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INTERCAMBIO IÓNICO
DEFINICIÓN
INTRODUCCIÓN
Las operaciones de transferencia de masa tienen una gran importancia desde el punto de vista químico industrial, ya que es muy difícil encontrar un proceso químico que no requiera previamente la purificación de la materia prima o un producto intermedio, o simplemente separar el o los productos finales del proceso de subproductos.
Los procesos de intercambio de iones son básicamente reacciones químicas entre iones en solución e iones en una fase sólida insoluble. Las técnicas que se usan en el intercambio de iones se parecen tanto a las que se utilizan en la adsorción, que para la mayoría de los fines de ingeniería, el intercambio de iones se puede considerar como un caso especial de adsorción. En el intercambio de iones, el sólido elimina ciertos iones, pero como se debe conservar su electroneutralidad, libera iones de reemplazo a la solución. Los primeros materiales empleados para intercambio de iones fueron unas arenas porosas naturales llamadas zeolitas, que intercambian cationes. La mayor parte de los sólidos de intercambio de iones en la actualidad son resinas o polímeros sintéticos. Ciertas resinas poliméricas sintéticas contienen grupos sulfónicos, carboxílicos o fenólicos, y estos grupos aniónicos pueden intercambiar cationes.
El intercambio de iones es un proceso en el cual las partículas sólidas que contienen cationes o aniones intercambiables se ponen en contacto con una solución electrolítica para cambiar la composición de la solución. Las mayores aplicaciones se ven en el ablandamiento del agua por intercambio de iones de calcio por iones sodio y desmineralización de agua por eliminación de cationes y aniones. Otras aplicaciones incluyen la recuperación de metales a partir de soluciones diluidas y separación de productos a partir de biorreactores. Además, es un intercambio de iones entre dos electrolitos o entre una disolución de electrolitos y un complejo. En la mayoría de los casos se utiliza el termino para referirse a procesos de purificación, separación, y descontaminación de disoluciones que contienen dichos iones, empleando para ellos solidos poliméricos o minerales dentro de dispositivos llamados intercambiadores de iones.
La capacidad del intercambio de iones existe en algunos materiales naturales tales como arcillas y zeolitas, pero la mayoría de los procesos utilizan resinas sintéticas de intercambio iónico. Dichas resinas se preparan a partir de polímeros orgánicos, tales como poliestireno unido de forma transversal en el cual se han añadido grupos ionizables. En los intercambiadores de cationes y aniones, los grupos de ácidos o bases están enlazados químicamente a la matriz de la resina, y las resinas tienen una alta concentración de cargas fijas positivas o negativas. Los intercambiadores de iones toman lugar cuando la actividad de los iones en una solución externa difiere a partir de que los iones se mueven en la fase de resina.
Las resinas de intercambio iónico son insolubles en agua, pero se hinchan en una solución acuosa en una extensión determinada por el grado de entrecruzamiento, la concentración de cargas fijas y la concentración de electrólitos en la solución. Algo de hinchamiento es deseable para incrementar las velocidades de difusión dentro de las partículas, pero el hinchamiento también disminuye la capacidad de la resina por unidad de volumen del lecho. Las resinas se presentan en forma de esferas con tamaños entre 0.3 y 1.2 mm, y por lo general se utilizan en lechos fijos similares a los empleados para la adsorción a partir de líquidos.
La ventaja de las resinas de intercambio iónico es que tienen habilidad para recuperar la capacidad original mediante el tratamiento con una solución que puede ser ácido, base o sal (según la resina y el uso) que desplace los iones retenidos por la resina y los remplace por iones deseados. Este procedimiento se llama regeneración y se realiza cuando la resina agota su capacidad, permitiendo de ésta manera utilizar la resina una y otra vez.
El intercambio de iones es una reacción reversible en la cual el contracción en la resina es reemplazado por un ion diferente a partir de una solución externa.
Un sistema de intercambio de iones para operación semicontinua requiere de por lo menos dos columnas, de forma que una pueda siempre estar sobre la línea. Cuando el tiempo necesario para la regeneración es muy corto, es posible disminuir el costo utilizando dos lechos en serie para eliminar los iones. El primer lecho se intercambia para la regeneración cuando ocurre la ruptura en el segundo lecho, y el lecho regenerado previamente se convierte en el segundo lecho en la serie. El inventario de resina se reduce y sólo los lechos totalmente saturados se regeneran, lo cual es más eficiente.
La solución de la alimentación se pasa casi siempre en forma descendente a través del lecho a una velocidad de flujo de 1 a 50 gal/min, Después de la ruptura, el lecho se considera fuera de línea y el lavado posterior con sobre flujo de agua permite separar las partículas pequeñas o sedimentos atrapados en el lecho. Durante el lavado posterior, el lecho fluidiza y se expande de 50 a 100%, de forma que el sistema de alimentación principal deberá suministrarse en forma suficiente por arriba del lecho de resina. La solución para la regeneración se pasa por el flujo superior o inferior a través del lecho de 2 a 5 gal/min · ft2 . Utilizar el contraflujo de la solución para la regeneración resulta más efectivo en la eliminación de los contraiones fuertemente sostenidos, puesto que éstos tienden a concentrarse cerca del extremo de la alimentación del lecho. Sin embargo, se utiliza de manera común una distribución en paralelo con flujo descendente de la alimentación y el regenerante.
Para la preparación de agua muy pura, se utilizan resinas de intercambio de cationes y aniones. Una resina de catión de ácido fuerte reemplaza los cationes con iones H+, y en la columna siguiente, una resina de intercambio aniónico separa los aniones y produce iones OH–, que reaccionan para formar H2 O. Algunas veces se utilizan tres o cuatro lechos en serie con una combinación de resinas de ácido fuerte, ácido débil, base fuerte y base débil distribuidas en varias formas para facilitar la regeneración. La desionización también puede lograrse con un lecho mezclado de resinas catiónicas y aniónicas. Los lechos se separan antes de la regeneración mediante fluidización suave, puesto que las resinas aniónicas son más ligeras y se suspenden con mayor facilidad.
ESQUEMA
CLASIFICACIÓN
Los intercambiadores de iones pueden ser:
•Intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes)._ caracterizado por la presencia en su molécula de radicales de función acida, sulfúrica o carboxílica, tipo HSO3 o HCO2, capaces de fijar cationes minerales u orgánicos y de intercambiarlos entre sí, o por el ion hidrogeno.
Un ejemplo común del intercambio catiónico es la reacción para el ablandamiento del agua
•Intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa (aniones)._ son moléculas, contienen radicales de función básicas, por ejemplo funciones capaces de fijar aniones minerales u orgánicos y de intercambiarlos entre sí o por el ion hidroxilo OH-.
•Anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo.
Las sustancias de intercambio iónico presentan determinada selectividad o afinidad influenciada por las propiedades de la sustancia, los iones intercambiados, la solución en la cual están presentes los iones, la magnitud de la carga y el tamaño de los iones.
El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes.
Las sustancias intercambiadores se clasifican en:
-Inorgánicos naturales (arcillas zeolitas) o sintéticos (carbónsulfonado).
-Orgánicos naturales (resinas naturales) o sintéticos (resinas sintéticas)
-Los intercambiadores de iones suelen contener resinas de intercambio iónico (porosas o en forma de gel), zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo.
Características
Una resina de intercambio iónico puede considerarse como una estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida grupos iónicos libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación o entrecruzamiento determina la estructura porosa interna de la misma.
Como los iones deben difundirse en el interior de la resina para que ocurra el intercambio, la selección del grado de reticulación puede limitar la movilidad de los iones participantes.
Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones, de signo opuesto, denominados contraiones, que están libres y que son los que se intercambian realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan aniónicos
Tipo según su estructura de red.
Microporosas o tipo Gel.
Son resinas convencionales originadas a partir de la polimerización del divinilbenceno y el estireno. Los grupos de intercambio están distribuidos estadísticamente en la partícula, es muy difícil describir la porosidad ya que la distancia entre los enlaces cruzados y las cadenas varía considerablemente.
Macroporosas o Macroreticulares.
Son resinas formadas por el polímero de poliestireno y divinilbenceno, como las de tipo gel, pero su apariencia es diferente a las de gel (CIDI, 1999) ya que durante la síntesis de esta resina se utiliza un co-solvente que actúa interponiéndose entre las cadenas poliméricas creando grandes superficies internas. Este disolvente se elimina una vez formada la estructura rígida del polímero. Las perlas tienen una relación área/volumen mayor que las de tipo gel siendo mayor la capacidad de intercambio favoreciendo la difusión de los iones y mejorando por lo tanto la cinética de intercambio
Isoporosas.
Se caracterizan por tener un tamaño de poro uniforme con lo que aumenta la permeabilidad de los iones en el interior de la red; son resinas de alta capacidad, regeneración eficiente y un costo más bajo que las resinas macroporosas.
Tipos según su grupo funcional.
Resinas catiónicas de Acido fuerte.
Se producen por sulfonación del polímero con ácido sulfúrico, el grupo funcional es el ácido sulfónico (-SO3H) que es altamente ionizable, intercambian iones positivos (cationes). Estas resinas operan a cualquier pH (Nevárez, 2009), requiere de excesivas cantidades de regenerante y es la resina más utilizada.
.Resina Cationicas de Acido Debil.
El grupo funcional es un ácido carboxílico (COOH) presente en uno de los componentes del copolímero principalmente el ácido acrílico o metacrílico. Son resinas altamente eficientes (CIDI, 1999), tienen menor capacidad de intercambio, no son funcionales a pH bajos, elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las pérdidas de carga o provocar roturas en la columna cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior. Estas resinas fijan los cationes de calcio, magnesio, sodio y potasio.
Resina Aniónicas de base fuerte
Se obtienen a partir de la reacción de copolímeros de estireno-divinilbenceno clorometilados con aminas terciarias. El grupo funcional es una sal de amonio cuaternario, (R4N+ ). Intercambian iones negativos y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa.
Resina Aniónicas de base Debil
Resinas funcionalizadas con grupos de amina primaria (-NH2), secundaria (-NHR) y terciaria (-NR2). Suelen aplicarse a la adsorción de ácidos fuertes con buena capacidad pero su cinética es lenta. Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración, no se puede utilizar a pH altos, pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento, deben ser usadas en aguas con niveles elevados de sulfatos o cloruros, o donde no se requiera la eliminación de la alcalinidad y del silicio, fijan los aniones de los ácidos fuertes como sulfatos, cloruros y nitratos, pero no los aniones débiles del ácido carbónico (H2CO3), ni del ácido silícico (H2SiO3) (Nevárez, 2009)
Resina Quelatantes.
En estas resinas el grupo funcional tiene las propiedades de un reactivo específico ya que forman quelatos selectivamente con algunos iones metálicos. Los átomos más frecuentes son azufre, nitrógeno, oxígeno y fósforo que forman enlaces de coordinación con los metales. Son poco utilizadas en la industria por ser más caras que las anteriores y por tener una cinética de absorción más lenta.
EQUIPOS:
Desmineralizadores
Es un equipo utilizado para eliminar solidos disueltos en el agua, el proceso mediante intercambio iónico emplea resinas catiónicas y aniónicas, que pueden ser base fuerte o base débil dependiendo de la calidad del agua a obtener y los contaminantes que se requiera remover.
Descalcificadores.
Es un equipo utilizado para la eliminación de la dureza en el agua (Calcio y magnesio) mediante el uso de resina de intercambio iónico: es decir que al pasar los iones calcio y magnesio a través del descalcificador estos quedan retenidos en la resina de intercambio iónico, siendo en su lugar liberados iones sodio.
El descalcificador consta de:
Una botella, generalmente de fibra de vidrio, parcialmente llena de resina.
Una válvula para el correcto funcionamiento del equipo.
Un depósito lleno de sal (cloruro sódico).
La dureza del agua producirá incrustaciones en la instalaciones a la que suministre el agua (caldera, circuito de refrigeración, entre otros) lo que hace que disminuya su eficiencia y su vida útil.
Desnitrificador
Es un equipo automático utilizado para la eliminación de nitratos del agua. Trabajan mediante resina de intercambio iónico, con regeneración volumétrica retardada o instantánea.
El desnitrificador reemplaza aniones disueltos con mayor afinidad por la resina que los cloruros por estos últimos. Esta alternativa es altamente recomendable en agua de alto contenido de nitratos y baja salinidad, donde no es necesario desmineralizar. Cabe indicar que los nitratos son unos de los contaminantes más habituales presente en agua superficiales y especialmente en aguas subterráneas
Descarbonatador.
Es un equipo cilíndrico que cuenta con una zona central de mezcla y reacción, equipado con una hélice de diseño especial y un faldón de repartición para favorecer el cambio de velocidad del agua cruda y pasar por la zona clarificación.
En el descarbonatador se emplea una resina carboxílica previamente regenerada con ácido. Esta resina tiene las propiedades en forma de ácido libre, hasta que el pH del agua tratada alcance un valor comprendido entre 4 y 5, lo que corresponde a la liberación total del ácido carbónico de los bicarbonatos, no siendo fijados por la resina los cationes ligados a los aniones de ácido fuerte (cloruros, nitratos, sulfatos).
APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA
El intercambio iónico es utilizado para diversos fines entre los que se destacan:
• Ablandamiento, separación de calcio y magnesio.
• Desmineralización
• Tratamiento de agua.
• Proceso muy utilizado en las fábricas textiles.
• El intercambio iónico es utilizado ampliamente en las industrias de alimentos y bebidas, hidrometalurgia, acabado de metales, química y petroquímica, farmacéutica, azúcar y edulcorantes, agua subterránea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua, semiconductores, energía, acabado textil.
El intercambio de iones se puede utilizar para el vino, el jugo de fruta y la desmineralización del suero de leche, y la decoloración del azúcar de caña. En la desmineralización del suero de leche, el intercambio iónico se utiliza para recuperar y convertir la lactosa y las sales minerales en sustancias más valiosas para su uso en productos como alimentos para bebés y productos farmacéuticos. En la decoloración del zumo de fruta, el intercambio iónico se utiliza para decolorar el mosto de las uvas, por ejemplo, y también se utiliza para la desmineralización en bodegas.
CONCLUSIÓN
En comparación con otras tecnologías, como la electrodesionización continua (CEDI), la cromatografía, ultrafiltración, y tratamientos biológicos, el intercambio iónico es particularmente adecuado cuando se intenta eliminar un contaminante específico de baja concentración, por ejemplo, la eliminación de boro del agua de pozo.
· (Warren L. McCabe Julian C. Smith Peter Harriott ).OPERACIONES UNITARIAS 7MA EDICIÓN, Extraído de :
http://librodigital.sangregorio.edu.ec/librosusgp/14698.pdf
· (C.J Geankodis) PROCESO DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS. Extraído de:
· (FLUENCE NEWS TEAM,2021).¿QUE ES EL INTERCAMBIO IONICO. Extraído de:
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