Intercambio iónico

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 agua, purificar productos químicos y separar sustancias.

El intercambio iónico generalmente describe un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando una resina polimérica sólida de intercambio iónico. Más precisamente, el término abarca una gran variedad de procesos en los que se intercambian iones entre dos electrolitos. Además de su uso para purificar agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de una variedad de sustancias químicas importantes desde el punto de vista 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 (polímero en gel o poroso funcionalizado), zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo. Los intercambiadores de iones son intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes), o intercambiadores aniónicos, que intercambian iones cargados negativamente (aniones). También existen intercambiadores anfóteros que son capaces de 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 haciendo pasar la solución a través de varios materiales de intercambio iónico diferentes.

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

• H⁺ (protón) y OH⁻ (hidroxido).
• Los iones monatomicos cargados (es decir, monovalente) como Na+, K+ y Cl−.
• Doubly charged monatomic (i.e., divalent) iones como Ca2+ y Mg2+.
• iones inorgánicos poliatomicos como SO2−4 y PO3−4.
• Bases orgánicas, generalmente moléculas que contienen el grupo funcional de amina −NR₂H⁺.
• Ácidos orgánicos, a menudo moléculas que contienen −COO⁻ Grupos funcionales (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 se puede regenerar o cargar con iones deseables lavándolo con un exceso de estos iones.

Tipos

Intercambio catiónico

1. CM (grupo de carboxilo, intercambio de cation débil)
2. SP (grupo de sulfopropilo, fuerte intercambio de cation)

Intercambio aniónico

• DEAE-Sepharose
• QFF

Aplicaciones

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

Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para las industrias energética, electrónica y nuclear; es decir, los intercambiadores de iones insolubles poliméricos o inorgánicos se utilizan ampliamente para ablandar el agua, purificarla, descontaminarla, etc.

El intercambio iónico es un método ampliamente utilizado en filtros domésticos para producir agua blanda en beneficio de detergentes para ropa, jabones y calentadores de agua. Esto se logra intercambiando cationes divalentes (como calcio Ca²⁺ y magnesio Mg²⁺) con cationes monovalentes altamente solubles (por ejemplo, Na⁺ o H⁺) (ver ablandamiento de agua). Otra aplicación del intercambio iónico en el tratamiento de agua doméstica es la eliminación de nitratos y materia orgánica natural. En los sistemas de filtración domésticos el intercambio iónico es una de las alternativas para ablandar el agua en los hogares junto con las membranas de ósmosis inversa (RO). En comparación con las membranas de ósmosis inversa, el intercambio iónico requiere una regeneración repetitiva cuando el agua de entrada es dura (tiene un alto contenido mineral).

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

Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales, incluida la separación del uranio del plutonio y otros actínidos, incluidos 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 se trata de una aleación de los dos.

Hay dos series de metales de tierras raras, los lantánidos y los actínidos, cuyas familias tienen propiedades químicas y físicas muy similares. Utilizando métodos desarrollados por Frank Spedding en la década de 1940, los procesos de intercambio iónico eran anteriormente la única forma práctica de separarlos en grandes cantidades, hasta que se desarrolló la técnica de "extracción por disolventes" técnicas 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 (principalmente 239Pu) 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 se pueden separar para su eliminación. A continuación, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como el nuevo combustible para reactores (combustible MOX) y armas nucleares (a base de 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 es muy importante para la industria nuclear. Físicamente, el circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, utilizados en la construcción de reactores nucleares, pero el hafnio es un absorbente muy fuerte de neutrones, utilizado en las barras de control de los reactores. Por 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 procesos de cloro álcali, pilas de combustible y 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). En esta técnica, los aniones y cationes del agua salada se intercambian por aniones carbonato y cationes calcio, respectivamente, mediante electroforesis. Luego, los iones de calcio y carbonato reaccionan para formar carbonato de calcio, que luego precipita y deja agua dulce. La desalinización se produce a temperatura y presión ambiente y no requiere membranas ni intercambiadores de iones sólidos. La eficiencia energética teórica de este método está a la par de la electrodiálisis y la ósmosis inversa.

Otras aplicaciones

• En la ciencia del suelo, la capacidad de intercambio de cationes es la capacidad de intercambio de iones para iones cargados positivamente. Los suelos se pueden considerar como intercambiadores naturales de cation débil.
• En la remediación de contaminación y la ingeniería geotécnica, la capacidad de intercambio de iones determina la capacidad de inflamación o arcilla expansiva como la montmorillonita, que se puede utilizar para "capturar" los contaminantes y los iones cargados.
• En la fabricación de guía de onda plano, el intercambio de iones se utiliza para crear la capa guía de índice superior de refracción.
• Ofkalization, removal of alkali ions from a glass surface.
• Cristal reforzado químicamente, producido por el intercambio de K⁺ para Na⁺ en superficies de vidrio de soda usando KNO₃ se derrite.

Agua residual producida por la regeneración de resina

La mayoría de los sistemas de intercambio de iones utilizan columnas de resina de intercambio de iones que se operan sobre una base cíclica.

Durante el proceso de filtración, el agua fluye a través de la columna de resina hasta que la resina se considera agotada. Esto sucede sólo cuando el agua que sale de la columna contiene más que la concentración máxima deseada de los iones que se eliminan. Luego, la resina se regenera lavando secuencialmente el lecho de resina para eliminar los sólidos suspendidos acumulados, lavando 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 medios de intercambio iónico limita la utilidad del intercambio iónico para el tratamiento de aguas residuales.

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

Más información

• Betz Laboratories (1976). Handbook of Industrial Water Conditioning (7a edición). Betz Laboratories.
• Ion Exchangers (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlín, 1991.
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• Kemmer, Frank N. (1979). The NALCO Water Handbook. McGraw-Hill.
• Intercambio de iones (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, Nueva York, 2000.
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