a la parte superior de la columna mediante
un sistema de elevación con aire o de forma mecánica. En caso de partículas finas, se
puede utilizar un lecho con placas deflectoras o etapas múltiples para prevenir la mezcla
desde un extremo a otro.1
Figura 13.3. Sistema de adsorción en
fase de vapor1
[1,4]

6. Análisis de una columna de intercambio ionico
122
Recientemente se han creado aparatos satisfactorios a gran escala para el contacto continuo
entre un sólido granular y un fluido. Dichos aparatos debieron resolver tanto las
dificultades para obtener un fluido uniforme de las partículas sólidas y del fluido sin flujo
acanalado o irregularidades locales, como las dificultades de introducción y retiro del
sólido continuamente hacia el tanque por utilizar.
En el tratamiento de líquidos pueden utilizarse aparatos menos elaborados. Los sólidos
pueden introducirse por la parte superior de la torre mediante un alimentador de tornillo
o simplemente por gravedad desde un recipiente.
El equipo de contacto de Higgins que se diseñó inicialmente para el intercambio iónico, es
generalmente útil para el contacto sólido-líquido, y es único por su naturaleza intermitente
de operación. La operación, a pesar de ser intermitente y cíclica, es casi la misma que para
una operación real a contracorriente continua.4 En la Figura 13.4 se muestra arreglado para
la simple recolección de soluto.
Fundamentos de adsorción9
Para el caso de una solución binaria, que contiene un soluto fuertemente adsorbido de
concentración inicial Co, se genera una onda de adsorción representada en la Figura 1. El
fluido pasa constantemente a través del lecho que inicialmente está libre de adsorbato, la
capa superior adsorbe rápida y efectivamente el soluto, el poco remanente de soluto en la
solución queda eliminado por las capas inferiores del lecho. El efluente del lecho está casi
libre de soluto como en el punto Ca de la Figura 13.5.La parte superior de la figura indica
la concentración relativa de adsorbato según la densidad relativa de las líneas. Al
continuar fluyendo la solución, la zona de adsorción se mueve como una onda (parte
superior en la Figura 13.5), después de determinado tiempo la zona de adsorción ha
bajado casi a la mitad del lecho, pero la concentración del efluente Cb es aún baja. En la
figura c se observa que la parte inferior de la zona de adsorción ha alcanzado el fondo del
lecho y la concentración de soluto aumentó bruscamente, Cc este punto se conoce como el
punto de ruptura. Del punto Cc al punto CD donde prácticamente se ha alcanzado la
Figura 13.4. Contractor de Higgins a)
sólido en contacto con el
líquido b) el sólido se
mueve hidráulicamente
c) retorna a su posición
inicial4

7. Análisis de una columna de intercambio ionico
123
concentración Co, esta sección se conoce como curva de ruptura, si se continua con el flujo
de la solución el cambio en la concentración del adsorbato es básicamente nulo
El tratamiento propuesto por Treybal (1988) para predecir la longitud del ciclo entre
regeneraciones y el porcentaje de aproximación a la saturación en el punto de ruptura, así
como un procedimiento para estimar el tiempo de ruptura y la forma de la curva de
ruptura, resulta ser un proceso simplificado por lo que se deben realizar algunas
suposiciones o consideraciones en el diseño:
1. Adsorción isotérmica
2. Mezclas de alimentación diluidas
3. La isoterma de adsorción en el equilibrio es cóncava hacia el eje de concentración
de la solución
Figura 13.5. La onda de adsorción

8. Análisis de una columna de intercambio ionico
124
Para obtener wB se supone que está al 5% de la terminación del lecho, wE se determina
como un 95% de la terminación del lecho, θs se obtiene graficanmente , es el tiempo en
que el Area 1 es igual al Area 2 en la Figura 13. 7, se ejemplifica.
Se deben obtener parámetros tales como tiempo que requiere la zona de adsorción para
mover su propia altura zB en forma descendente por la columna, después que la zona se ha
establecido θa (ver Figura 13.6).
Se establece la siguiente relación que permite encontrar el teimpo en el que el efluente está
libre de soluto:
S
a
a
L
w
=θ (13.1)
Además, es necesario conocer el tiempo requerido para establecer la zona de adsorción y
salir del lecho, θE donde,
Figura 13.7.
Curva de ruptura idealizada
para transferencia de masa4
infinitamente rápida.
Figura 13.6.
Curva de ruptura idealizada.4
A1
A2

9. Análisis de una columna de intercambio ionico
125
S
E
E
L
w
=θ (13.2)
Con la altura del lecho adsorbente Z y θF el tiempo requerido para la formación de la zona
de adsorción, se tiene,
FE
a
a ZZ
θθ
θ
−
= (13.3)
La cantidad de soluto separado del gas en la zona de adsorción desde el punto ruptura
hasta el agotamiento es U, la cual está representado por el área sombreada en la Figura
13.5, la cual está dada por:
( )∫ −=
e
b
W
W
O dwYYU (13.4)
Cuando todavía la zona de adsorción se encuentra dentro de la columna y todo el
adsorbente en dicha zona se encuentra saturado con el soluto, es posible calcular el poder
fraccionario del adsorbente, f, para adsorber soluto en dicha zona, el cual está dado por:
aO wY
U
f = (13.5)
Con el parámetro anterior, se puede obtener la aproximación fraccionaria a la saturación
de la columna en el punto de ruptura:
Z
ZfZ
uracióngradodesat a⋅−
= (13.6)
Debido a que los sistemas de adsorción no son ideales, siempre existe una longitud del
lecho sin utilizar, denominada LUB la cual se calcula a partir de la siguiente relación
SZZLUB −= (13.7)
Si el adsorbente en la zona está saturado f es cero, entonces el tiempo de formación de la
zona en la parte superior del lecho θF será el mismo que el tiempo requerido por la zona
para viajar una distancia igual a su propia altura, θA. Por otro lado, si f es uno, el sólido en
la zona no tendrá adsorbato, y el tiempo de formación de la zona será muy corto, descrito
por:
( ) AF f θθ −= 1 (13.8)
La altura de la zona de adsorción está dada por:
( ) AE
A
A
wfw
w
ZZ
−−
=
1
(13.9)
Es por esta razón, que si la rapidez de transferencia de masa fuese infinitamente rápida, la
curva de ruptura sería la línea vertical en θS, la cual se encuentra teniendo dos áreas
iguales en la curva.
La longitud sin utilizar del lecho, denominada LUB, es la altura de la columna del
adsorbente en equilibrio con la alimentación. Con el fin de encontrar la altura del lecho del
adsorbente en equilibrio con la alimentación se utiliza la siguiente ecuación:
LUBZZs −= (13.10)

10. Análisis de una columna de intercambio ionico
126
A partir de un balance de masa se obtiene la capacidad del lecho desde el inicio de la
adsorción hasta el momento en que se da la saturación del lecho. También puede
estimarse como el área sobre la curva Y contra w, evaluada desde w=0, hasta w=wE.
Mediante las siguientes ecuaciones es posible llevar a cabo el escalamiento de estos
sistemas:
)()( 00 XXZYYL TSSBS −=− ρθ (13.11)
SS
SS
L
Z
XX
YY
θ
ρ
=
−
−
)(
)(
0
0 (13.12)
Para realizar el escalamiento de la altura de la columna manteniendo el diámetro de la
misma constante, se debe despejar zs de la relación anterior para el tiempo de ruptura que
se desea y debido a que el LUB se mantiene constante se utiliza entonces:
sZLUBZ += (13.14)
Por otra parte, si se desea escalar para el diámetro manteniendo al altura de la columna
constante, se despeja Ls y se determina el diámetro de la columna para el nuevo tiempo de
ruptura por medio de:
2
4
c
s
d
m
L
π
= (13.15)
IV. INVESTIGACIÓN
1. Capacidad de la resina y su cálculo.
2. ¿Qué es selectividad de una resina?
3. Investigue sobre los modelos para determinar los coeficientes de transferencia de
masa en un lecho empacado con resina.
4. Los factores que determinan la forma de la curva de la onda de adsorción.
5. Diferentes tipos de regeneración de la resina.
6. Equipo, y sus variaciones, utilizados en los procesos de intercambio iónico
7. Investigue sobre el significado de la información que da un fabricante en la ficha
técnica de la resina.
8. Aplicaciones de lechos de resina en la industria.
9. Fabricantes y distribuidores de resina en el país.
V. PROCEDIMIENTO
Antes de realizar el procedimiento propiamente es necesario regenerar la resina
mediante el contacto con una solución de ácido sulfúrico al 10 %, con agitación
constante y durante 6 horas aproximadamente.
Luego debe lavarse con agua desionizada con el fin de eliminar trazas de ácido o
impurezas en el medio. En cierto punto, se valora una alícuota del agua de lavado
con una solución de hidróxido de sodio 0.01 M, para determinar la concentración
de ácido que está en equilibrio. En caso de ser necesario se continúa el enjuague de

11. Análisis de una columna de intercambio ionico
127
la resina hasta obtener una concentración de ácido en el agua de lavado, igual que
la correspondiente a la del agua desionizada pura (el blanco)
1. Haga una revisión referencial de la ficha técnica de la resina que se va a utilizar en la
práctica.
2. Prepare una solución de NaCl con una concentración determinada (por ejemplo: 0.1M).
O varias si se variará la concentración de alimentación.
3. Determine el flujo de la salmuera según las especificaciones de la hoja técnica de la
resina.
4. Para una concentración y flujo de la salmuera, un diámetro de torre, y una altura de
lecho dados, se alimenta el flujo por la parte inferior de la columna con ayuda de la
bomba peristáltica, recolectando alícuotas del flujo de salida cada 5 minutos al inicio
(consulte a su tutor sobre la cantidad de datos necesarios) y luego cada 3, hasta que
alcance el punto de ruptura, a partir del cual, se reduce el tiempo de toma a 30 s.
5. Valore las muestras con una solución de hidróxido de sodio 0.05 M, hasta que alcancen
una concentración constante (al menos diez valores semejantes).
VI. EQUIPO
VII. RESULTADOS
1. Determine la curva de ruptura del proceso.
2. Determine el tiempo de ruptura, la altura de la zona móvil, la longitud sin utilizar del
lecho (LUB) y la capacidad de la resina operándose ésta en un lecho fijo para cada una
Figura 13.6. Diagrama Experimental
1.Columna de Intercambio
2.Bomba Peristáltica
3.Recipiente de recolección de
la solución de salida
4.Recipiente con la solución de
cloruro de sodio-agua

12. Análisis de una columna de intercambio ionico
128
de las variaciones que le asigne su profesor (se puede variar: el flujo y la concentración
de la alimentación, la altura del lecho, el diámetro de la columna, entre otros).
3. Dimensione una columna con un tiempo de ruptura de 24 horas que operaría a una de
las dos condiciones trabajadas en el experimento y que cumpla con las
recomendaciones establecidas por el fabricante de la resina. En el dimensionamiento
debe incluirse los flujos y tiempos de servicio, regeneración y de mantenimiento de la
columna.
VIII. DISCUSION
1. Analice el comportamiento de las curvas de ruptura obtenidas. Identifique físicamente
las diferentes secciones que la conforman.
2. Interprete físicamente los valores obtenidos de tiempo de ruptura, la altura de la zona
móvil, la longitud sin utilizar del lecho (LUB) y la capacidad de la resina.
3. Compare los valores obtenidos para las dos corridas donde varió un factor de diseño.
4. Investigue sobre la capacidad de otra resina diferente a la utilizada en la práctica.
5. Analice la información obtenida para el dimensionamiento de la columna hecho por
usted.
IX. BIBLIOGRAFÍA
1. Aplications Ions Exchange Resins: Clasification and properties, Aldrich Company
S.A.
2. Cubero, S. Intercambio Iónico, Publicación Independiente, Pp. 3-14.
3. DeSilva, F. “Essentials of ion exchange”. 25th Annual WQA Conference (1999)
4. McCabe, W. Operaciones Básicas en Ingeniería Química. 4ª edición. Editorial
McGraw-Hill, México D.F. (1995); pp 521, 733-745
5. McNulty. The many faces of ion-exchange resins. Chemical Engineering,
Junio (1997).
6. Perry, R; Green, D. Manual del Ingeniero Químico.7a edición. Editorial Mc Graw
Hill. España (1997). pp-16-69 a 16-77.
7. Schumaker, M, “Boundary conditions and trajectories of diffusion processes”,
Journal. Chem. Phy. Volume 117, Number 6 (2002)
8. Skogley, E. Et al. “Synthetic Ion-Exchange Resins: Soil and Environmental Studies”.
Journal of Environmental Quality, Volume 25, Number 1 (1996)
9. Treybal, R .Operaciones de Transferencia de masa. 2da Edición, Editorial
McGraw-Hill, México (1988). pp-698-700,705
10. Vian, A. Elementos de Ingeniería Química. 5ta Edición. Editorial Aguilar S.A.
España(1976). Pp. 668-671.
11. www.amberlite.com