INTERCAMBIO IÓNICO Operación básica 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 desplazamiento de iones de la misma carga (contraiones). Se describe como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes: Na+ + H-R  Na-R + H+ La eficacia del proceso depende: - Equilibrio sólido-fluido - Velocidad de transferencia de materia Resinas de intercambio iónico: Sólidos poliméricos constituidos por una estructura tridimensional de cadenas hidrocarbonadas. Presentan grupos iónicos libres unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. El grado de reticulación determina la movilidad de los iones en la fase intercambiador.

Intercambio iónico en lecho fijo Operación de intercambio iónico realizada en semicontinuo, en un lecho fijo de resina a través del cual fluye la disolución. Cambia la concentración de los iones en cada punto de la columna. Cambia el grado de saturación del lecho para cada tiempo de operación. Régimen no estacionario. Permite obtener concen-traciones de salida muy bajas con un consumo bajo de sólido intercambiador. El empleo de lechos para el tratamiento de una corriente continua implica el uso de al menos dos lechos idénticos: mientras la disolución que se desea intercambiar circula por uno de ellos, el otro se está regenerando.

Operación de intercambio en lecho fijo Q C0 Q C0 Q C0 Q C0 Zona de T.M. Zona de saturac. Cs = 0 Cs = 0 Cs Cs = C0 Inicio de operación ( t1 ): La transferencia de materia se produce preferentemente a la entrada del lecho. Sucesivos tiempos de operación (t2 , t3 ... ): Se satura el sólido próximo a la entrada y la transferencia de materia ocurre lejos de la entrada del lecho. El frente de agotamiento se traslada en el lecho hasta alcanzar el extremo final de la columna. A partir de entonces, la disolución de salida contendrá cantidades crecientes de los iones que se desea intercambiar. El lecho se satura y es necesaria su regeneración.

Zona de transferencia de materia Operación de intercambio en lecho fijo Zona de transferencia de materia Zona de transferencia de materia Región del lecho donde la concentración del fluido varía entre 5 y 95% de la inicial. Zona donde se produce mayoritariamente la transferencia de materia. Describe la mayor parte del gradiente de concentración en el lecho.

Operación de intercambio en lecho fijo Curva de ruptura t1 V = QV • t V1 Tiempo de ruptura ( tr ): El tiempo transcurrido desde el comienzo de la operación hasta que la corriente de salida alcanza la máxima concentración permisible en el efluente (Cr ). Curva de ruptura: Representa la evolución frente al tiempo de la concentración del efluente que abandona el lecho . Tiempo de saturación ( tS ): Tiempo necesario para que se agote toda la capacidad de intercambio del lecho.

Operación de intercambio en lecho fijo Curva de ruptura V = QV • t El tiempo de ruptura para una concentración Cr fijada depende de: - Peso de la resina - Capacidad de la resina - Concentración de iones en el efluente a tratar - Condiciones fluidodinámicas: caudal, etc. - Forma de la curva de ruptura (cinética del proceso) - Etc.

Capacidad de la resina Se define como la cantidad de iones que pueden ser retenidos por unidad de peso de la resina. Capacidades altas de la resina implican mayor separación o purificación por intercambio iónico. Se expresa como meq de soluto retenidos / g de resina seca. Peso de resina: Peso total de la resina seca contenido en la columna . 1 Cantidad de soluto: Corresponde al área comprendida entre la curva de ruptura (en función del volumen eluído) y la línea horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada. C/C0 Área V

Fracción de lecho utilizado La fracción de lecho utilizado en el punto de ruptura se determina a partir de la cantidad de soluto retenida en ese punto y la capacidad de la resina. 1 C/C0 Cantidad de soluto: Corresponde al área de la zona comprendida entre el tramo correspondiente a la curva de ruptura y la línea horizontal que corresponde a la concentración de la disolución de entrada. At Vt V

Práctica de intercambio iónico Longitud de lecho no utilizado Longitud de lecho no utilizado = Longitud de lecho – [Fracción del lecho utilizada • Longitud de lecho] Dado que el perfil de concentración no varía al desplazarse por el lecho, lechos de mayor longitud implican menor longitud de lecho no utilizado. Práctica de intercambio iónico Objetivos: Estudio del comportamiento de un lecho fijo constituido por una resina de intercambio iónico. Se eliminarán los iones Na+ de una corriente acuosa de hidróxido sódico mediante intercambio con los iones H+ de una resina catiónica en un lecho fijo. Na+ + OH- + H-R  Na-R + H2O

INSTALACIÓN Y PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL La concentración de NaOH se determina mediante medidas de conductividad: C / C0 = l / l0 Procedimiento: Se alimenta agua y se ajusta el caudal Se regenera con HCl 0,1 N y se lava con agua Se alimenta la disolución de NaOH, se mide la conductividad del efluente de salida cada 30 s hasta que se alcance la conductividad de la disolución de entrada Se lava con agua Se regenera con HCl 0,1 N Se vuelve a lavar con agua La resina está lista para realizar el segundo experimento

Para cada uno de los experimentos: TRABAJO EXPERIMENTAL Peso de resina: 20 g - QV = 50 ml/min CNaOH = 0,085 N - QV = 35 ml/min Peso de resina: 10 g - CNaOH = 0,085 N QV = 50 ml/min - CNaOH = 0,14 N Para cada uno de los experimentos: Se representa l / lo = C / Co frente al volumen, obteniéndose así la curva de ruptura del sistema. Del área sobre la curva se obtiene la capacidad de la resina. De la curva se obtiene el tiempo de ruptura (tr = Vr / Q) para una concentración de ruptura Cr=20% C0. A partir del área sobre la curva hasta el punto de ruptura se determina la cantidad de soluto retenido en ese tiempo, la fracción de lecho utilizada y la longitud de lecho no utilizada.

Comparación de resultados: Se analiza el efecto que tienen las siguientes condiciones de operación: La cantidad de resina empleada La concentración de la disolución tratada El caudal de disolución empleado sobre los aspectos: - Curva de ruptura - Capacidad de la resina - Tiempo de ruptura - Cantidad de soluto retenido - Fracción de lecho utilizado. - Longitud de lecho no utilizado