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 agua, purificar productos químicos y separar sustancias.
El intercambio iónico suele describir un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando una resina polimérica sólida de intercambio iónico . Más precisamente, el término engloba una gran variedad de procesos donde 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 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 las 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 con carga positiva ( cationes ), o intercambiadores de aniones , que intercambian iones con carga negativa ( 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 ion. Esto puede depender del tamaño, la carga o la estructura de los iones. Ejemplos comunes de iones que pueden unirse a intercambiadores de iones son:
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.
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 subterránea y potable, energía nuclear, ablandamiento, tratamiento de agua industrial, semiconductores, energía y muchas otras industrias. [ cita necesaria ]
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 , purificar el agua , [2] [3] descontaminar el agua , 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 Ca 2+ y magnesio Mg 2+ ) con cationes monovalentes altamente solubles (p. ej., Na + o H + ) (ver ablandamiento de agua ). Otra aplicación del intercambio iónico en el tratamiento de aguas domésticas 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 (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). [ cita necesaria ]
La cromatografía de intercambio iónico industrial y analítica es otro campo 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. [ cita necesaria ]
Hay dos series de metales de tierras raras , los lantánidos y los actínidos, cuyas familias tienen propiedades químicas y físicas muy similares. Utilizando los métodos desarrollados por Frank Spedding en los años 40, los procesos de intercambio iónico eran anteriormente 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 ) contenidos en el combustible gastado procedente del americio , el curio , el 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. Además, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como nuevos combustibles 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 cloro-álcalis , 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) . [5] En esta técnica, los aniones y cationes en agua salada se intercambian por aniones carbonato y cationes calcio, respectivamente, mediante electroforesis . Los iones de calcio y carbonato luego 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 .
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 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 . [6]
Los descalcificadores de agua suelen regenerarse con salmuera que contiene un 10% de cloruro de sodio . [7] 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 . [8]
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