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 el agua, purificar productos químicos y separar sustancias.
El intercambio iónico suele describir un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando resinas de intercambio iónico poliméricas sólidas . 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 el agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de una variedad de productos químicos importantes a nivel 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 ( polímeros porosos o en gel funcionalizados), 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 hay intercambiadores anfóteros que pueden 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 pasando la solución a través de varios materiales de intercambio iónico diferentes.
Los intercambiadores de iones pueden tener preferencias de unión 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. Algunos ejemplos comunes de iones que pueden unirse a los 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 puede regenerarse o cargarse con iones deseables 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, típicamente una matriz de poliestireno y grupos funcionales donde se lleva a cabo el proceso de intercambio iónico.
Se utiliza para intercambiar metales pesados de soluciones de metales alcalinotérreos y alcalinos.
Se utiliza para la eliminación de compuestos orgánicos.
El intercambio iónico se utiliza ampliamente en la industria de alimentos y bebidas, hidrometalurgia, acabado de metales, tecnología química, petroquímica y farmacéutica, producción de azúcar y edulcorantes, tratamiento de agua potable y subterránea, nuclear, ablandamiento, tratamiento de agua industrial, semiconductores, energía y muchas otras industrias. [ cita requerida ]
Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para la ingeniería energética , la industria electrónica y nuclear; es decir, los intercambiadores de iones insolubles poliméricos o inorgánicos se utilizan ampliamente para ablandar el agua , purificarla , [2] [3] descontaminarla , etc.
El intercambio iónico es un método ampliamente utilizado en filtros domésticos para producir agua blanda para el 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 (por ejemplo, Na + o H + ) (ver ablandamiento de agua ). Otra aplicación para el intercambio iónico en el tratamiento de agua doméstica es la eliminación de nitrato y materia orgánica natural . En los sistemas de filtración domésticos, el intercambio iónico es una de las alternativas para el ablandamiento de 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 repetitiva cuando el agua de entrada es dura (tiene un alto contenido mineral). [ cita requerida ]
La cromatografía de intercambio iónico industrial y analítica es otro campo que se debe mencionar. La cromatografía de intercambio iónico es un método cromatográfico que se utiliza ampliamente para el análisis químico y la separación de iones. Por ejemplo, en bioquímica se utiliza ampliamente para separar moléculas cargadas como las proteínas . Un área importante de la aplicación es la extracción y purificación de sustancias producidas biológicamente como las proteínas ( aminoácidos ) y el ADN / ARN .
Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales , incluida la separación del uranio del plutonio y otros actínidos , como 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 este es una aleación de los dos. [ cita requerida ]
Existen dos series de tierras raras , los lantánidos y los actínidos, cuyas propiedades químicas y físicas son muy similares. Los procesos de intercambio iónico, que utilizaban métodos desarrollados por Frank Spedding en la década de 1940, eran 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 ) 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 pueden separarse para su eliminación. A continuación, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como nuevo combustible para reactores ( combustible MOX ) y armas nucleares (basadas en 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 son muy importantes para la industria nuclear. Físicamente, el circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, que se utilizan en la construcción de reactores nucleares, pero el hafnio es un absorbente muy fuerte de neutrones, que se utiliza en las barras de control de los reactores . Por lo 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 el proceso cloro-álcali , en pilas de combustible y en 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 de carbonato y cationes de calcio respectivamente mediante electroforesis . Los iones de calcio y carbonato luego reaccionan para formar carbonato de calcio , que luego precipita, dejando atrás agua dulce. La desalinización se produce a temperatura y presión ambiente y no requiere membranas o intercambiadores de iones sólidos. La eficiencia energética teórica de este método está a la par con 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 se considera que la resina está agotada. Esto sucede solo cuando el agua que sale de la columna contiene más que la concentración máxima deseada de los iones que se están eliminando. Luego, la resina se regenera mediante un retrolavado secuencial del lecho de resina para eliminar los sólidos suspendidos acumulados, limpiando 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 los medios de intercambio iónico limita la utilidad del intercambio iónico para el tratamiento de aguas residuales . [6]
Los ablandadores de agua se regeneran generalmente con salmuera que contiene un 10% de cloruro de sodio . [7] Además de las sales de cloruro solubles de cationes divalentes eliminadas del agua ablandada, las aguas residuales de regeneración del ablandador contienen el 50-70% no utilizado 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 resina desionizante con ácido sulfúrico e hidróxido de sodio tiene una eficiencia de aproximadamente un 20-40%. Las aguas residuales de regeneración del desionizador neutralizado contienen todos los iones eliminados más 2,5-5 veces su concentración equivalente como sulfato de sodio . [8]
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