PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO

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 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

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 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:

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

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

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