Una resina de intercambio iónico o polímero de intercambio iónico es una resina o polímero que actúa como medio para el intercambio iónico . Es una matriz insoluble (o estructura de soporte) normalmente en forma de pequeñas microperlas (de 0,25 a 1,43 mm de radio) , 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), proporcionando una gran superficie sobre y dentro de ellas donde se produce la captura de iones junto con la liberación acompañante de otros iones, y por eso el proceso se llama intercambio iónico. . Existen varios tipos de resinas de intercambio iónico. La mayoría de las resinas comerciales están hechas de poliestireno sulfonato , [1] seguido del poliacrilato . [2]
Las resinas de intercambio iónico son ampliamente utilizadas 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 del biodiesel.
La mayoría de las resinas de intercambio iónico típicas se basan en poliestireno reticulado . Los propios sitios de intercambio iónico se introducen después de la polimerización. Además, en el caso del poliestireno, la reticulación se introduce mediante 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 realizar 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 provocan una mayor pérdida de carga en los procesos de columna. [3]
Además de fabricarse como materiales con forma de cuentas, las resinas de intercambio iónico también se fabrican 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 .
Cuatro tipos principales de resinas de intercambio iónico se diferencian en sus grupos funcionales :
También se conocen resinas de intercambio iónico especializadas, como las 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 utilizadas 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. [4] Las resinas débilmente básicas no mantienen su carga a un pH alto porque sufren desprotonación. [4] 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 muy adecuadas para las sales orgánicas.
Para las resinas aniónicas, la regeneración normalmente implica el tratamiento de la resina con una solución fuertemente básica, por ejemplo hidróxido de sodio acuoso. Durante la regeneración, el químico regenerante pasa a través de la resina y los iones negativos atrapados se eliminan, renovando 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 hacer pasar esta agua ácida a través de un proceso de intercambio aniónico . [5]
Reacción:
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. [5]
Reacción:
La cromatografía de intercambio aniónico utiliza este principio para extraer y purificar materiales de mezclas o soluciones .
Las resinas de intercambio iónico se describen a menudo según algunas de las siguientes características. [6]
El medio poroso de las partículas de resina es uno de los parámetros más importantes para la eficiencia del producto. Estos poros realizan diferentes funciones dependiendo de su tamaño y son la principal característica responsable de la transferencia de masa entre fases haciendo posible todo el proceso de intercambio iónico. Hay tres tipos principales de tamaños de poro:
En esta aplicación, se utilizan resinas de intercambio iónico para reemplazar los iones de magnesio y calcio que se encuentran en el agua dura por iones de sodio . Cuando la resina está fresca, contiene iones de sodio en sus sitios activos. Cuando entran 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 preferentemente migran fuera de la solución a los sitios activos de la resina, siendo reemplazados en la solución por iones de sodio. Este proceso alcanza el equilibrio con una concentración de iones de magnesio y calcio en solución mucho menor que la inicial.
La resina se puede recargar lavándola con una solución que contenga una alta concentración de iones de sodio (por ejemplo, tiene grandes cantidades de sal común (NaCl) disuelta). Los iones de calcio y magnesio migran de la resina, siendo 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, las resinas de intercambio iónico se utilizan 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 de intercambio catiónico y aniónico. Las resinas se utilizan para eliminar los iones disueltos del agua.
Pocas resinas de intercambio iónico eliminan el cloro o los contaminantes orgánicos del agua; esto generalmente se hace mediante el uso de un filtro de carbón activado mezclado con la resina. Existen algunas resinas de intercambio iónico que eliminan iones orgánicos, como las resinas MIEX (intercambio iónico magnético). La resina de purificación de agua doméstica no suele recargarse: la resina se desecha cuando ya no se puede utilizar.
Se necesita agua de máxima pureza para la electrónica, los experimentos científicos, la producción de superconductores y la industria nuclear, entre otros. Dicha agua se produce mediante procesos de intercambio iónico o combinaciones de métodos de intercambio iónico y de membrana.
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 , lutecio , entre sí y de los demás 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 grandes cantidades de tierras raras. Esta aplicación fue desarrollada en la década de 1940 por Frank Spedding . Posteriormente, la extracción con disolventes ha suplantado en gran medida el uso de resinas de intercambio iónico, excepto en el caso de 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 del combustible gastado de un reactor nuclear , y poder eliminar los productos de desecho. Entonces, el plutonio y el uranio estarán disponibles para fabricar materiales de 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 tan baja como 0,05 % de U 3 O 8 ) a través de pozos. Luego, la solución de uranio extraída se filtra a través de perlas de resina. Mediante un proceso de intercambio iónico, las perlas de resina atraen el uranio de la solución. Luego, las resinas cargadas de uranio se transportan a una planta de procesamiento, donde se separa el U 3 O 8 de las perlas de resina y se produce la torta amarilla . Luego, 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 ser de gran superficie e insolubles, son adecuados para reacciones en fase de vapor y en fase líquida. Se pueden encontrar ejemplos en los que se utilizan resinas de intercambio iónico básicas (forma OH − ) para neutralizar sales de amonio [7] y convertir haluros de amonio cuaternario en hidróxidos. [8] Se han utilizado resinas de intercambio iónico ácidas (forma H + ) como catalizadores ácidos sólidos para la escisión de grupos protectores de éter. [9] y para reacciones de reordenamiento. [10]
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de zumos de frutas como el zumo de naranja y el de arándano, donde se utilizan para eliminar los componentes de sabor amargo y mejorar así el sabor. Esto permite utilizar fuentes de frutas ácidas o de peor sabor para la producción de jugo.
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de azúcar de diversas fuentes. Se utilizan para ayudar a convertir un tipo de azúcar en otro tipo de azúcar y para decolorar y purificar jarabes de azúcar.
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de productos farmacéuticos, no sólo para catalizar determinadas reacciones, sino también para aislar y purificar ingredientes activos farmacéuticos . Como ingredientes activos se utilizan tres resinas de intercambio iónico: poliestireno sulfonato de sodio , colestipol y colestiramina . El poliestireno sulfonato de sodio es una resina de intercambio iónico fuertemente ácida y se usa para tratar la hiperpotasemia . El colestipol es una resina de intercambio iónico débilmente básica y se usa para tratar la hipercolesterolemia . La colestiramina es una resina de intercambio iónico fuertemente básica y también se usa 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 tabletas, cápsulas, gomas y suspensiones. En estos usos, la resina de intercambio iónico puede tener varias funciones diferentes, incluido el enmascaramiento del sabor, la liberación prolongada, la desintegración de las tabletas, el aumento de la biodisponibilidad y la mejora de la estabilidad química de los ingredientes activos .
Se han propuesto quelantes poliméricos selectivos para la terapia de mantenimiento de algunas patologías donde se produce acumulación crónica de iones , como la enfermedad de Wilson (donde se produce acumulación de cobre ) [11] o la hemocromatosis hereditaria ( sobrecarga de hierro , donde se produce acumulación de hierro ) [12] [13]. [14] 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 TGI , limitando así la absorción de estos iones y su acumulación a largo plazo. Aunque este método tiene sólo una eficacia limitada, a diferencia de los quelantes de pequeño peso molecular ( deferasirox , deferiprona o deferoxamina ), este enfoque puede tener sólo efectos secundarios menores en estudios subcrónicos . [14] Curiosamente, la quelación simultánea de Fe 2+ y Fe 3+ aumenta la eficacia del tratamiento. [14]
Las resinas de intercambio aniónico absorben fácilmente CO 2 cuando están secas y lo liberan nuevamente cuando se exponen a la humedad. [15] Esto los convierte en uno de los materiales más prometedores para la captura directa de carbono del aire ambiente, [16] o captura directa de aire , ya que el cambio de humedad reemplaza el cambio de temperatura o el cambio de presión, que consumen más energía, que se utilizan con otros sorbentes. Klaus Lackner, del Centro para las Emisiones Negativas de Carbono , ha desarrollado un prototipo que demuestra este proceso .