Informe Intercambio Ionico

 

 

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del poder popular para la educación universitaria, ciencia y tecnología Universidad politécnica territorial del oeste de sucre "clodosbaldo russián" Cumana, Edo Sucre

PRACTICA 7 INTERCAMBIO IONICO, DESMINERALIZACION Y ABLANDAMIENTO DEL AGUA CON CAL Y SODA

BACHILLERES: PROFESOR

Acosta, Roceli

Melchor, María

CI. 26.721.606

UNIDAD CURRICULAR

Parejo, José CI. 25.897.799

Tratamiento de Aguas

Trayecto 2, Trimestre 1

Cumaná, mayo de 2018 

 

Laboratorio de Tratamiento de Agua, Universidad Politécnica Territorial del Oeste de Sucre “Clodosbaldo Russián” (UPTOS “CR”), Cumaná, Estado Sucre, Venezuela.    Acosta, Roceli C.I: 26.721.606 ; Parejo, José C.I: 25.897.799 

PRÁCTICA 7. TRATAMIENTO DE AGUAS POR INTERCAMBIO IONICO  Abril 2018

Resumen El agua por ser la sustancia más usada en todos los ámbitos de la vida necesita de cuidados para adecuarla a todas las áreas donde esta sea necesaria y una forma de acondicionarla es con el proceso de intercambio iónico. Para lo cual se analizan los parámetros de dureza total, pH, conductividad y cloruros, para tener un valor de referencia y observar los cambios que generaran la aplicación de este proceso, el cual tiene como finalidad la eli eliminación minación de iones no deseados en el agua, intercambiándolos por iones que no generen consecuencias al usar el agua. En esta práctica se llevaron a cabo algunas experiencias de intercambio con resinas catiónica, aniónica y ciclo sodio. haciendo pasar agua cruda por la resina catiónica luego por la resina aniónica se lleva a cabo la desmineralización del agua, la cual se cuantifico midiendo los cationes y aniones retenidos por cada resina, los que arrojaron un resultado de 0,0745 Eq. Cationes retenidos y 0,1165 Eq. Aniones retenidos. Luego se llevó a cabo el proceso de ablandamiento con cal y soda y determinación de la capacidad de intercambio de la resina ciclo sodio cuantificándolas mediante la dureza total y los diferentes tipos de dureza para el proceso de ablandamiento.

Palabras Claves: intercambio, iones, resina, catión, anión, dureza.

 

Objetivos Objetivo general: Eliminar los iones presentes en el agua de la UPTOS “Clodosbaldo Russián” mediante el proceso de intercambio iónico y ablandamiento ablandamiento con cal y soda.

Objetivos específicos:  



Cuantificar los equivalentes de aniones y cationes retenidos por la resina en el proceso de desmineralización del agua.

 



Determinar la remoción de dureza por ablandamiento por intercambio iónico con una resina ciclo sodio.

 





 

Verificar la efectividad del proceso de regeneración en una resina catiónica.

Evaluar la remoción de dureza del agua mediante el ablandamiento por con cal y soda.

 

Introducción El agua debido a su gran poder de disolución y el contacto que tiene en la naturaleza con diversos tipos de superficie y materia de toda característica, presenta gran proporción sales de metales no alcalinos; la concentración de estos cationes metálicos (iones de calcio, magnesio, estroncio, bario, en forma de carbonatos o bicarbonatos), se conoce como dureza del agua y constituye un parámetro muy significativo en la calidad del agua. () En casi todo proceso industrial es necesario el uso del agua, y un nivel de dureza alto puede representar un problema tanto para el proceso como para los equipos que lo realizan por lo tanto esos iones necesitan ser removidos. Se hace uso del intercambio iónico, el cual remueve del agua cruda los iones indeseables transfiriéndolos a un material sólido, llamado intercambiador iónico o resina, los iones que son retirados de la disolución deben ser sustituidos por otros iones de igual signo, con el fin de mantener el equilibrio de carga de ambas fases. Este proceso de intercambio requiere de un tiempo de contacto entre el agua y la resina para que estas puedan realizar el trueque de iones. El intercambio iónico es un proceso que se usa para ablandamiento del agua y desmineralización, generalmente se aplica a aguas que van a ser introducidas en calderas, sistemas de refrigeración o para aguas que van a ser emplearas en la industria de alimentos. Las aguas dependen de donde provienen presentan características diferentes y compuestos disueltos diferentes, razón por la cual para la fabricación de un intercambiador iónico se estudia la composición del agua para saber cuáles iones están presentes y cuales se quieren eliminar y así elegir el tipo de resina adecuada para esa agua en particular. Además de los intercambiadores iónicos la eliminación de la dureza del agua puede realizarse mediante ablandamiento con cal y soda, el cual es un proceso utilizado con mucha frecuencia y consiste en eliminar la dureza del agua agregando cal y carbonato de sodio al agua cruda, la cal reacciona con los iones calcio y magnesio formando CaCO3 y Mg(OH)2 que son insolubles de modo que precipitan, ablandando el agua. En esta ocasión realizaremos el proceso de ablandamiento del agua por intercambio iónico y por el método de cal y soda, desmineralización del agua y determinaremos la capacidad de intercambio de la resina, usando resina ciclo sodio, resina catiónica y resina aniónica.

 

Metodología A continuación, se presenta el diagrama de flujo para la de la dureza retenida y porcentaje de remoción de dureza en el proceso de ablandamiento del agua. Determinar el pH, conductividad, dureza total y cloruros al agua cruda.

Colocar un pequeño tapón de algodón en el fondo de la columna y pesar 0,5 g de resina húmeda, ciclo sodio.  

Verter una pequeña cantidad agua desmineralizada en la columna, introducir la resina y dejar decantar.

pasar a través de la columna 20 ml de agua y recoger lentamente el efluente al final de la columna 

Determinar dureza total y el pH del efluente de la columna  

Calcule el porcentaje de remoción de la dureza y la dureza retenida por la resina.  

Pesar 8,7675g de NaCl y preparar 50ml de solución a 3N con agua desmineralizada.

Hacer pasar la solución la misma ciclo sodioen y recuperar lentamente todopreparada el efluentepor hasta que nocolumna se perciba dureza él.

Determinar dureza total a todo el efluente recuperado una vez pasado por la columna y con ese valor calcular el número de equivalente gramo de calcio y magnesio totales retenidos por la resina durante el intercambio

Verificar que la regeneración de la resina fue optima mediante la comparación de la dureza total del efluente después de la regeneración con NaCl y la dureza total retenida por la resina después del ablandamiento.

 

Seguidamente, se muestra el diagrama de flujo para el proceso de desmineralización del agua. Determinar el pH, conductividad, dureza total y cloruros al agua

Colocar un pequeño tapón de algodón en el fondo de 2 columnas y pesar 1,0 g de resina catiónica y 1,0 g gramo de resina aniónica.

Verter una pequeña cantidad agua desmineralizada en cada columna, introducir las resinas pesadas una en cada columna y dejar decantar.  

Hacer pasar primero por la resina catiónica 20 ml de agua cruda y lentamente recoger el efluente 

Determinar al efluente recolectado pH, conductividad y dureza total

El efluente recibido de la resina catiónica hacerlo pasar por la resina aniónica y recibir lentamente el efluente al fondo de la l a columna. A este efluente final determinarle pH. Conductividad y cloruros.

Comparar los valores de dureza total, pH, conductividad y cloruros tomados en los efluentes con los valores del agua cruda

preparar solución de HCl y NaOH a 3N con agua desmineralizada

Hacer pasar 50ml de la solución de HCl a través de la resina catiónica, recoja el efluente y titule una alícuota de este con la solución de NaOH con fenolftaleína como indicador.

Hacer pasar 50ml de la solución de NaOH a través de la resina aniónica, recoja el efluente y titule una alícuota de este con la solución de HCl con fenolftaleína. 

 

Por último, se presenta el diagrama de flujo para el ablandamiento del agua con cal y soda. Determinar a la muestra de agua cruda pH, conductividad, CO 2, cloruros, dureza total, dureza cálcica, dureza magnésica, dureza temporal y dureza permanente presentando todas las durezas en meq/L. 

Con todos los parámetros determinados calcular la dosis de cal y la dosis soda.

Tomar un litro de agua de muestra previamente calentada y agregarle la dosis calculada de cal y soda, disolver bien y dejar reposar por lo menos 40 minutos.

Una vez pasados los 40 min. Tomamos una alícuota del sobre nadante y le determinamos dureza cálcica, dureza magnésica y dureza total

 

Datos Tabla 1. Datos iniciales de pH, conductividad, cloruros y dureza total de la muestra de agua cruda.

Cloruros pH

Conductividad

6,88

196,2 μS/cm μS/cm  

N N°° 1 2 3

Dureza total

Volumen AgNO3 (±0,1) ml 0,7 0,8 0,8

N° 1 2 3

Volumen EDTA (±0,1) ml

Tabla 2. Datos luego del ablandamiento del agua por intercambio iónico.

Dureza total del agua

N°

Volumen EDTA (±0,1) ml

1 2

0,6 0,7

Regeneración de la resina Dureza total luego de la regeneración

N°

Volumen (±0,1) ml

1

1,8

Tabla 3. Datos luego de la desmineralización del agua. 100,3 Conductividad (μs/cm3) pH 9,40 Resina Catiónica Masa de la resina (±0,0001) g 1,0216 Volumen de NaOH 3N (±0,1) N° ml Titulación del efluente de HCl 1 2,5 con NaOH 3N 2

2,5

Resina Aniónica Masa de la resina (±0,0001) g Titulación del efluente de NaOH con HCl 3N

1,0334

N°

Volumen de HCl 3N (±0,1) ml

1 2 3

1,1 1,2 1,1

Cloruros

Volumen de AgNO3 (±0,1) ml

1

0,2

3,1 3,0 3,0

 

Tabla 4. Datos en el ablandamiento del agua con cal y soda.

Datos iniciales Dureza magnésica

N°

Volumen EDTA (±0,1) ml

1 2 1

0,4 0,4 2,7

Dureza permanente

2 3

2,6 2,7

N°

Volumen NaOH 0,02N (±0,1) ml

1

3,3

N°

Volumen EDTA (±0,1) ml

1 2 3 1 2

1,0 1,0 1,1 0,1 0,1

N°

Volumen AgNO3 (±0,1) ml

1 2

0,2 0,2

CO2 Datos finales Dureza Total Dureza magnésica

Cloruros pH Conductividad

9,98 6,7 mS/cm

Tabla 5. Valores en las estandarizaciones.

N°

Patrón primario Masa Volumen Compuesto (±0,0001) g (±0,1)ml

Titulante Volumen Compuesto (±0,1)ml

1 2 3 1 2 3 1 2 3

5,2 CaCO3 

0,0256

5,0

EDTA

NaCl

0,0160

5,0

AgNO AgNO3 

C8H5O4K

0,1158

5,0

NaOH

5,3 5,2 5,7 5,8 5,8 6,7 6,9 6,7

 

Resultados Tabla 6. Resultados de dureza total y cloruros para el agua cruda

Agua cruda Dureza total Cloruros

119,56 mg CaCO3 /L 1,349 mg Cl- /L

Tabla 7. Dureza total, porcentaje de remoción y dureza retenida por la resina luego del ablandamiento por intercambio iónico. Dureza recuperada luego de la l a regeneración de la resina.

Dureza total

25,48 mg CaCO3 /L

% remoción de dureza

78,68%

Dureza retenida

94,08 mg CaCO3 /L

Regeneración de resina Dureza recuperada

70,56 mg CaCO3 /L

Tabla 8. Cationes y Aniones recuperados luego de la desmineralización y regeneración de las resinas catiónica y aniónica.

Desmineralización del agua Resina catiónica Eq. HCl iniciales Eq. HCl finales Eq. Cationes retenidos

0,0822 eq H* 7,34x10-3 eq H*  0,0749 eq H* 

Resina aniónica Eq. NaOH iniciales Eq. NaOH finales Eq. Aniones retenidos

0,075 eq OH3,19x10-3 eq OH-  0,0718 eq OH- 

 

Tabla 9. Resultados de durezas antes y después del ablandamiento con cal y soda.

Iniciales Dureza total Dureza Magnésica

2,3912 meq CaCO3 /L 0,3136 meq CaCO3 /L 2,0776 meq CaCO3 /L 2,0776 meq aCO3 /L

Dureza cálcica Dureza permanente Dureza temporal CO2 

0,3136 meq CaCO3 /L 2,2044 meq CO2 /L

Dosis de cal y soda necesarios según los datos iniciales del agua Dosis de cal (g) Dosis de soda (g)

0,1427 0,1366

Finales 41,16 mg CaCO3 /L 65,57%

Dureza total % remoción de dureza

Discusión En el ablandamiento por intercambio iónico se redujo un 78% la dureza del agua cruda que se pasó por la columna con la resina intercambiadora ciclo sodio, tomando en cuenta que los iones intercambiados en la resina fueron calcio y magnesio las reacciones que participan en este proceso son: 2 R-Na + Ca++ 

R2-Ca + 2 Na+

2 R-Na + Mg++ 

R2-Mg + 2 Na+

Donde R representa la resina, en las ecuaciones se observa como los iones Ca ++ y Mg++ al entrar en contacto con la resina, son retenidos por esta y sustituidos en la disolución por el ion sodio, de tal manera que por cada uno de estos iones se produce la salida de 2 iones sodio. Esta ecuación que el resultado de este ablandamiento no es la eliminación de los iones que producen la dureza, si no la l a sustitución de los mismo por iones sodio. Debido a que la dureza final del agua fue de 25,48 mg CaCO3 /L, cuantitativamente en forma de dureza se puede decir que la cantidad de iones Ca ++ y Mg++ que fueron retenidos por la

 

resina 94,08 mg CaCO3 /L, como se puede notar no se elimina la dureza del agua completamente, esto se debe a que la capacidad de la resina de intercambiar iones sodio es limitada, es decir en un determinado momento la resina no tendrá espacio para retener más iones Ca++ y Mg++ y su efectividad será muy baja. Es por esto que se realiza la regeneración de la resina, de tal forma que los iones sodio sustituidos de nuevo en la resina y así realizar el proceso anterior nuevamente. Las ecuaciones mostradas para el proceso de ablandamiento suponen una ecuación de equilibrio, el cual se puede invertir aumentando la concentración de sodio en el lado derecho, esto se hizo con 50 ml de NaCl 3N y ocurriendo la regeneración: R2-Ca + 2 Na+ 

2 R-Na + Ca++

R2-Mg + 2 Na+ 

2 R-Na + Mg++

En el proceso de generación se logró recuperar de la resina 70,56 mg CaCO3 /L de dureza, como la dureza retenida en la resina fue de 94,08 mg CaCO 3/L, no se recuperó la dureza retenida en su totalidad, por lo tanto, se tendría que agregar mayor cantidad de NaCl para eliminar todos los iones calcio y magnesio que se mantienen retenidos en la resina, sin embargo, con la cantidad recuperada es suficiente como para hacer el proceso de ablandamiento nuevamente nuevamente y que este sea efectivo. Por otro lado, en la desmineralización se produce también intercambio de iones, sin embargo, en este caso no solo se limita a los iones que produce dureza sino todos los iones tanto cationes como aniones presentes en el agua y estos serán sustituidos por iones H+ en el caso de la resina catiónica o por OH - en el caso de la resina aniónica, obteniendo como resultado la desaparición de todas las impurezas ionizadas. La reacción re acción de intercambio del catión en una resina catiónica es: 2 R'H + Ca++  R'H + Na+ 

R2Ca + 2 H+  R'Na + H+

Luego de esta reacción, se obtuvo un agua de libre de dureza, y puede llevarse entonces a la resina aniónica donde ocurre la siguiente: R’’OH + Cl –  2 R’’OH + SO4= 

R’’Cl + OH –   –  R’’2SO4 + 2 OH – 

Como resultado, se obtiene un agua sin cloruros cl oruros y un pH básico de 9,40 y mayor al pH inicial. Posteriormente los iones H  y OH – se recomb recombinan inan instantáneamente insta ntáneamente y producen nuevas moléculas de agua: +

 

H+ + OH – 

HOH

H2O

En la desmineralización se hizo pasar el agua cruda por las resinas catiónica y aniónica y se cuantificaron los equivalentes de cationes y aniones retenidos como capacidad de intercambio en 1 gramo de resina. La resina catiónica presento una capacidad 0,0749 eq H* por gramo de resina, mientras que la resina aniónica tuvo una capacidad 0,0718 eq OH- por gramo de resina, siendo este un valor guía al momento de construir una columna de intercambio a nivel industrial, la cuales están compuestas por diferentes tipos de resinas; este valor nos permite cuantificar la cantidad de iones que esta resina en particular intercambiaría. Para el ablandamiento con cal y soda la dosis de cada uno se calcula con los datos de dureza cálcica, magnésica y temporal y CO2 en meq/L del agua a tratar, de estos valores dependerá la cantidad de cal y soda necesaria para el ablandamiento, para la práctica se cometió un error al calcular las dosis debido a que se tomaron en cuenta los valores en mg/L por lo tanto se agregó un exceso de cal y soda y los datos finales de dureza obtenidos son debido a este exceso, por lo que solo se logró remover el 65% de la misma. En este proceso las reacciones que ocurren son de precipitación, al agregar la cal los carbonatos que causan la dureza precipitan mediante las siguientes reacciones:

Y la dureza por los no carbonatos de calcio se precipitan con el carbonato de sodio (soda)

El ablandamiento del agua cruda se satura con carbonato de calcio lo que produce pH altos a este pH los iones calcio y magnesio que deben precipitar en forma de carbonatos e hidroxidos puede redilsolverse, para evitar esto se debe regresar el pH del agua a un pH neutro agregando acido o con la inyeccion de CO 2 de tal forma que se asegure la precipitacion de todo los iones que producen dureza, debido a que no se realizo esta neutralizacion y por el error de calculo al agregar tanta cantidad de cal y soda el pH era demasiado alto, por esta razon no se logro que el ablandamiento fuera completo.

 

Conclusión  



En la desmineralización la resina catiónica retuvo 0,0749 eq de H * por gramo. La resina aniónica fue capaz de retener 0,0718 eq de OH- por gramo.

 



Las resinas disminuyan su capacidad de intercambio y rendimiento a medida que es usada en el proceso de desmineralización.

 



Se determinó que la resina ciclo sodio removió un 78% de la dureza en el proceso de ablandamiento.

 



El proceso de regeneración de la resina fue efectivo, aunque no se logró la regeneración en su totalidad.

 



Se evaluó el ablandamiento con cal y soda arrojando un porcentaje de remoción de dureza de un 65%, debido a que no se neutralizo el pH.

 



Se logró bajar la dureza del agua con los métodos utilizados.

 

 

Bibliografía 

 

Morillo Ram Ram  rez, G. y Lebrato Mart Mart  nez, J. (2009). Tratamientos avanzados de aguas. ́ ́ Lima: Universidad Nacional de Ingieneria, pp.26-28.

 

Romero, A. (2006). Purificación del Agua. 2nd ed. Bogota: Escuela Colombiana de

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

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Disponible

http://www.monografias.com/traba http://www. monografias.com/trabajos51/intercambio-ionico/in jos51/intercambio-ionico/intercambiotercambioionico2.shtml.

en:

 

Anexos Muestra de cálculos 1. Estandarizaciones Estandarizaciones - EDTA

 =

0,0256   2  = 0,0 0,020 2048 48   0,025   100 /

 =

0,02048  5 = 0,0 0,019 197 7  5,2 

 =

0,02048  5 = 0,0 0,019 193 3  5,3 

0,0197 0,0 197  0,0193 0,0193 = 0,0 0,019 1966     = 2 - AgNO3

 =

- NaOH 

0,0160   1  = 0, 0,01 0109 09   0,025   58,5 /

 =

0,0109  5 = 0, 0,00 0096 96   5,7 

 =

0,02048  5 = 0,0 0,009 094 4  5,8 

0,0096 0,0 096  0,0094 0,0094  = = 0, 0,00 0095 95   2  =

0,1158   1  = 0, 0,02 0227 27   0,025   204,1 /

 =

0,0227  5 0,0227 = 0, 0,01 017 7  6,7 

 =

0,0227  5 0,0227 = 0,0 0,016 164 4  6,9 



0,0096 0,0 096  0,0094 0,0094 = 0, 0,01 0167 67   = 2

 

2. Dureza y cloruros de agua cruda - Dureza total inicial

3,1   0,0196 0,0196   50000 50000 = 12 121,5 1,522     /  25 

   =

   = 3   0,0196  5000 500000 = 11 117,6 7,600      /  25  ̅   = 121,52  117,60 = 119,5 119,566    /  2 - Cloruros iniciales

− =

0,8   0,0095  3550 355000 = 5, 5,39 3955  − / 50 

3. Ablandamiento por intercambio iónico - Dureza total final

   =

0,6   0,019 0,0196 6  5000 500000 = 23, 23,52 52   /  25 

   =

0,7   0,019 0,0196 6  5000 500000 = 27, 27,44 44   /  25 

23,52 52  27, 27,44 44 ̅   = 23, = 25,48 25,48    /  2 - Porcentaje de remoción Dureza

119, 11 9,56 56  25, 25, 48 % =  100 100 = 78, 78,68 68% %  119,56 - Dureza retenida

 = 119, 119,56 56  25,4 25,488 = 94 94,0 ,088    / - Regeneracion de la resina

 =

1,8   0,0196   5000 500000 = 76, 76,56 56  /  25 

 

4. Desmineralización - Resina catiónica Equivalentes de ácido iniciales

 1   1   1   + + 3    36,5    1     1   = 0, 0,00822 822   ⁄   Equivalentes de cationes en el efluente

1 1   + 3     = 7, 7,34 3410 10−   + ⁄     0,00255   0,002 1   1,0216   1 Equivalentes de Cationes retenidos

0,0822   +    7,34 7,3410 10−   +   = 0,0 0,074 7499  +   - Resina anionica Equivalentes de base iniciales

1   −  1   1   = 0, 0,07 0755  + ⁄      3    40   1   1   Equivalentes de aniones en el efluente

1 3   1  −   = 3, 3,19 191 100−     −⁄     0,0011   1   1,0344   1 Equivalentes de aniones retenidos −

−

−

−

0,075      3,19 3,1910 10      = 0,0 0,071 7188       5. Ablandamiento con cal y soda - Dureza total inicial (meq/L)

   =

3,1   0,0196  1000 1000 = 2, 2,43 4304 04     /  25 

   =

3   0,0196  1000 1000 = 2, 2,35 3522     /  25 

2,4304 04  2,3 2,352 52 ̅   = 2,43 = 2,3912 2,3912   /  2

 

- Dureza magnésica

   =

0,4   0,0196  1000 1000 = 0,3 0,313 1366     /  25 

- Dureza Cálcica

 =      = 2,39 2,3912 12  0,31 0,3136 36 = 2,0 2,077 7766    /  - Dureza permanente

   =

2,6   0,0196  1000 1000 = 2, 2,03 0384 84     /  25 

- Dureza Temporal

 =      = 2,39 2,3912 12  2,07 2,0776 76 = 0,3 0,313 1366   /  - CO2

 = 3,3 25  0,0167   1000 1000 = 2, 2,20 2044 44    /  - Dosis de cal

=     0,5 28 

 = 2,07 2,0776 76  0,31 0,3136 36  2,20 2,2044 44  0, 0,552 288 = 142, 142, 6768 6768     -Dosis de Soda =

(   0,5 0,5) ) 53 53   = 2,07 2,0776 76  0,5 0,55 533 = 13 136, 6, 6128 6128      

- Dureza total final

   = 1,1 25  0,0196  5000 500000 = 39 39,2 ,2      /      =

1,0   0,019 0,0196 6  5000 500000 = 43, 43,12 12   /  25  43,122 ̅   = 39,2  43,1 = 41,16 41,16    /  2

- Porcentaje de remoción Dureza

% =

119, 11 9,56 56  41,1 41,166  100 100 = 65 65,5 ,57% 7%  119,56