Intercambio iónico

El intercambio iónico es un intercambio reversible de una especie de ion presente en un sólido insoluble con otra de carga similar presente en una solución que rodea al sólido. El intercambio iónico se utiliza para ablandar o desmineralizar el agua, purificar productos químicos y separar sustancias.

El intercambio iónico suele describir un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando resinas de intercambio iónico poliméricas sólidas . Más precisamente, el término abarca una gran variedad de procesos en los que se intercambian iones entre dos electrolitos . ^[1] Además de su uso para purificar el agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de una variedad de productos químicos importantes a nivel industrial y medicinal. Aunque el término generalmente se refiere a aplicaciones de resinas sintéticas (fabricadas por el hombre), puede incluir muchos otros materiales como el suelo.

Los intercambiadores de iones típicos son resinas de intercambio iónico ( polímeros porosos o en gel funcionalizados), zeolitas , montmorillonita , arcilla y humus del suelo . Los intercambiadores de iones son intercambiadores de cationes , que intercambian iones con carga positiva ( cationes ), o intercambiadores de aniones , que intercambian iones con carga negativa ( aniones ). También hay intercambiadores anfóteros que pueden intercambiar cationes y aniones simultáneamente. Sin embargo, el intercambio simultáneo de cationes y aniones a menudo se realiza en lechos mixtos , que contienen una mezcla de resinas de intercambio aniónico y catiónico, o pasando la solución a través de varios materiales de intercambio iónico diferentes.

Los intercambiadores de iones pueden tener preferencias de unión para ciertos iones o clases de iones, dependiendo de las propiedades físicas y la estructura química tanto del intercambiador de iones como del ion. Esto puede depender del tamaño, la carga o la estructura de los iones. Algunos ejemplos comunes de iones que pueden unirse a los intercambiadores de iones son:

• H ⁺ ( protón ) y OH ⁻ ( hidróxido ).
• Iones monoatómicos (es decir, monovalentes) con carga simple como Na ⁺ , K ⁺ y Cl ⁻ .
• Iones monoatómicos doblemente cargados (es decir, divalentes) como Ca ²⁺ y Mg ²⁺ .
• Iones inorgánicos poliatómicos como SO²⁻
  ₄y PO³⁻
  ₄.
• Bases orgánicas , generalmente moléculas que contienen el grupo funcional amina −NR ₂ H ⁺ .
• Ácidos orgánicos , a menudo moléculas que contienen grupos funcionales −COO ⁻ ( ácido carboxílico ).
• Biomoléculas que pueden ionizarse: aminoácidos , péptidos , proteínas , etc.

Junto con la absorción y la adsorción , el intercambio iónico es una forma de sorción .

El intercambio iónico es un proceso reversible y el intercambiador de iones puede regenerarse o cargarse con iones deseables lavándolo con un exceso de estos iones.

1. CM (Grupo carboximetilo, intercambio catiónico débil)
2. SP (grupo sulfopropilo, intercambio catiónico fuerte)

• DEAE-Sepharosa
• QFF

Las resinas de intercambio iónico son el medio físico que facilita las reacciones de intercambio iónico. La resina está compuesta por polímeros orgánicos reticulados, típicamente una matriz de poliestireno y grupos funcionales donde se lleva a cabo el proceso de intercambio iónico.

• Resinas de cationes fuertemente ácidos (SAC): Compuestas por una matriz de poliestireno con un grupo funcional sulfonato (SO ₃ ^- ). Utilizadas en procesos de ablandamiento o desmineralización.
• Resinas de cationes ácidos débiles (WAC): Compuestas por un polímero acrílico y grupos funcionales de ácido carboxílico. Se utilizan para eliminar selectivamente los cationes asociados a la alcalinidad.

• Resinas de aniones de base fuerte (SBA):
  • Resinas SBA tipo 1: Mayor afinidad por los ácidos débiles y comúnmente presentes durante un proceso de desmineralización de agua.
  • Resinas SBA tipo 3: menor estabilidad química que las de tipo 1 pero mejor eficiencia de regeneración.
• Resinas de aniones de base débil (WBA): actúan como absorbentes de ácido; capaces de absorber ácidos fuertes con gran capacidad y se regeneran fácilmente con cáustico.

Se utiliza para intercambiar metales pesados ​​de soluciones de metales alcalinotérreos y alcalinos.

Se utiliza para la eliminación de compuestos orgánicos.

El intercambio iónico se utiliza ampliamente en la industria de alimentos y bebidas, hidrometalurgia, acabado de metales, tecnología química, petroquímica y farmacéutica, producción de azúcar y edulcorantes, tratamiento de agua potable y subterránea, nuclear, ablandamiento, tratamiento de agua industrial, semiconductores, energía y muchas otras industrias. ^{[ cita requerida ]}

Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para la ingeniería energética , la industria electrónica y nuclear; es decir, los intercambiadores de iones insolubles poliméricos o inorgánicos se utilizan ampliamente para ablandar el agua , purificarla , ^{[2] [3]} descontaminarla , etc.

El intercambio iónico es un método ampliamente utilizado en filtros domésticos para producir agua blanda para el beneficio de detergentes para ropa, jabones y calentadores de agua. Esto se logra intercambiando cationes divalentes (como calcio Ca ²⁺ y magnesio Mg ²⁺ ) con cationes monovalentes altamente solubles (por ejemplo, Na ⁺ o H ⁺ ) (ver ablandamiento de agua ). Otra aplicación para el intercambio iónico en el tratamiento de agua doméstica es la eliminación de nitrato y materia orgánica natural . En los sistemas de filtración domésticos, el intercambio iónico es una de las alternativas para el ablandamiento de agua en los hogares junto con las membranas de ósmosis inversa (OI). En comparación con las membranas de OI, el intercambio iónico requiere una regeneración repetitiva cuando el agua de entrada es dura (tiene un alto contenido mineral). ^{[ cita requerida ]}

La cromatografía de intercambio iónico industrial y analítica es otro campo que se debe mencionar. La cromatografía de intercambio iónico es un método cromatográfico que se utiliza ampliamente para el análisis químico y la separación de iones. Por ejemplo, en bioquímica se utiliza ampliamente para separar moléculas cargadas como las proteínas . Un área importante de la aplicación es la extracción y purificación de sustancias producidas biológicamente como las proteínas ( aminoácidos ) y el ADN / ARN .

Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales , incluida la separación del uranio del plutonio y otros actínidos , como el torio , el neptunio y el americio . Este proceso también se utiliza para separar los lantánidos , como el lantano , el cerio , el neodimio , el praseodimio , el europio y el iterbio , entre sí. La separación del neodimio y el praseodimio fue particularmente difícil, y antes se pensaba que eran solo un elemento, el didimio , pero este es una aleación de los dos. ^{[ cita requerida ]}

Existen dos series de tierras raras , los lantánidos y los actínidos, cuyas propiedades químicas y físicas son muy similares. Los procesos de intercambio iónico, que utilizaban métodos desarrollados por Frank Spedding en la década de 1940, eran la única forma práctica de separarlos en grandes cantidades, hasta que se desarrollaron las técnicas de "extracción con disolventes", que pueden ampliarse enormemente.

Un caso muy importante de intercambio iónico es el proceso de extracción de plutonio-uranio ( PUREX ), que se utiliza para separar el plutonio (principalmente²³⁹
Pu ) y el uranio (en ese caso conocido como uranio reprocesado ) contenido en el combustible gastado de americio , curio , neptunio (los actínidos menores ) y los productos de fisión que provienen de los reactores nucleares . De este modo, los productos de desecho pueden separarse para su eliminación. A continuación, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como nuevo combustible para reactores ( combustible MOX ) y armas nucleares (basadas en plutonio). Históricamente, algunos productos de fisión como el estroncio-90 o el cesio-137 también se separaban para su uso como radionucleidos empleados en la industria o la medicina.

El proceso de intercambio iónico también se utiliza para separar otros conjuntos de elementos químicos muy similares, como el circonio y el hafnio , que también son muy importantes para la industria nuclear. Físicamente, el circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, que se utilizan en la construcción de reactores nucleares, pero el hafnio es un absorbente muy fuerte de neutrones, que se utiliza en las barras de control de los reactores . Por lo tanto, el intercambio iónico se utiliza en el reprocesamiento nuclear y el tratamiento de residuos radiactivos .

Las resinas de intercambio iónico en forma de membranas delgadas también se utilizan en el proceso cloro-álcali , en pilas de combustible y en baterías redox de vanadio .

El intercambio iónico también se puede utilizar para eliminar la dureza del agua intercambiando iones de calcio y magnesio por iones de sodio en una columna de intercambio iónico. Se ha demostrado la desalinización por intercambio iónico en fase líquida (acuosa). ^[5] En esta técnica, los aniones y cationes en agua salada se intercambian por aniones de carbonato y cationes de calcio respectivamente mediante electroforesis . Los iones de calcio y carbonato luego reaccionan para formar carbonato de calcio , que luego precipita, dejando atrás agua dulce. La desalinización se produce a temperatura y presión ambiente y no requiere membranas o intercambiadores de iones sólidos. La eficiencia energética teórica de este método está a la par con la electrodiálisis y la ósmosis inversa .

• En la ciencia del suelo , la capacidad de intercambio catiónico es la capacidad del suelo para intercambiar iones con carga positiva. Los suelos pueden considerarse intercambiadores de cationes débiles naturales.
• En la remediación de la contaminación y la ingeniería geotécnica , la capacidad de intercambio iónico determina la capacidad de hinchamiento de la arcilla expansiva o hinchable, como la montmorillonita , que puede utilizarse para "capturar" contaminantes e iones cargados.
• En la fabricación de guías de ondas planas , se utiliza el intercambio de iones para crear la capa guía con un índice de refracción más alto .
• Desalcalinización , eliminación de iones alcalinos de una superficie de vidrio .
• Vidrio reforzado químicamente , producido mediante el intercambio de K ⁺ por Na ⁺ en superficies de vidrio sódico utilizando _KNO3 fundido.

• Eliminación selectiva: Las resinas de intercambio iónico pueden diseñarse para eliminar selectivamente iones específicos del agua.
• Alta eficiencia: Los procesos de intercambio iónico pueden lograr altas eficiencias de eliminación de iones específicos.
• Regenerabilidad: Las resinas de intercambio iónico se pueden regenerar varias veces lavándolas con una solución regeneradora, lo que extiende su vida útil y reduce los costos operativos.
• Versatilidad: El intercambio iónico se puede aplicar a diversas aplicaciones de tratamiento de agua.
• Rendimiento constante: Los sistemas de intercambio iónico ofrecen un rendimiento constante y predecible, proporcionando un tratamiento de agua confiable a lo largo del tiempo.
• Escalabilidad: Los sistemas de intercambio iónico se pueden ampliar o reducir fácilmente para satisfacer diferentes capacidades y requisitos de tratamiento.

• Limitaciones de eliminación: si los iones objetivo están presentes en mezclas complejas o en concentraciones bajas, puede ser necesario un pretratamiento o postratamiento adicional.
• Requisitos de regeneración: La regeneración de resinas de intercambio iónico requiere el uso de productos químicos y genera aguas residuales que contienen contaminantes concentrados, que pueden requerir medidas de manipulación y eliminación adecuadas.
• Capacidad limitada: Las resinas de intercambio iónico tienen capacidades finitas para adsorber iones y, una vez saturadas, deben regenerarse o reemplazarse, lo que puede limitar su eficacia en el tratamiento de corrientes de alta concentración o gran volumen.
• Complejidad: Los sistemas de intercambio iónico pueden ser complejos de diseñar, operar y mantener, y requieren conocimientos y experiencia especializados.

La mayoría de los sistemas de intercambio iónico utilizan columnas de resina de intercambio iónico que funcionan de forma cíclica.

Durante el proceso de filtración, el agua fluye a través de la columna de resina hasta que se considera que la resina está agotada. Esto sucede solamente cuando el agua que sale de la columna contiene más que la concentración máxima deseada de los iones que se están eliminando. Luego, la resina se regenera mediante un retrolavado secuencial del lecho de resina para eliminar los sólidos suspendidos acumulados, limpiando los iones eliminados de la resina con una solución concentrada de iones de reemplazo y enjuagando la solución de lavado de la resina. La producción de aguas residuales de retrolavado, lavado y enjuague durante la regeneración de los medios de intercambio iónico limita la utilidad del intercambio iónico para el tratamiento de aguas residuales . ^[6]

Los ablandadores de agua se regeneran generalmente con salmuera que contiene un 10% de cloruro de sodio . ^[7] Además de las sales de cloruro solubles de cationes divalentes eliminadas del agua ablandada, las aguas residuales de regeneración del ablandador contienen el 50-70% no utilizado de la salmuera de lavado de regeneración de cloruro de sodio necesaria para revertir los equilibrios de la resina de intercambio iónico. La regeneración de resina desionizante con ácido sulfúrico e hidróxido de sodio tiene una eficiencia de aproximadamente un 20-40%. Las aguas residuales de regeneración del desionizador neutralizado contienen todos los iones eliminados más 2,5-5 veces su concentración equivalente como sulfato de sodio . ^[8]

• Membrana de intercambio de aniones alcalinos
• Ion
• Cromatografía iónica
• Membranas de intercambio iónico
• Resina de intercambio iónico
• Desalinización
• Ósmosis inversa

• Laboratorios Betz (1976). Manual de acondicionamiento de agua industrial (7.ª ed.). Laboratorios Betz.
• Intercambiadores de iones (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlín, 1991.
• CE Harland, Intercambio iónico: teoría y práctica, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
• Friedrich G. Helfferich (1962). Intercambio iónico. Publicaciones Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
• Kemmer, Frank N. (1979). Manual del agua de NALCO . McGraw-Hill.
• Intercambio iónico (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, Nueva York, 2000.
• AA Zagorodni, Materiales de intercambio iónico: propiedades y aplicaciones, Elsevier, Ámsterdam, 2006.
• SenGupta, Arup K. (2017). Intercambio iónico en procesos ambientales: fundamentos, aplicaciones y tecnología sustentable. Hoboken, NJ. ISBN 978-1-119-42125-2.OCLC 1001290476  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
• Dr., I., y Luqman, M. (2012). Tecnología de intercambio iónico I: teoría y materiales. Springer Países Bajos.
• Harland, CE (1994). Intercambio iónico: teoría y práctica (2.ª ed.) . The Royal Society of Chemistry.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Intercambio iónico .

• Práctica de laboratorio de química ilustrada y bien definida sobre intercambio iónico del Dartmouth College
• Algunas aplicaciones que ilustran procesos de intercambio iónico
• Una explicación sencilla de la desionización
• Intercambio iónico, BioMineWiki Archivado el 11 de agosto de 2020 en Wayback Machine