Resina de intercambio iónico

Una resina de intercambio iónico o polímero de intercambio iónico es una resina o polímero que actúa como medio para el intercambio iónico , que también se conoce como ionex . ^[1] Es una matriz insoluble (o estructura de soporte) normalmente en forma de pequeñas microesferas (de radio de 0,25 a 1,43 mm) , generalmente blancas o amarillentas, fabricadas a partir de un sustrato de polímero orgánico . Las perlas son típicamente porosas (con una distribución de tamaño específica que afectará sus propiedades), lo que proporciona una gran área de superficie sobre y dentro de ellas donde se produce la captura de iones junto con la liberación acompañante de otros iones, y por lo tanto el proceso se llama intercambio iónico. Hay varios tipos de resina de intercambio iónico, que difieren en composición si el objetivo es un anión o un catión. La mayoría de las resinas comerciales están hechas de sulfonato de poliestireno , ^[2] seguido de poliacrilato . ^[3]

Las resinas de intercambio iónico se utilizan ampliamente en diferentes procesos de separación , purificación y descontaminación. Los ejemplos más comunes son el ablandamiento y la purificación del agua . En muchos casos, las resinas de intercambio iónico se introdujeron en dichos procesos como una alternativa más flexible al uso de zeolitas naturales o artificiales . Además, las resinas de intercambio iónico son muy eficaces en el proceso de filtración de biodiésel.

La mayoría de las resinas de intercambio iónico más habituales se basan en poliestireno reticulado . Los sitios de intercambio iónico reales se introducen después de la polimerización. Además, en el caso del poliestireno, la reticulación se introduce mediante la copolimerización de estireno y un pequeño porcentaje de divinilbenceno . La reticulación disminuye la capacidad de intercambio iónico de la resina y prolonga el tiempo necesario para llevar a cabo los procesos de intercambio iónico, pero mejora la robustez de la resina. El tamaño de las partículas también influye en los parámetros de la resina; las partículas más pequeñas tienen una superficie exterior más grande, pero causan una mayor pérdida de carga en los procesos de la columna. ^[4]

Además de fabricarse como materiales con forma de perlas, las resinas de intercambio iónico también se producen como membranas. Estas membranas de intercambio iónico , que están hechas de resinas de intercambio iónico altamente reticuladas que permiten el paso de iones, pero no de agua, se utilizan para la electrodiálisis .

Existen cuatro tipos principales de resinas de intercambio iónico que se diferencian en sus grupos funcionales :

• catión fuertemente ácido (SAC), que generalmente presenta grupos de ácido sulfónico , por ejemplo , poliestireno sulfonato de sodio o poliAMPS , a menudo utilizado para operaciones de ablandamiento y desmineralización del agua.
• anión fuertemente básico (SBA), que generalmente presenta grupos amino cuaternarios, por ejemplo, grupos trimetilamonio , p. ej. poliAPTAC ), bueno para la eliminación de sílice, uranio y nitratos.
• Catión débilmente ácido (WAC), que generalmente presenta grupos de ácido carboxílico . Una opción ideal para la parte de desalcalinización y también para ablandar corrientes con altos niveles de salinidad.
• Anión débilmente básico (WBA), que generalmente presenta grupos amino primarios, secundarios y/o terciarios, p. ej. , polietilenamina . Son eficaces para la desmineralización donde no se requiere la eliminación de SiO2 y CO2. También son eficaces para la absorción de ácidos.

También se conocen resinas de intercambio iónico especializadas, como resinas quelantes ( ácido iminodiacético , resinas a base de tiourea y muchas otras).

Las resinas aniónicas y las resinas catiónicas son las dos resinas más comunes que se utilizan en el proceso de intercambio iónico. Mientras que las resinas aniónicas atraen iones con carga negativa, las resinas catiónicas atraen iones con carga positiva.

Fórmula: R-OH básico

Las resinas aniónicas pueden ser fuertemente o débilmente básicas. Las resinas aniónicas fuertemente básicas mantienen su carga negativa en un amplio rango de pH, mientras que las resinas aniónicas débilmente básicas se neutralizan a niveles de pH más altos. ^[5] Las resinas débilmente básicas no mantienen su carga a un pH alto porque sufren desprotonación. ^[5] Sin embargo, ofrecen una excelente estabilidad mecánica y química. Esto, combinado con una alta tasa de intercambio iónico, hace que las resinas aniónicas débilmente básicas sean adecuadas para las sales orgánicas.

En el caso de las resinas aniónicas, la regeneración suele implicar el tratamiento de la resina con una solución fuertemente básica, por ejemplo, hidróxido de sodio acuoso. Durante la regeneración, el producto químico regenerante pasa a través de la resina y se eliminan los iones negativos atrapados, lo que renueva la capacidad de intercambio de la resina.

Fórmula: R−H ácido

El método de intercambio catiónico elimina la dureza del agua pero induce acidez en ella, que se elimina aún más en la siguiente etapa del tratamiento del agua al pasar esta agua ácida a través de un proceso de intercambio aniónico . ^[6]

Reacción:

^{La ecuación} (1) es la ^siguiente :

De manera similar a las resinas aniónicas, en las resinas catiónicas la regeneración implica el uso de una solución fuertemente ácida, por ejemplo, ácido clorhídrico acuoso. Durante la regeneración, el químico regenerante pasa a través de la resina y elimina los iones positivos atrapados, renovando la capacidad de intercambio de la resina.

Fórmula: –NR ₄ ⁺ OH ⁻

A menudo se trata de resinas de copolímero de estireno - divinilbenceno que tienen cationes de amonio cuaternario como parte integral de la matriz de resina. ^[6]

Reacción:

–NR4 ⁺ OH− ⁺ HCl ⁼ _–NR4 ⁺ Cl− + _H2O ._​

La cromatografía de intercambio aniónico utiliza este principio para extraer y purificar materiales de mezclas o soluciones .

Las resinas de intercambio iónico a menudo se describen de acuerdo con algunas de las siguientes características. ^[7]

• Capacidad : Representa la cantidad de iones que se pueden intercambiar/almacenar por unidad de masa de la resina. Normalmente se expresa en miligramos de iones por gramo de resina (mg/g).
• Hinchamiento : En contacto con el disolvente, las resinas pueden hincharse (aumentar su volumen). El comportamiento de hinchamiento de una resina está influenciado por su composición química, la estructura del polímero y la reticulación. Las resinas con un mayor grado de reticulación tienden a mostrar menores tendencias de hinchamiento en comparación con aquellas con menor reticulación. El hinchamiento se expresa típicamente como el porcentaje de aumento en el volumen o peso de la resina cuando se expone a un disolvente específico.
• Selectividad : se refiere a la preferencia o capacidad de la resina para adsorber o intercambiar selectivamente ciertos iones sobre otros. Es una propiedad fundamental que determina la eficacia de la resina para separar o eliminar iones específicos de una solución.
• Estabilidad : La integridad de la resina se puede describir en términos de resiliencia mecánica y química de las perlas.

El medio poroso de las partículas de resina es uno de los parámetros más importantes para la eficiencia del producto. Estos poros cumplen diferentes funciones según su tamaño y son la característica principal responsable de la transferencia de masa entre fases, haciendo posible todo el proceso de intercambio iónico. Existen tres tipos principales de tamaños de poro: ^[7]

• Microporo : Con un ancho de ranura menor a 2 nm, se encuentran generalmente al final de poros de mayor tamaño y su característica principal es tener potenciales de pared superpuestos, es decir, las partículas en su interior se sienten atraídas hacia sus paredes sólidas por lo que entran en contacto con los sitios activos.
• Mesoporo : Con un ancho de hendidura entre 2 y 50 nm, estos poros de tamaño medio tienen como objetivo principal retener la condensación capilar y generalmente se encuentran antes de los microporos.
• Macroporo : Con un ancho de ranura mayor a 50 nm, estos son los poros de mayor tamaño con el propósito principal de ser la vía principal para que las moléculas ingresen a la partícula y luego se redistribuyan a través de los otros canales más pequeños.

En esta aplicación, las resinas de intercambio iónico se utilizan para reemplazar los iones de magnesio y calcio presentes en el agua dura por iones de sodio . Cuando la resina está fresca, contiene iones de sodio en sus sitios activos. Cuando entra en contacto con una solución que contiene iones de magnesio y calcio (pero una baja concentración de iones de sodio), los iones de magnesio y calcio migran preferentemente fuera de la solución hacia los sitios activos de la resina, siendo reemplazados en la solución por iones de sodio. Este proceso alcanza el equilibrio con una concentración mucho menor de iones de magnesio y calcio en la solución de la que se tenía al principio.

La resina se puede recargar lavándola con una solución que contenga una alta concentración de iones de sodio (por ejemplo, si tiene grandes cantidades de sal común (NaCl) disuelta en ella). Los iones de calcio y magnesio migran desde la resina y son reemplazados por iones de sodio de la solución hasta que se alcanza un nuevo equilibrio. La sal se utiliza para recargar una resina de intercambio iónico, que a su vez se utiliza para ablandar el agua.

En esta aplicación, se utilizan resinas de intercambio iónico para eliminar iones metálicos venenosos (por ejemplo, cobre ) y peligrosos (por ejemplo, plomo o cadmio ) de la solución, reemplazándolos con iones más inocuos, como sodio y potasio ; en el proceso, se utilizan resinas de intercambio de cationes y aniones para eliminar iones disueltos del agua.

Pocas resinas de intercambio iónico eliminan el cloro o los contaminantes orgánicos del agua; esto se hace generalmente utilizando un filtro de carbón activado mezclado con la resina. Hay algunas resinas de intercambio iónico que eliminan los iones orgánicos, como las resinas MIEX (de intercambio iónico magnético). La resina de purificación de agua doméstica no suele recargarse; la resina se desecha cuando ya no se puede utilizar.

El agua de máxima pureza es necesaria para la electrónica, los experimentos científicos, la producción de superconductores y la industria nuclear, entre otros. Esta agua se produce mediante procesos de intercambio iónico o combinaciones de métodos de membrana e intercambio iónico.

Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales , incluida la separación de uranio del plutonio y otros actínidos , incluido el torio ; y lantano , neodimio , iterbio , samario y lutecio , entre sí y de los otros lantánidos . Hay dos series de metales de tierras raras , los lantánidos y los actínidos. Los miembros de cada familia tienen propiedades químicas y físicas muy similares. El intercambio iónico fue durante muchos años la única forma práctica de separar las tierras raras en grandes cantidades. Esta aplicación fue desarrollada en la década de 1940 por Frank Spedding . Posteriormente, la extracción con disolventes ha suplantado en su mayoría el uso de resinas de intercambio iónico, excepto para los productos de mayor pureza.

Un caso muy importante es el proceso PUREX (proceso de extracción de plutonio-uranio), que se utiliza para separar el plutonio y el uranio de los productos de combustible gastado de un reactor nuclear y poder eliminar los productos de desecho. De esta forma, el plutonio y el uranio quedan disponibles para fabricar materiales para la energía nuclear, como combustible para nuevos reactores y armas nucleares .

Las perlas de intercambio iónico también son un componente esencial en la extracción de uranio por lixiviación in situ . La recuperación in situ implica la extracción de agua que contiene uranio (con una graduación de hasta 0,05 % de U ₃ O ₈ ) a través de pozos. La solución de uranio extraída se filtra a continuación a través de las perlas de resina. A través de un proceso de intercambio iónico, las perlas de resina atraen el uranio de la solución. Las resinas cargadas con uranio se transportan a continuación a una planta de procesamiento, donde se separa el U ₃ O ₈ de las perlas de resina y se produce el uranio concentrado . Las perlas de resina pueden devolverse a la instalación de intercambio iónico, donde se reutilizan.

El proceso de intercambio iónico también se utiliza para separar otros conjuntos de elementos químicos muy similares, como el circonio y el hafnio , que por cierto también es muy importante para la industria nuclear. El circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, que se utilizan en la construcción de reactores, pero el hafnio es un absorbente muy fuerte de neutrones, que se utiliza en las barras de control de los reactores .

Las resinas de intercambio iónico se utilizan en síntesis orgánica , por ejemplo, para esterificación e hidrólisis . Al tener una gran área superficial e insolubles, son adecuadas para reacciones en fase vapor y fase líquida. Se pueden encontrar ejemplos en los que se utilizan resinas de intercambio iónico básicas (forma OH ^{− ) para neutralizar sales de amonio [8]} y convertir haluros de amonio cuaternario en hidróxidos. ^[9] Las resinas de intercambio iónico ácidas (forma H ⁺ ) se han utilizado como catalizadores ácidos sólidos para la escisión de grupos protectores de éter. ^[10] y para reacciones de reordenamiento. ^[11]

Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de zumos de frutas, como el de naranja y el de arándanos, para eliminar los componentes de sabor amargo y mejorar así el sabor. Esto permite utilizar frutas ácidas o de peor sabor para la producción de zumos.

Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de azúcar a partir de diversas fuentes. Se utilizan para ayudar a convertir un tipo de azúcar en otro tipo de azúcar y para decolorar y purificar los jarabes de azúcar.

Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de productos farmacéuticos, no solo para catalizar ciertas reacciones, sino también para aislar y purificar ingredientes farmacéuticos activos . Tres resinas de intercambio iónico, poliestireno sulfonato de sodio , colestipol y colestiramina , se utilizan como ingredientes activos . El poliestireno sulfonato de sodio es una resina de intercambio iónico fuertemente ácida y se utiliza para tratar la hipercalemia . El colestipol es una resina de intercambio iónico débilmente básica y se utiliza para tratar la hipercolesterolemia . La colestiramina es una resina de intercambio iónico fuertemente básica y también se utiliza para tratar la hipercolesterolemia . El colestipol y la colestiramina se conocen como secuestradores de ácidos biliares .

Las resinas de intercambio iónico también se utilizan como excipientes en formulaciones farmacéuticas como comprimidos, cápsulas, chicles y suspensiones. En estos usos, la resina de intercambio iónico puede tener varias funciones diferentes, entre ellas, enmascaramiento del sabor, liberación prolongada, desintegración de comprimidos, aumento de la biodisponibilidad y mejora de la estabilidad química de los ingredientes activos .

Los quelantes poliméricos selectivos se han propuesto para la terapia de mantenimiento de algunas patologías, donde se produce una acumulación crónica de iones , como la enfermedad de Wilson (donde se produce acumulación de cobre ) ^[12] o la hemocromatosis hereditaria ( sobrecarga de hierro , donde se produce acumulación de hierro ) ^{[13] [14] [15] Estos polímeros o partículas tienen una} disponibilidad biológica sistémica insignificante o nula y están diseñados para formar complejos estables con Fe ²⁺ y Fe ³⁺ en el tracto gastrointestinal y limitar así la captación de estos iones y su acumulación a largo plazo. Aunque este método tiene una eficacia limitada, a diferencia de los quelantes de moléculas pequeñas ( deferasirox , deferiprona o deferoxamina ), un enfoque de este tipo puede tener solo efectos secundarios menores en estudios subcrónicos . ^[15] Curiosamente, la quelación simultánea de Fe ²⁺ y Fe ³⁺ aumenta la eficacia del tratamiento. ^[15]

Las resinas de intercambio aniónico absorben fácilmente el CO2 _cuando están secas y lo liberan nuevamente cuando se exponen a la humedad. ^[16] Esto las convierte en uno de los materiales más prometedores para la captura directa de carbono del aire ambiente, ^[17] o captura directa del aire , ya que la oscilación de la humedad reemplaza la oscilación de temperatura o presión, que consume más energía, que se utiliza con otros sorbentes. Klaus Lackner ha desarrollado un prototipo que demuestra este proceso en el Centro de Emisiones Negativas de Carbono .

• Polielectrolito
• Ablandamiento de agua

• "Química y funcionamiento del intercambio iónico". Remco Engineering. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2014. Consultado el 16 de mayo de 2014 .
• Friedrich G. Helfferich (1962). Intercambio iónico. Publicaciones Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
• 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.
• 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.
• Alexandratos SD . Resinas de intercambio iónico: una retrospectiva de la investigación en química industrial y de ingeniería. Investigación en química industrial y de ingeniería, 2009.
• Sistema catalizador que comprende una resina de intercambio iónico y un promotor de dimetiltiazolidina, Hasyagar UK, Mahalingam RJ, Kishan G, WO 2012.