Intercambio iónico

El intercambio iónico es un proceso reversible en el que un ion presente en un sólido insoluble se intercambia por otro de carga similar presente en la solución que lo rodea. Este proceso 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 mediante 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 . ^{[ 1 ]} Además de su uso para purificar agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de diversos productos químicos de importancia industrial y medicinal. Si bien el término suele referirse a aplicaciones de resinas sintéticas (fabricadas por el hombre), puede incluir muchos otros materiales, como el suelo.

Los intercambiadores iónicos típicos son las resinas de intercambio iónico (polímeros porosos o en gel funcionalizados ), las zeolitas , la montmorillonita , la arcilla y el humus del suelo . Los intercambiadores iónicos pueden ser de cationes , que intercambian iones con carga positiva ( cationes ), o de aniones , que intercambian iones con carga negativa ( aniones ). También existen intercambiadores anfotéricos capaces de intercambiar cationes y aniones simultáneamente. Sin embargo, el intercambio simultáneo de cationes y aniones se suele realizar 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 iónicos pueden tener preferencias de unión por ciertos iones o clases de iones, dependiendo de las propiedades físicas y la estructura química tanto del intercambiador iónico 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 iónicos son:

• H ⁺( hidron ) y OH ⁻( hidróxido ).
• Iones monoatómicos (es decir, monovalentes) con carga simple como Na ⁺ , K ⁺y Cl ⁻.
• Iones monoatómicos (es decir, divalentes) con doble carga, como el Ca ²⁺y Mg ²⁺.
• Iones inorgánicos poliatómicos como SO ²⁻ ₄ y PO ³⁻ ₄ .
• Bases orgánicas , generalmente moléculas que contienen el grupo funcional amonio , −N ⁺ R ₂ H .
• Ácidos orgánicos , a menudo moléculas que contienen grupos funcionales −COO ⁻ ( carboxilato ).
• 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 iónico puede regenerarse o cargarse con los iones deseados lavándolo con un exceso de estos iones.

Las resinas de intercambio iónico son el medio físico que facilita las reacciones de intercambio iónico. La resina está compuesta por polímeros orgánicos reticulados, generalmente una matriz de poliestireno y grupos funcionales donde tiene lugar el proceso de intercambio iónico.

El intercambio iónico se utiliza ampliamente en la industria alimentaria y de bebidas, hidrometalurgia, acabado de metales, química, petroquímica, tecnología farmacéutica, producción de azúcar y edulcorantes, tratamiento de aguas subterráneas y potables, nuclear, ablandamiento, tratamiento de aguas industriales, semiconductores, energía y muchas otras industrias. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para las industrias de ingeniería eléctrica , electrónica y nuclear; es decir, los intercambiadores de iones insolubles poliméricos o inorgánicos se utilizan ampliamente para el ablandamiento del agua , la purificación del agua , ^{[ 5 ] [ 6 ]} la descontaminación del agua , etc.

El intercambio iónico es un método ampliamente utilizado en filtros domésticos para producir agua blanda ^, beneficiosa para detergentes, jabones y calentadores de agua. Esto se logra mediante el intercambio de cationes divalentes (como calcio Ca²⁺ y magnesio Mg²⁺ ) por cationes monovalentes altamente solubles (por ejemplo, Na⁺ ^o H⁺ ⁾ (véase ablandamiento del 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 el ablandamiento del 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 repetida cuando el agua de entrada es dura (tiene un alto contenido mineral).

La cromatografía de intercambio iónico industrial y analítica es otro campo a destacar. 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 emplea con frecuencia para separar moléculas cargadas como las proteínas . Un área importante de aplicación es la extracción y purificación de sustancias de origen biológico, como proteínas ( aminoácidos ) y ADN / ARN .

Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales , incluyendo la separación de uranio del plutonio y de otros actínidos , como el torio , el neptunio y el americio . Este proceso también se emplea para separar los lantánidos , como el lantano , el cerio , el neodimio , el praseodimio , el europio y el iterbio . La separación del neodimio y el praseodimio fue particularmente difícil, y antiguamente se creía que se trataba de un solo elemento, el didimio , pero en realidad es una aleación de ambos.

Existen dos series de metales de tierras raras , los lantánidos y los actínidos, cuyas familias poseen propiedades químicas y físicas muy similares. Utilizando los 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 el desarrollo de las técnicas de "extracción con disolventes", que pueden escalarse 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 ²³⁹El plutonio y el uranio (en ese caso conocido como uranio reprocesado ) se encuentran en el combustible gastado de americio , curio , neptunio (los actínidos menores ) y los productos de fisión de los reactores nucleares . De esta forma, los residuos pueden separarse para su eliminación. Posteriormente, el plutonio y el uranio se utilizan para la fabricación de materiales de energía nuclear, como combustible para reactores nucleares ( combustible MOX ) y armas nucleares (basadas en plutonio). Históricamente, algunos productos de fisión, como el estroncio-90 o el cesio-137, también se separaron para su uso como radionúclidos 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 , lo cual es de gran importancia para la industria nuclear. Físicamente, el circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, utilizados en la construcción de reactores nucleares, mientras que el hafnio es un absorbente muy potente de neutrones, utilizado en las barras de control de los reactores . Por lo tanto, el intercambio iónico se emplea 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 cloroalcalino , en pilas de combustible y en baterías redox de vanadio .

El intercambio iónico también puede utilizarse para eliminar la dureza del agua mediante el intercambio de 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). ^{[ 8 ]} En esta técnica, los aniones y cationes del agua salada se intercambian por aniones carbonato y cationes calcio, respectivamente, mediante electroforesis . Los iones calcio y carbonato reaccionan para formar carbonato de calcio , que luego precipita, dejando agua dulce. La desalinización se produce a temperatura y presión ambiente y no requiere membranas ni intercambiadores iónicos sólidos. La eficiencia energética teórica de este método es comparable a la de la electrodiálisis y la ósmosis inversa .

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

Durante el proceso de filtración, el agua fluye a través de la columna de resina hasta que esta se considera agotada. Esto ocurre únicamente cuando el agua que sale de la columna contiene una concentración de iones eliminada superior a la concentración máxima deseada. La resina se regenera mediante un retrolavado secuencial del lecho de resina para eliminar los sólidos suspendidos acumulados, el lavado de los iones eliminados con una solución concentrada de iones de reemplazo y el enjuague de la resina con la solución de lavado. 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 . ^{[ 9 ]}

Los ablandadores de agua se regeneran generalmente con salmuera que contiene un 10 % de cloruro de sodio . ^{[ 10 ]} Además de las sales de cloruro solubles de cationes divalentes eliminadas del agua ablandada, las aguas residuales de regeneración del ablandador contienen entre el 50 % y el 70 % no utilizados 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 la resina desionizadora con ácido sulfúrico e hidróxido de sodio tiene una eficiencia aproximada del 20 % al 40 %. Las aguas residuales de regeneración del desionizador neutralizadas contienen todos los iones eliminados más entre 2,5 y 5 veces su concentración equivalente como sulfato de sodio . ^{[ 11 ]}

• Membrana de intercambio aniónico alcalino
• 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.
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• Práctica de laboratorio de química sobre intercambio iónico, ilustrada y bien definida, del Dartmouth College.
• Algunos applets que ilustran los procesos de intercambio iónico
• Una explicación sencilla de la desionización
• Intercambio iónico, BioMineWiki. Archivado el 11 de agosto de 2020 en Wayback Machine.