UNIVESIDAD NACIONAL DEINGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL QUÍMICA II INFORME DE LABORATORIO N°6 “ABLANDAMIENTO DE AGUA POR MEDIO DE RESINAS IÓNICAS” INTEGRANTES: Dominguez Villafana Christian Jorge Tinoco Tovar Alonso Chuquispuma Vilchez Sergio Chávez Tuesta Eloy Fabricio Jara Mogollón Richard Stalin Perales Martínez Alec DOCENTE: Ing. César Masgo Soto I. EXPERIMENTO 1: “ABLANDAMIENTO POR INTERCAMBIO IÓNICO” Objetivos Diagrama de flujo. Conclusión. Recomendaciones. Aplicaciones Cuestionario FUNDAMENTO TEÓRICO ABLANDAMIENTO DEL AGUA FUNDAMENTO TEÓRICO: LA DUREZA del agua es causada por ciertas sales. Los iones principalmente causantes de la dureza son los de calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+) y bicarbonato (HCO3-). Estos iones o minerales son los causantes de las formaciones sólidas que producen las obstrucciones en las tuberías y el equipo en los sistemas de agua potable y de agua de proceso. Las unidades ablandadoras ofrecen una solución de purificación del agua para la eliminación del agua dura y de la cal. La dureza del agua es importante en muchas aplicaciones, por ejemplo en la depuración del agua potable, en el agua de cervecerías y sodas, y también en agua de refrigeradores y calderas. La dureza se mide normalmente en dureza Alemana o Francesa o por la concentración equivalente de Ca2+. Los ablandadores son intercambiadores iónicos específicos diseñados para eliminar iones con múltiples cargas positivas. Las unidades ablandadoras de agua son automáticamente regeneradas con sal. (Para mantenimiento, reparación o preguntas acerca de partes de los ablandadores o test kits para comprobar la dureza de su agua). - La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles. Además le da un sabor indeseable al agua potable. - Grandes cantidades de dureza son indeseables por razones antes expuestas y debe ser removida antes de que el agua tenga uso apropiado para las industrias de bebidas, lavanderías, acabados metálicos, teñido y textiles. - La mayoría de los suministros de agua potable tienen un promedio de 250 mg/l de dureza. - Niveles superiores a 500 mg/l son indeseables para uso doméstico. - La dureza es caracterizada comúnmente por el contenido de calcio y magnesio y expresada como carbonato de calcio equivalente. Existen dos tipos de DUREZA: Dureza Temporal: Esta determinada por el contenido de carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. Puede ser eliminada por ebullición del agua y posterior eliminación de precipitados formados por filtración, también se le conoce como "Dureza de Carbonatos". Dureza Permanente: está determinada por todas las sales de calcio y magnesio excepto carbonatos y bicarbonatos. No puede ser eliminada por ebullición del agua y también se le conoce como "Dureza de No carbonatos". Interferencias En la tabla se encuentran la lista de la mayor parte de las sustancias que interfieren. Sí existen más de una sustancia interferentes, los límites dados en la tabla pueden variar. La turbidez se elimina por filtración. INTERFERENCIAS CON. MAX. SIN INTERFERIR Aluminio 20 ppm Cadmio * Cobalto 100 ppm Cobre 50 ppm Fierro(+3) 50 ppm Fierro (+2) 50 ppm Plomo * Manganeso 1ppm Níquel 100 ppm Zinc * Polifosfatos 10 ppm Si están presentes son titulados como dureza. EDTA El ácido etilendiaminotetracético (EDTA) es un titulante hexadentado complejométrico muy utilizado. Peso Molecular del EDTA: 292 g/mol Fórmula condensada: C10H16O8N2 – En agua potable El límite máximo permisible es de 300 mg/l de dureza. – En agua para calderas El límite es de 0 mg/l de dureza NEGRO DE ERICROMO T El negro de ericromo t, también conocido como net, es un indicador de iones metálicos, muy utilizado para titular diversos cationes comunes, comportándose como un ácido débil. Los complejos metálicos del net frecuentemente son rojos en un rango de pH entre 4 a 12, cuando está libre en solución en un rango de pH menor a 10 su color es rosado, a pH igual a 10 es de color azul. AGUA DURA Se denomina agua dura aquella que contiene un alto nivel de minerales, en particular sales de magnesio y calcio. El grado de dureza de un agua aumenta, cuanto más calcio y magnesio hay disuelto. En general el límite para denominar a un agua como dura una dureza superior a 120 mg CaCO3/L UTILIZACION En muchos procesos industriales el agua dura tiene un valor importante, tales como la preparación de agua potable, en cervecerías y en sodas, pero también para el agua de refrigeración y de alimentación de la caldera la dureza del agua es muy importante. PROBLEMAS Las aguas duras traen consigo una serie de inconvenientes, con incidencia fundamentalmente económica: mayor consumo de jabón, incrustaciones en cañerías y tanques de agua, aumento de costos en las industrias debido a la necesidad de efectuar tratamientos para ablandar el agua, etc. Son perjudiciales para la salud AGUA BLANDA Es aquella agua que posee un bajo nivel de minerales especialmente libre de los iones calcio y magnesio en general. VENTAJAS Muy utilizado por las industrias para el lavado de sus productos e instrumentos de producción (tanques, calderas, etc.) Se utiliza menor cantidad de detergente para lavar utensilios domésticos y ropa. Menor cantidad de minerales depositados en tuberías, calentadores de agua, etc. Hacer más eficientes los calentadores de agua, disminuyendo el consumo de gas o electricidad. Disminuyen las manchas de agua en los platos y vasos que se secan al aire y en el acabado de automóviles. Resulta más agradable tanto para la piel como para el cabello Protege a los aparatos y a las tuberías que atraviesa. Proporciona mayor comodidad personal y evita la calcificación de las instalaciones, sobre todo de aquellas destinadas al agua caliente. USOS PRINCIPALES DEL AGUA BLANDA Para prevenir la formación de sarro en calderas, calentadores de agua, planchas de vapor y máquinas de lavar platos, etc. Para pre-tratar el agua de alimentación para equipos de ósmosis inversa En resumen, el agua blanda se caracteriza por tener una concentración de cloruro de sodio ínfima y una baja cantidad de iones de calcio y magnesio. Curva de la disolución de CaCO3 (cal) en el agua, en función de la temperatura (T): cuanto más caliente está el agua, menos cal se disuelve y, por consiguiente, se agrava el proceso de calcificación. ABLANDAMIENTO DEL AGUA DURA Cuando el agua contiene una cantidad significante de calcio y magnesio, es llamada agua dura. El agua dura es conocida por taponar las tuberías y complicar la disolución de detergentes en agua. El ablandamiento del agua dura es una técnica utilizada para eliminar los iones que hacen que un agua sea dura, éstos específicamente están diseñados para eliminar aquellos que están cargados positivamente. Estos dispositivos eliminan mayormente a los iones de calcio y magnesio, es decir, a los minerales duros, convirtiendo el líquido en agua blanda. ¿Por qué se aplica el ablandador de agua? El ablandamiento del agua es un proceso importante porque la dureza del agua en las casas y en las compañías es disminuida durante este proceso. Cuando el agua es dura, puede atascar las tuberías y el jabón se disolverá menos fácilmente. El ablandamiento del agua puede prevenir estos efectos negativos. El agua dura causa un alto riesgo de depósitos de cal en los sistemas de agua de los usuarios. Debido a la deposición de la cal, las tuberías se bloquean y la eficiencia de las calderas y los tanques se reduce. Esto incrementa los costes de calentar el agua para uso doméstico sobre un 15 a un 20%. Otro efecto negativo de la precipitación de la cal es que tiene un efecto dañino en las maquinarias domésticas, como son las lavadoras. El ablandamiento del agua significa aumentan la vida media de las maquinarias domésticas, como son las lavadoras, y aumentar las vida de las tuberías, incluso contribuye a incrementar el trabajo, y una expansión en la vida de los sistemas de calefacción solar, aires acondicionados y muchas otras aplicaciones basadas en agua. ¿Qué hace un ablandador en el agua? Los ablandadores de agua son específicos intercambiadores de iones que son diseñados para eliminar iones, los cuales están cargados positivamente. Los ablandadores mayormente eliminan los iones de calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2). Calcio y magnesio son a menudo referidos como “minerales duros”. Los ablandadores son algunas veces incluso aplicados para eliminar hierro, cuando el hierro causa la dureza del agua. Los mecanismos de ablandamiento son capaces de eliminar más de cinco miligramos por litro (5 mg/l) de hierro disuelto. Los ablandadores pueden operar de forma automática, semiautomática, o manual. Cada tipo tiene un ratio de actuación. Un ablandador de agua colecta los minerales que causan la dureza y los contiene en un tanque colector y este es de vez en cuando limpiado de su contenido. Los Intercambiadores iónicos son a menudo usados para ablandar el agua. Cuando un intercambiador iónico es aplicado para ablandar el agua, este reemplazará los iones de calcio y magnesio por otros iones, por ejemplo sodio y potasio. Los intercambiadores iónicos son añadidos desde un tanque de intercambiadores de iones que contiene sales de sodio y potasio. (NaCl y KCl) ¿Cuánto tiempo dura un ablandador de agua? Un buen ablandador de agua durará muchos años. Los ablandadores que fueron provistos en los años 80 trabajan actualmente, y muchos necesitan poco mantenimiento, solamente requieren llenarlos con la sal de vez en cuando. SALES QUE ABLANDAN ¿Qué tipos de sales se venden para ser usada en los procesos de ablandamiento? Para ablandar el agua, tres tipos de sales se venden generalmente: sal de roca sal solar sal evaporada La sal de roca como mineral ocurre naturalmente en la tierra. Es obtenida de depósitos subterráneos por métodos tradiciones de minería. Contienen entre el noventa y ocho y noventa y nueve por ciento de cloruro de sodio. Tiene un nivel de insolubilidad en agua de cerca de 0,5-1,5% siendo principalmente sulfato cálcico. Su componente más importante es sulfato de calcio. La sal solar como producto natural se obtiene principalmente con la evaporación del agua de mar. Contiene cloruro de sodio al 85%. Tiene un nivel de insolubilidad en agua de menos de 0,03%. Se vende generalmente en forma cristalina. También se vende a veces en pelotillas. La sal evaporada se obtiene a través de procesos de minería de depósitos subterráneos que contienen la sal, esta sal se disuelve. La humedad se evapora, usando energía como es el gas natural o el carbón. La sal evaporada contiene cloruro de sodio entre un 99,6 y 99,99%. ¿Debemos utilizar la sal de roca, la sal evaporada o la sal solar en un ablandador de agua? La sal de roca contiene mucha materia que no es soluble en agua. Consecuentemente, los depósitos que ablandan tienen que ser limpiados mucho más regularmente, cuando se utiliza la sal de roca. La sal de roca es más barata que la sal evaporada y la sal solar, pero la limpieza del depósito puede tomar mucho tiempo y energía. La sal solar contiene un poco más de materia insoluble que la sal evaporada. Cuando uno toma la decisión sobre que sal usar, la consideración debe basarse en cuanta cantidad de sal es usada, con qué frecuencia el ablandador necesita ser limpiado, y el diseño de la unidad de ablandador. Si el uso de sal es bajo, otros productos pueden ser usados alternativamente. Si el uso de sal es alto, sales insolubles pueden ser rápidas cuando se usa sal solar. Adicionalmente, el reservorio necesitará mayor frecuencia de limpiado. En este caso la sal evaporada es recomendada. ¿Es dañino mezclar diversas clases de sal en un ablandador de agua? No es generalmente dañina, pero hay tipos de ablandadores que se diseñen para productos específicos para el ablandado del agua. Al usar productos alternativos, estos ablandadores no funcionarán bien. La sal evaporada que se mezcla con la sal de roca no se recomienda, pues ésta podría estorbar el depósito que ablandaba. Se recomienda que usted permita que su unidad este vacío de un tipo de sal antes de agregar otra para evitar la aparición de cualquier problema. ¿Con qué frecuencia debe uno agregar la sal al ablandador? La sal se agrega generalmente al depósito durante la regeneración del ablandador. Cuanto más a menudo el ablandador se regenera, más a menudo la sal necesita ser agregada. Los ablandadores de agua se comprueban generalmente una vez al mes. Para garantizar una producción satisfactoria de agua blanda, el nivel de sal se debe mantener por lo menos lleno hasta la mitad siempre. ¿Por qué a veces el agua no se ablanda cuando se la agrega la sal? Antes de que la sal comience a trabajar en un ablandador de agua, este necesita un pequeño rato de residencia dentro del depósito, desde que la sal se disuelve lentamente. Cuando uno comienza inmediatamente la regeneración después de agregar la sal al depósito, el ablandador de agua puede no trabajar según estándares. Cuando no ocurre el ablandado del agua puede también indicar el malfuncionamiento del producto ablandador, o un problema con la sal que es aplicada. ABLANDAMIENTO DEL AGUA POTABLE ¿Las compañías productoras de agua potable siempre producen agua blanda? Aunque las compañías productoras de agua tienen la oportunidad de producir agua blanda, ellos no siempre lo hacen así. Una compañía productora de agua solo tiene que añadir al agua un ablandador en su sistema de purificación, para producir agua blanda barata. Pero cuando los consumidores no pueden ser capaces de tener la elección tienen que beber agua no blanda. Los problemas del agua dura ocurren mayormente cuando el agua es calentada. Como resultado, el agua dura causa algunos problemas en los suministros de agua de las compañías, especialmente cuando solo el agua fría corre a través de las tuberías. ¿Es el agua ablandada segura de beber? El agua ablandada todavía contiene todos los minerales naturales que necesitamos. Se priva solamente de su contenido en calcio y en magnesio, el sodio es añadido en el proceso de ablandamiento. Eso es porqué en la mayoría de los casos, el agua ablandada es perfectamente segura de beber. Es recomendable que como agua ablandada contenga solamente hasta 300mg/L de sodio. En áreas con aguas de alta dureza y que es ablandada no debe de usarse para preparar la leche de los niños, debido al alto contenido en sodio que se produce por el proceso de ablandamiento llevado a cabo. ¿El ablandar el agua potable la privará de minerales esenciales? El ablandar no privará el agua de sus minerales esenciales. El ablandar priva solamente al agua potable de los minerales que hacen el agua ser dura, por ejemplo el calcio, magnesio e hierro. MANTENIMIENTO DE LOS ABLANDADORES ¿Cuándo necesita la resina de ablandamiento ser reemplazada? Cuando el agua no es suficientemente blanda, uno debería considerar primero los problemas de la sal que es usada, o malfuncionamiento de la maquinaría, o los componentes de ablandamiento. Cuando estos elementos no son la causa de la insatisfactoria ablandación del agua, quizás es tiempo de reemplazar la resina de ablandamiento, o incluso todo el sistema de ablandamiento. ¿Necesita el tanque de sal del ablandador ser limpiado? Usualmente no es necesario limpiar el tanque que contiene la sal, al menos que la sal producto sea usada en elevada materia orgánica, o que haya un serio malfuncionamiento de cualquier tipo. Si hay deposición de sal en la resina, el reservorio debería ser limpiado para prevenir el malfuncionamiento del ablandador. ¿Qué es 'mushing' y por qué debe evitarse? Cuando pelotitas de sal sueltamente o sal de tipo cúbica es usada en la resina, esto puede formar pequeños cristales de la sal evaporada, los cuales son similares a la sal de mesa. Estos cristales pueden unirse, creando una masa gruesa en el tanque de la sal. Este fenómeno, comúnmente es conocido como 'mushing', puede interrumpir la producción de la sal. La producción de la sal es un elemento importante para refresco de las gotas de resina en el agua blanda. Sin producción de sal, un sistema de ablandamiento de agua no es capaz de producir agua blanda. ABLANDAMIENTO EN USOS DOMÉSTICOS ¿Puede el agua ser ablandada a lo largo de su movimiento? Con sistemas de ablandamiento moderno, esto es muy posible que tenga lugar durante el movimiento. Técnicas de instalación envuelven rápidas conexiones, similar a estas, usadas en las lavadoras. Todo lo que hay que hacer es cerrar la entrada y la salida con válvulas del ablandamiento y mantener abierta la válvula del bypass, permitiendo al agua dura fluir hacia el tanque de almacenaje y los grifos de los usuarios. Después el ablandamiento puede ser desconectado, moviéndolo hacia su nueva localización y colocarlo allí. ¿Pueden los residuos del agua ablandada ser descargados directamente en el jardín? Como las sales alteran la presión osmótica que las plantas tienen para regular sus necesidades hídricas, la descarga directa de cloruro de sodio o potasio puede ser desaconsejable. ¿Es el agua blanda buena para las pieles secas? Hay casos en los que se ha comprobado, en caso de gente con condiciones de pieles seca tener beneficio del agua blanda, porque el agua blanda es buena para la piel y el pelo. RESINAS ABLANDADORAS Los suministros de agua natural contienen sales disueltas, las cuales se disocian en el agua para formar partículas con carga, conocidas como iones. Estos iones están presentes por lo general en concentraciones relativamente bajas, y permiten que el agua conduzca electricidad. Algunas veces se conocen como electrolitos. Estas impurezas iónicas pueden causar problemas en los sistemas de enfriamiento y calefacción, generación de vapor, y manufactura. Los iones comunes que se encuentran en la mayoría de las aguas incluyen los cationes de carga positiva; calcio y magnesio cationes que generan dureza, los cuales hacen que el agua sea “dura” y sodio. Los aniones de carga negativa incluyen alcalinidad, sulfato, cloruro, y silicio. Las resinas de intercambio iónico son particularmente adecuadas para la eliminación de estas impurezas por varias razones: las resinas poseen una alta capacidad para los iones que se encuentran en bajas concentraciones, las resinas son estables y se regeneran fácilmente, los efectos de la temperatura son en su mayoría insignificantes, y el proceso es excelente tanto para grandes como pequeñas instalaciones, por ejemplo, desde suavizadores de agua para el hogar hasta grandes instalaciones de servicios. TIPOS DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO RESINAS DE ÁCIDO FUERTE: Las resinas catiónicas fuertemente acídas derivan su funcionalidad de los grupos ácidos sulfónicos. Estos intercambiadores catiónicos de ácido fuerte funcionan a cualquier nivel de pH, dividen todas las sales, y requieren una cantidad sustancial de regenerante. Esta es la resina que se escoge para casi todas las aplicaciones de suavizado y como primera unidad en un desmineralizador de dos lechos, o como componente catiónico de un lecho mixto. RESINAS DE BASE FUERTE: Las resinas aniónicas de basicidad fuerte derivan su funcionalidad de los sitios de intercambio de amonio cuaternario. Los dos grupos principales de resinas aniónicas de base fuerte son las de Tipo 1 y Tipo 2, dependiendo del tipo de amina que se utiliza durante el proceso de activación química. Químicamente, los dos tipos difieren en el tipo de especie de sitios de intercambio de amonio cuaternario que exhiben: los sitios de Tipo 1 tienen tres grupos de metilo; en los de Tipo 2, un grupo de etanol reemplaza a uno de los grupos de metilo. REGENERACION DE RESINAS Regeneración de resinas de intercambio catiónico: cuando cualquiera de las resinas de intercambio catiónico débiles o fuertes ya no tienen iones hidrógeno para intercambiar, a estas resinas se les regenera haciendo pasar una solución de ácido (normalmente ácido sulfúrico), produciéndose las siguientes reacciones: R-Ca + H2SO4----- CaSO4 +R-2H (resina regenerada) R-Mg + H2SO4------MgSO4 +R-2H (resina regenerada) R-2Na+ H2SO4------Na2SO4 +R-2H (resina regenerada) R-2K + H2SO4----- K2SO4 +R-2H (resina regenerada) La regeneración se realiza normalmente en serie y la solución de ácido sulfúrico atraviesa sucesivamente la resina fuertemente ácida y la resina débilmente ácida. El exceso de ácido proveniente de la regeneración de la resina fuertemente ácida es suficiente para regenerar completamente la resina débilmente ácida. Regeneración de resinas de intercambio aniónico: una vez que las resinas de intercambio aniónico débilmente y fuertemente básicas no tienen más iones OH- que intercambiar con los aniones del agua, estas deben ser regeneradas. Su capacidad de intercambio les es devuelta haciendo pasar una solución de base fuerte (generalmente se emplea hidróxido de sodio), la cual atraviesa primero el intercambiador de las resinas aniónicas de base fuerte y luego el intercambiador de las resinas aniónicas de base débil. El exceso de soda proveniente de la regeneración de las resinas aniónicas de base fuerte es suficiente para regenerar completamente las resinas aniónicas de base débil. Se producirán las siguientes reacciones: R-2Cl +2NaOH-----R 2OH +2NaCl R-2NO3 +2NaOH-----R 2OH +2NaNO3 R-SO4 +2NaOH-----R 2OH +Na2SO4 R-CO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2CO3 R-SiO3 +2NaOH----- R 2OH +Na2SiO3 ABLANDAMIENTO DEL AGUA POR ZEOLITAS Este método sirve para eliminar dureza del agua y los constituyentes formadores de incrustaciones pero no reduce la cantidad total de sólidos disueltos, puesto que se forman carbonato y sulfato de sodio equivalentes a las sales productoras de dureza eliminadas. La palabra zeolita se aplica a un grupo de minerales que son esencialmente silicatos hidratados de aluminio, calcio, sodio, potasio o hierro. Las zeolitas que se utilizan para el ablandamiento de aguas son las de silicatos de aluminio y sodio, tanto naturales (natrolita y analcina) como sintéticas que tienen la propiedad de poder cambiar sus bases. Los iones aluminio y potasio sustituyen al ion silicio. El ion aluminio toma el lugar del ion silicio en el centro de un tetraedro del ion silicato y el ion potasio (que es monovalente) se coloca en algún lugar cercano en un orificio de la estructura cristalina. La natrolita, Na2 (Al2Si3O10)2.H2O, y las zeolitas sintéticas se caracterizan por tener una estructura porosa a través de la cual puede pasar la molécula de agua con relativa facilidad. La zeolita natural se obtiene a partir de la glauconita que es un silicato amorfo hidratado de fierro y potasio que casi siempre contiene calcio y magnesio. Las zeolitas naturales no son muy reactivas comúnmente pero son más estables que las sintéticas. Cuando el agua que contiene disueltas las sales de calcio o de magnesio pasa lentamente a través de un lecho de zeolita de sodio insoluble triturada, los iones de calcio y de magnesio en solución tienden a ser atraídos por el mineral, y los iones potasio o sodio se desprenden de la zeolita y se intercambian por el ion calcio o el ion magnesio. A este proceso se le conoce como intercambio iónico. De esta manera la zeolita de sodio se convierte, gradualmente, en una zeolita insoluble de calcio y magnesio, mientras que el agua contiene los iones sodio en cantidad equivalente a los iones de calcio y magnesio que han sido eliminados. Entre las resinas de intercambio iónico está la polimerización fenol-formaldehído en la que el ácido fenolsulfónico sustituye parte del fenol. El polímero resultante contiene grupos ácido sulfónico (SO3H-) a lo largo de la cadena y puede actuar como resina de intercambio iónico. Utilizándola junto con una resina que intercambie iones OH- por iones negativos tales como los cloruros, carbonatos y bromuros se pueden eliminar sales del agua. El intercambiador de iones H+ elimina a los iones como los de sodio, potasio, magnesio, calcio, fierro y libera iones hidrógeno en el agua, mientras que el otro elimina los iones como cloruros, sulfatos y carbonatos. Las resinas sintéticas del tipo fenol-formaldehído pueden absorber cationes de las soluciones acuosas diluidas y tener propiedades cambiadoras de hidróxidos. Las resinas más eficaces de este tipo se preparan condensando fenoles polihídricos, tales como el resorcinol, pirogalol, ácido tánico, ácido gálico con formaldehído. Su actividad se incrementa calentando el fenol con sulfato de sodio acuoso durante varias horas antes de la condensación. Las resinas sintéticas básicas preparadas a partir de la m-fenilendiamina y compuestos similares pueden absorber aniones como el ion cloruro después de activarlas por tratamiento con álcalis. Con el empleo consecutivo de estos dos tipos de resinas puede eliminarse del agua tanto los radicales alcalinos como los ácidos e incluso el agua de mar puede purificarse casi como si fuera agua destilada. La zeocarb es una sustancia de este tipo y se obtiene tratando carbón o lignito con ácido sulfúrico fumante, ácido clorosulfónico o anhídrido sulfúrico. Presenta propiedades como las de las zeolitas de intercambio normal de álcalis, y el ion hidrógeno de la resina puede intercambiarse por otros cationes, de tal manera que los sólidos totales se pueden eliminar del agua. La regeneración de estas sustancias y de las resinas sintéticas se completa por tratamiento con salmuera y ácido sulfúrico. La zeolita inactiva puede regenerarse lavando el lecho con una solución concentrada de cloruro de sodio. De esta manera la zeolita puede volverse a utilizar para eliminar los iones de calcio y magnesio. La zeolita puede utilizarse casi indefinidamente alternando el uso y la regeneración con la solución de cloruro de sodio y el lavado. Siempre hay que reponer una cierta cantidad de zeolita ya que se desintegra cierta cantidad, especialmente si se utiliza agua caliente o si se deja que la zeolita se agote demasiado antes de la regeneración. Se prepara cuidadosamente la columna de intercambio en la bureta bien limpia, introduciendo primero un pedazo de algodón, seguidamente de la Resina Catiónica (5ml) la cual es acomodada de tal modo que no sobren espacios entre el algodón y la resina. Agregamos agua de caño sobre la bureta y graduamos su llave de tal modo que el líquido fluya a razón de 2 gotas por segundo. En seguida analizamos parte del agua acumulada en el vaso colector, para ello le agregamos gotas de solución Buffer y gotas de Indicador negro de Ericromo, según las proporciones: Sol. Buffer Ind. Negro Ericromo Vol. agua blanda analizada 20 gotas 6 gotas 50 ml Finalmente analizamos los resultados, después de agregar el buffer y el negro de ericromo, según: AGUA BLANDA: Coloración Azul AGUA DURA : Coloración Roja OBJETIVOS Observar e interpretar el proceso de Ablandamiento del agua, mediante el tratamiento de resinas se intercambió iónico y el método EDTA. identificar experimentalmente las características del agua blanda y los iones que intervienen. Determinar la dureza total en la muestra de agua y expresarla en sus correspondientes unidades. Reconocer la importancia del titulante EDTA en las volumetrías por formación de complejos. Estudiar las variaciones en la dureza de las distintas muestras de agua, para así hallar conclusiones. DIAGRAMA DE FLUJOS PASO 1: Preparamos el equipo de titulación y transvasamos 5 ml de muestra de resina a la bureta. En seguida añadir agua del caño y colectar el efluente en un vaso de 250 ml Analizar cada 50 ml si el agua es blanda o no. Si tuviese dureza no continuar con la adición de agua dura. 1 Agua de Resina 5 ml caño Agua blanda EDTA 0.01 M 1 ml Sol. amortiguadora Indicador NET 25 ml H2O CONCLUSIONES MÉTODO DEL JABÓN: Se tomó 2 muestras en un de ellas se observó mayor formación de espuma , por lo tanto esa muestra es blanda Este método es muy sencillo para poder saber si el agua de un lugar es dura o blanda METODO DE EDTA: Este método nos sirve para determinar si el agua es dura o blanda Este método es más seguro que el anterior ya que es un método que requiere el método de titulación RECOMENDACIONES En este laboratorio tuvimos la oportunidad de apreciar el proceso de ablandamiento por medio de intercambiadores iónicos que consiste en pasar aguas duras a través de un lecho de resinas intercambiadores de cationes , donde los componentes de la dureza , los iones de calcio y magnesio son eliminados de la solución y sustituidos por sodio o hidrogeno para ello es necesario que la resina se encuentre en buen estado , si fue utilizada en una etapa anterior asegurarse que se haya regenerado agregando lo as sales necesarias y para optimizar el experimento esperar un tiempo para que las sales actúen , así lograremos un buen ablandamiento del agua APLICACIONES 1. Ablandamiento Se emplea una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida en forma sodio. Los iones que constituyen la dureza de agua, principalmente el calcio y el magnesio, se intercambian con el sodio de la resina. El agua ablandada sirve para varios usos: Lavanderías Calderas domésticas Calderas industriales de baja presión Industria textil Resinas recomendadas: AmberliteTM IR120 Na, AmberjetTM 1000 Na Amberlite SR1L Na para agua potable Calidad del agua tratada: Dureza residual < 0,02 meq/L (0,1 °f) con regeneración a contra-corriente Regeneración: salmuera (NaCl en solución de 10 %) 2. Descarbonatación En muchas regiones del mundo —por ejemplo en Europa central y meridional —las aguas naturales contienen bicarbonatos. Los iones de calcio y de magnesio asociados con estos se pueden elminar con resinas débilmente ácidas en forma hidrógeno. Este proceso se llama también eliminación de la dureza temporal. El agua tratada contiene gas carbónico que se puede eliminar con una torre de desgasificación. La salinidad del agua tratada es más baja que la del agua bruta. El agua descarbonatada sirve: para tratar el agua de producción de cerveza y otras bebidas para ablandar las aguas de abastecimiento en ciudades y pueblos en casa, para filtrar, ablandar y desmineralizar parcialmente el agua para hacer café o té como etapa inicial antes de una desmineralización completa para ciertos procesos industriales Resinas recomendadas: Amberlite IRC86 para aguas industriales Amberlite PWC13 para aguas de abastecimiento ImacTM HP333 y 335 para cartuchos domésticos Calidad del agua tratada: Alcalinidad residual = muy baja (fín de ciclo tradicional a 10% del TAC del agua bruta) Dureza residual = dureza permanente (TH – TAC) Regeneración: ácido (de preferencia HCl en solución de 5 %) CUESTIONARIO Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: 1. Evaporación: El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10 % al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los glaciares o la banquisa. 2. Condensación: El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en gotas minúsculas. 3. Precipitación: Se produce cuando las gotas de agua que forman las nubes se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia). 4. Infiltración: Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos, niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas, intersecan (es decir, cortan) la superficie del terreno. 5. Escorrentía: Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte de sedimentos. 6. Circulación subterránea: Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía superficial, de la que se puede considerar una versión. Se presenta en dos modalidades: Primero, la que se da en la zona vadosa, especialmente en rocas karstificadas, como son a menudo las calizas, y es una circulación siempre pendiente abajo. Segundo, la que ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad. 7. Fusión: Este cambio de estado se produce cuando la nieve pasa a estado líquido al producirse el deshielo. 8. Solidificación: Al disminuir la temperatura en el interior de una nube por debajo de 0 °C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitándose en forma de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el caso de la nieve se trata de una solidificación del agua de la nube que se presenta por lo general a baja altura. Al irse congelando la humedad y las pequeñas gotas de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimórficos (es decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el caso del granizo, es el ascenso rápido de las gotas de agua que forman una nube lo que da origen a la formación de hielo, el cual va formando el granizo y aumentando de tamaño con ese ascenso. La presencia de sales de magnesio y calcio en el agua depende fundamentalmente de las formaciones geológicas atravesadas por el agua de forma previa a su captación. Las aguas subterráneas que atraviesan acuíferos carbonatados (calizas) son las que presentan mayor dureza y dichos acuíferos están formados por carbonatos de calcio y magnesio. Las aguas subterráneas procedentes de acuíferos con composición eminentemente silicatada (p.e. granitos) dan lugar a un agua blanda, es decir, con cantidades muy bajas de sales de calcio y magnesio. Dureza del agua como resultado de la presencia de sales de calcio y magnesio en disolución, que no sean carbonatos. Es la porción de la dureza total que no se elimina por ebullición del agua, compuesta como se ha dicho principalmente por los iones sulfato y cloruro. La dureza temporal se produce a partir de la disolución de carbonatos en forma de hidrógeno carbonatos (bicarbonatos) y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adición del hidróxido de calcio (Ca (OH)2). El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría,3 así que hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolución y precipitación es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas. Alcalinidad M: se tomo una muestra de 5 ml y se agrego dos gotas del indicador M (el indicador utilizado no era el anaranjado de metilo), presentó una coloración azul, luego se agrego la solución titulante 3.2 mmoles hasta que cambio de color a rojo. Alcalinidad P: se tomo una muestra de 5 ml y se agrego dos gotas del indicador P (fenolftaleína), no presentó cambio de color, por lo que la alcalinidad P es cero. Una incrustación es la acción y el efecto de cubrirse una roca, un animal o un vegetal con una costra de sustancia mineral abandonada por el agua que la contiene en disolución. Las incrustaciones más frecuentes son las de naturaleza calcárea. Una vez saturada de gas carbónico, el agua puede disolver una cantidad de carbonato de calcio equivalente a 0,000.9 de su masa. Esa sal se convierte en carbonato que, en razón de su inestabilidad química, se disocia: el gas carbónico se desprende y el carbonato de calcio queda depositado en las superficies sobre las cuales discurre el agua. Así, los objetos mojados acaban por desaparecer bajo una costra calcárea cada vez más líquida. Aguas blandas: con dureza menor a 50ppm Aguas medianamente blandas: con dureza entre 50 y 150 ppm Aguas duras: con dureza entre 150 y 300 ppm Aguas muy duras: con dureza superiores a 300 ppm. Son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo. Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante. En los copolímeros de estireno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinilbenceno y el contenido de este último está directamente relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con su porosidad. El agua dura es fácilmente reconocible, ya que no producen espuma en los jabones, formando incluso un residuo gris con el uso del jabón, que en muchas ocasiones puede llegar a alterar los colores de ropas, calderos, grifos, y a la hora de beber, también puede detectarse un cierto sabor desagradable. El problema de estas aguas radica entre otras cosas, en el mayor gasto de jabón en la limpieza. Su estudio, así como su modo de eliminación, es importante, no solamente para poder lavarnos y limpiar mejor y más económicamente, sino también para evitar incrustaciones y por lo tanto deterioro de aparatos domésticos e industriales, como puedan ser lavadoras, lavavajillas, cafeteras, o cualquier maquinaria que utilice agua para su funcionamiento. Ecuaciones: NaOH + H2O <------> Na+ + OH- + H2O Na+ + OH- + H2O + CO2 ------> H2CO3 + Na+ + OH- H2CO3 + Na+ + OH- ----> Na2CO3 + 2H+ + OH- ------> Na2CO3 + 2H2O