14)2019-2_Gastélum Marin_Paulina del Rosario

Universidad de Sonora
Departamento de Ingeniería Química y Metalurgia
“Eliminación de la dureza de los metales alcalinos de la tierra,
soluciones acuosas por método de intercambio iónico”
Operaciones Unitarias II
Profesor:
Marco Antonio Núñez Esquer
Alumno
Paulina del Rosario Gastélum Marín
Semestre 2019- 2
Hermosillo, Sonora a 17 de Octubre de 2019
1

• Artículo de investigación por el Autor: Gulten
Cetin
• Departamento de Química facultad de ciencias y
arte, Universidad Técnica de Yildiz, Campus de
Davutpasa, Esenler.
• Estambul, Turquía.
• Publicado 23 de febrero 2014, editores
académicos N. Egashira, V.A. Lemos u A.
Lewenstam
• Corporación editorial Hindawi, ISRN
(International Scientific Research Network)
Química Analítica. Volumen 2014, ID de articulo
621794. 7 páginas. 2
“Eliminación de la dureza de
los metales alcalinos de la
tierra, soluciones acuosas por
método de intercambio
iónico”

ÍNDICE
• Resumen ……………………………………04
• Introducción ………………………………. 06
• Experimentación………………………….... .10
• Resultados y Discusión……………………...15
• Conclusiones………………………………...27
• Referencias ………………………………….30
3

5
– En este articulo se introduce un proceso de
intercambio iónico como enfoque para el
ablandamiento de soluciones artificiales de
agua dura utilizando la resina Amberlite IR
120
– Los experimentos se llevaron a cabo por
lotes, experimentando con diversas
variables
– Se busca determinar si esta es una buena
solución para el ablandamiento de agua
dura, y establecer su punto óptimo de
operación
– Todo lo anterior con la finalidad de lograr
resultados factibles para la eliminación de
“Eliminación de la dureza de
los metales alcalinos de la
tierra, soluciones acuosas por
método de intercambio iónico”

7
El agua es un recurso muy importante en la mayoría de las industrias
debido a su capacidad de disolver sustancias, por ello es difícil
encontrarla en estado puro.
Agua blanda:
Aquella en la que se encuentran disueltas las mínimas cantidades de
sales.
Agua dura:
Contiene un alto nivel de minerales, concretamente sales de calcio y
magnesio
Algunos de los métodos mas comunes para su ablandamiento
- Precipitación química.
- Ultrafiltración
- Ósmosis inversa
- Electrodiálisis
- Adsorción e intercambio iónico.

8
Las resinas de intercambio iónico tienen numerosos usos,
particularmente en la purificación de agua y la eliminación de iones
metálicos a concentraciones muy bajas en procesos químicos.
Objetivo Principal del Estudio:
Eliminar la dureza de magnesio y calcio de las
soluciones sintéticas de agua dura.
Figura 1. Canasta de la Resina
– Se introdujo un proceso de intercambio
iónico como enfoque
– Se usó resina catiónica Amberlite IR 120 [Na
+], para reducir la dureza del agua con la
matriz de copolímero de estireno-
divinilbenceno que tiene grupo funcional
como sulfonato.

Agua Dura
+ Ca + Mg
9
Resina
Amberlite IR 120
Iones Ca y Mg
Resina
Na+
Intercambi
o Iónico
Agua
salada con
iones Na+

11
TABLA 1 . DATOS DEL FABRICANTE DE LA RESINA
a) Las propiedades de la resina, Amberlita IR 120 Na+
Forma física Cuentas esféricas ámbar
Matriz
Copolimero de estireno-
divinilbenceno
Grupo funcional Sulfonato SO3
- Na+
Forma ionica Como Na +
Capacidad de intercambio total > 2.00 eq / L en forma de Na+
Capacidad de retención de
humedad
45 a 50 % en forma de Na+
Peso de envío 840 g/L
Coeficiente de uniformidad < 1.9
Tamaño medio ármonico
0.600 a 0.800 mm < 0.300 mm 2%
max
Hinchazon máxima reversible Na + --> H + < 11 %
b) Condiciones de funcionamiento sugeridas en la resina
Temperatura máxima de
operación
135 °C
Profundidad mínima de lecho 700 mm
Caudal de servicio De 5 a 40 BV / h
Regenerante HCl H2SO4 NaCl
Nivel (g/L) 50 a 150, 60 a 240, 80 a 250
Concentracion % 5 a 8,
0. 7 a 6,
10
Tiempo minimo de contacto 30 minutos
Enjague lento 2 BV al caudal de regeneración
Enjuague rapido 2 a 4 BV al caudal de servicio
Se realizaron soluciones con químicos
orgánicos (CaCl2 2H2O, MgCI2 6H2O, HCI
y NaOH ) en calidad analítica y agua
bidestilada.
Resina Amberlite IR 120 como
intercambiador de cationes fuertemente
ácido.
Para el experimento se lavó con
soluciones de HCl y NaOH tres veces
antes de su uso para reducir impurezas.
Figura 1. Canasta de la Resina

Preparación De Las Soluciones
12
Soluciones de agua dura sintética.
Se prepara una solución madre y el volumen de 950
ml de esta se lleva al reactor discontinuo, se ajusta el
pH de la solución al valor deseado, se diluye a
volumen de un matraz de 1L y se usa como solución
sintética.
Soluciones para el análisis.
El volumen de 0,5 ml de la solución de agua dura
sintética se llevó al matraz en un volumen de 100 ml
y se diluyó con agua destilada.

Procedimiento
13
Los experimentos por lotes se llevaron a cabo para determinar la eficacia de la eliminación de la
dureza de calcio y magnesio de la solución sintética de agua dura.
Figura 1. Canasta de la
Resina conteniendo 5.0 g
- Agitación constante durante 1 hora.
- Utilizando soluciones sintéticas de
agua dura.
- Se toman muestras de 500 µL para
medir concentración de Ca y Mg
cada 10 min.
- Determinación de concentraciones.

Cálculo De Concentraciones De
Ca Y Mg En Soluciones
- - Se hicieron diluciones a 100 ml y se
acidificaron con ácido nítrico.
- - La determinación de concentración
se realiza mediante un
espectrofotómetro de absorción
atómica.
14
Tabla 2. Parámetros instrumentales para la
determinación de calcio y magnesio
Parámetros instrumentales Calcio Magnesio
Longitud de onda (nm) 442.67 442.67
Ancho de hendidura (nm) 2.7 2.7
Combustible
Acetileno/
aire
Acetileno/ aire
Corriente de lámpara (mA) 20 20
Rango de trabajo óptimo
0.5 – 2.5
mg/L
0.2 – 1.0 mg/
L
Espectrofotómetro perkin Elymer.
Tabla 3. Características de las curvas de calibración
Tierra metálica
alcalina
Ecuación de la curva
de calibración
Coeficiente de
regresión
Calcio A= 0.0328C – 0.0018 0.0004
Magnesio A= 0.3895 C + 0.0145 0.9985

Método Para La Eliminación De La Dureza De Calcio Y
Magnesio
16
𝑹 − 𝑺𝑶 𝟑
−
𝑵𝒂+ + 𝑯𝑪𝒍 → 𝑹 − 𝑺𝑶 𝟑
−
𝑯+ + 𝑵𝒂+
+ 𝑪𝒍−
𝟐𝑹 − (𝑺𝑶 𝟑
−
𝑯+) 𝟐 + 𝑪𝒂 𝟐+
+ 𝑴𝒈 𝟐+
→ 𝑹 − (𝑺𝑶 𝟑
−
) 𝟐 𝑪𝒂 𝟐+
+ 𝑹 − (𝑺𝑶 𝟑
−
) 𝟐 𝑴𝒈 𝟐+
+ 𝟒𝑯+
Las siguientes reacciones muestran que la matriz de resina se ha convertido a la forma H + a
partir de Na + y se ha resumido la reacción de intercambio de calcio y magnesio:
• El comportamiento de la resina es diferente para
la adsorción de iones.
• Es más selectivo para el calcio que el magnesio y

Efectos A Considerar En La
Eliminación De La Dureza De
Calcio Y Magnesio A
Considerar
17
Efecto Del pH
Efecto Del Tiempo De
Contacto
Efecto De La Velocidad
De Agitación
Efecto De La Cantidad
De Resina

Efecto Del pH Sobre La Eliminación De La Dureza Del
Calcio Y Magnesio
18
Efecto significativo sobre la afinidad de la resina
por los iones
Estudio con un pH inicial entre 2.0 y 5 .0, este se
controlo con un medidor de pH y mediante la
adición de HCl y NaOH
Temperatura, velocidad y tiempo de contacto
constantes a 298 K, 115 rpm y 60 min.
Figura 3: La eliminación de la dureza de calcio y
magnesio en función del pH inicial de la solución (la
cantidad de resina: 5.0 g, la velocidad de agitación de la
solución: 115 rpm).

19
Tabla 4. Las condiciones experimentales dependen del efecto del pH para la eliminación de la dureza
de calcio y magnesio
pH
Velocidad
de agitación
rpm
Dosificación
de resina (G)
Dureza inicial
de calcio (FH)
Dureza de calcio
en Equilibrio
(FH)
Dureza inicial de
magnesio (FH)
Dureza de magnesio
en Equilibrio (FH)
2 115 5 79.12 36.7 (60 min) 124.89 99.83 (60 min)
3 115 5 83.75 0.00 (60 min) 124.89 96.80 (60 min)
4 115 5 83.75 0.00 (60 min) 118.28 100.77 (60 min)
5 115 5 85.25 0.00 (60 min) 102.90 90.50 (60 min)

20
Tabla 5. (a), (b) y (c). el intercambio de pH de la solución en equilibrio depende del tiempo de contacto
con la resina según condiciones experimentales.
a)
Tiempo de contacto con la resina (min) 0 10 20 30 40 50 60
pH (dosis de resina 5.o g ) (Velocidad de agitación 115
rpm)
2.00 1.77 1.74 1.73 1.72 1.72 1.72
rpm)
3.00 2.03 1.98 1.96 1.95 1.94 1.93
rpm)
4.00 2.22 2.18 2.17 2.16 2.14 2.11
rpm)
5.00 2.35 2.29 2.27 2.25 2.20 2.11
b)
pH ( dosis de resina 5.0 g) (velocidad de agitación 78
rpm)
3.00 2.84 2.25 2.23 2.22 2.21 2.21
rpm)
3.00 2.18 2.17 2.17 2.16 2.16 2.14
c)
rpm)
3.03 2.05 2.04 2.03 2.02 2.02 2.01
rpm)
3.02 2.00 1.95 1.93 1.92 1.91 1.91

Efecto Del Tiempo De Contacto Entre La Resina Y La Solución
Sintética De Agua Dura Sobre La Eliminación De La Dureza De
Calcio Y Magnesio.
21
Factor importante en el proceso
Experimentos realizados a distintos tiempos de contacto
( 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 minutos)
Velocidad de agitación de solución a 115 rpm
pH entre 2.0 y 5.0
Equilibrio establecido en 60 min.

22
Figura 2: El intercambio de dureza de calcio y
cantidad de resina: 5.0 g; la velocidad de agitación de
la solución: 115 rpm)
cantidad de resina: 5.0 g, la velocidad de agitación
de la solución: 115 rpm).

Efecto De La Velocidad De Agitación Sobre La Eliminación
De La Dureza De Calcio Y Magnesio.
23
Se examinó con una velocidad de agitación entre 78 y 148 rpm
pH de la solución de 3.0
con una cantidad de resina de 5.0 g.
Tabla 6. Las condiciones experimentales dependen del efecto de la velocidad de agitación para
eliminar la dureza de calcio y magnesio.
pH
Velocidad de
agitación
(rpm)
Dosis de
resina (g)
Dureza inicial
de calcio (FH)
Dureza de calcio
en equilibrio
(FH)
Dureza inicial de
magnesio (FH)
Dureza de
magnesio en el
equilibrio (FH)
3 78 5 92.50 59.56 (60 min) 134.35 108.35 (60 min)
3 115 5 83.75 0.00 (60 min) 124.89 96.80 (60 min)
5 148 5 80.05 0.00 (60 min 124.25 95.00 (60 min)

24
magnesio en función de la velocidad de agitación
de la solución (la cantidad de resina: 5.0 g; el pH
inicial de la solución: 3.0).
Los resultados indican que la
velocidad de agitación de la solución
de agua dura tiene un impacto en la
adsorción de calcio y magnesio y la
eliminación de los grados de dureza.

Efecto De La Cantidad De Resina Sobre La Eliminación De
La Dureza De Calcio Y Magnesio.
25
Se examino entre 5 y 10 g en condiciones experimentales
pH de solución en 3
Velocidad de agitación de 115 rpm
Tabla 7. Las condiciones experimentales dependen del efecto de la cantidad de resina para la
eliminación de la dureza de calcio y magnesio.
pH
Velocidad de
agitación
(rpm)
Dosis de
resina (g)
Dureza inicial
de calcio
(FH)
Dureza de calcio
en equilibrio (FH)
Dureza inicial
de magnesio
(FH)
Dureza de
magnesio en el
equilibrio (FH)
3 115 5.0 83.75 0.00 (60 min) 124.89 96.80 (60 min)
3 115 7.5 97.90 0.00 (60 min) 122.50 82.25 (60 min)
3 115 10 93.40 0.00 (60 min) 119.65 33.60 ( 60 min)

26
Figura 5. La eliminación de la dureza de calcio
y magnesio en función de la cantidad de
resina (el pH inicial de la solución: 3.0; la
velocidad de agitación de la solución: 115
rpm).
– La eficiencia de eliminación de la dureza
aumenta con el aumente de la cantidad de
resina.
– La cantidad de resina proporciona una gran
cantidad de sitios de intercambio iónico.
– Es un parámetro importante para obtener la
absorción cuantitativa de iones de calcio y
magnesio.

28
La resina Amberlite IR 120 de intercambio iónico
de bajos costo, resulto ser efectiva para la
eliminación de la dureza en el agua
Las condiciones de operación óptima se
determinaron de:
• pH 3.0
• Velocidad de agitación de 115 rpm
• Cantidad de resina: 10 g
• Proporción de resina/ solución: 1g / 100 ml
• La máxima eficiencia de eliminación del calcio
y magnesio fue de 100% y 70%
respectivamente.
• Tiempo de contacto óptimo de 20 minutos.

29
La diferencia de selectividad de la resina tiene
un gran efecto en la eliminación de la dureza
del calcio con un rango de pH superior a 2,0.
Se encontró que la capacidad máxima de
intercambio iónico era de 68 mg / g para Ca
(II) y 12 mg / g para Mg (II) a pH 3.0.
Método factible para eliminar el calcio de las
soluciones acuosas en presencia de magnesio
y un rango de pH entre 2.0 y 5.0.
La resina de Amberlite IR 120 [Na +] puede
usarse para aplicaciones de tratamiento que
incluyen ablandamiento.

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