Intercambio iónico
El intercambio iónico es un intercambio reversible de un tipo de ión presente en un sólido insoluble con otro de carga similar presente en una solución que rodea al sólido y la reacción se utiliza especialmente para ablandar o desmineralizar el agua, purificar productos químicos y separar sustancias.
El intercambio iónico generalmente describe un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando una resina de intercambio iónico polimérica sólida. Más precisamente, el término abarca una gran variedad de procesos en los que se intercambian iones entre dos electrolitos . [1] Aparte de su uso para purificar el agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de una variedad de sustancias químicas de importancia industrial y medicinal. Aunque el término generalmente se refiere a aplicaciones de resinas sintéticas (artificiales), 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 cargados positivamente ( cationes ), o intercambiadores de aniones , que intercambian iones cargados negativamente ( 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, según las propiedades físicas y la estructura química tanto del intercambiador de iones como del ión. 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:
- H + ( protón ) y OH - ( hidróxido ).
- Iones monoatómicos (es decir, monovalentes) con carga única como Na + , K + y Cl - .
- Iones monoatómicos (es decir, divalentes) doblemente cargados como Ca 2+ y Mg 2+ .
- Iones inorgánicos poliatómicos como SO 4 2− y PO 4 3− .
- Bases orgánicas , generalmente moléculas que contienen el grupo funcional amina -NR 2 H + .
- Ácidos orgánicos , a menudo moléculas que contienen grupos funcionales −COO - ( ácido carboxílico ).
- Biomoléculas ionizables: aminoácidos , péptidos , proteínas , etc.
Junto con la absorción y adsorción , el intercambio iónico es una forma de sorción .
El intercambio de iones es un proceso reversible y el intercambiador de iones puede regenerarse o cargarse con iones deseables lavándolo con un exceso de estos iones.
Tipos
Intercambio catiónico
1. CM (grupo carboximetilo, intercambio catiónico débil) 2. SP (grupo sulfopropilo, intercambio catiónico fuerte)
Intercambio de aniones
- DEAE-Sepharose
- QFF
Aplicaciones
El intercambio iónico se utiliza ampliamente en la industria de alimentos y bebidas, hidrometalurgia, acabado de metales, química, petroquímica, tecnología farmacéutica, producción de azúcar y edulcorantes, tratamiento de agua potable y subterránea, nuclear, ablandamiento, tratamiento de agua industrial, semiconductores, energía y muchas otras industrias.
Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para las industrias de energía eléctrica , electrónica y nuclear; es decir, polimérico o inorgánicos insolubles intercambiadores de iones se utilizan ampliamente para el ablandamiento del agua , la purificación del agua , [2] el agua de descontaminación , etc.
El intercambio de iones 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 mediante el intercambio de cationes divalentes (por ejemplo, calcio Ca 2+ y magnesio Mg 2+ ) con cationes monovalentes altamente solubles (por ejemplo, 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 .
La cromatografía de intercambio iónico industrial y analítica es otra área a 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 usa ampliamente para separar moléculas cargadas como proteínas . Un área importante de la 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 los otros actínidos , incluidos el torio , el neptunio y el americio . Este proceso también se utiliza para separar los lantánidos , como el lantano , cerio , neodimio , praseodimio , europio e iterbio , entre sí. La separación de neodimio y praseodimio fue particularmente difícil, y antes se pensaba que eran solo un elemento didimio - pero eso es una aleación de los dos.
Hay dos series de metales de tierras raras , los lantánidos y los actínidos, cuyas familias tienen propiedades químicas y físicas muy similares. Utilizando 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 que se desarrollaron las técnicas de "extracción por solvente" que pueden ampliarse enormemente.
Un caso muy importante de intercambio iónico es el proceso PUREX (Plutonium-URanium Extraction Process), que se utiliza para separar el plutonio-239 y el uranio del americio , curio , neptunio , los productos de fisión radiactivos que provienen de los reactores nucleares . Por tanto, los productos de desecho se pueden separar para su eliminación. A continuación, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como combustible para reactores nuevos y armas nucleares .
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, que se utiliza 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 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 de cloro-álcali , pilas de combustible y baterías redox de vanadio .
El intercambio de iones también se puede utilizar 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) . [4] 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 ni intercambiadores de iones sólidos. La eficiencia energética teórica de este método está a la par con la electrodiálisis y la ósmosis inversa .
Otras aplicaciones
- En la ciencia del suelo , la capacidad de intercambio catiónico es la capacidad de intercambio iónico del suelo por iones cargados positivamente. Los suelos pueden considerarse intercambiadores de cationes naturales débiles.
- En la remediación de la contaminación y la ingeniería geotécnica , la capacidad de intercambio iónico determina la capacidad de hinchamiento de la arcilla hinchable o expansiva como la montmorillonita , que se puede utilizar para "capturar" contaminantes e iones cargados.
- En la fabricación de guías de ondas planas , el intercambio de iones se utiliza para crear la capa de guía de mayor índice de refracción .
- Desalcalinización , eliminación de iones alcalinos de una superficie de vidrio .
- Vidrio reforzado químicamente , producido mediante el intercambio de K + por Na + en superficies de vidrio de soda utilizando KNO 3 fundidos.
Aguas residuales producidas por regeneración de resina
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. Eso sucede solo cuando el agua que sale de la columna contiene más que la concentración máxima deseada de los iones que se eliminan. A continuación, la resina se regenera mediante un retrolavado secuencial del lecho de resina para eliminar los sólidos suspendidos acumulados, enjuagando 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 . [5]
Los ablandadores de agua generalmente se regeneran con salmuera que contiene un 10% de cloruro de sodio . [6] Aparte de las sales de cloruro solubles de los cationes divalentes extraídos 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 aproximadamente un 20–40% de eficiencia. Las aguas residuales de regeneración con desionizador neutralizado contienen todos los iones eliminados más entre 2,5 y 5 veces su concentración equivalente como sulfato de sodio . [7]
Más información
- Laboratorios Betz (1976). Manual de acondicionamiento de agua industrial (7ª ed.). Laboratorios Betz.
- Intercambiadores de iones (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlín, 1991.
- CE Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
- Friedrich G. Helfferich (1962). Intercambio de iones . Publicaciones de Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
- Kemmer, Frank N. (1979). El manual del agua de NALCO . McGraw-Hill.
- Intercambio de iones (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, Nueva York, 2000.
- AA Zagorodni, Materiales de intercambio iónico: propiedades y aplicaciones , Elsevier, Amsterdam, 2006.
- SenGupta, Arup K. Intercambio iónico en procesos ambientales: fundamentos, aplicaciones y tecnología sostenible . Wiley, 2017. [8]
- Práctica de laboratorio de química ilustrada y bien definida sobre intercambio iónico de Dartmouth College
- Algunos applets que ilustran los procesos de intercambio iónico
- Una simple explicación de la desionización.
- Intercambio de iones, BioMineWiki
Ver también
- Membrana de intercambio de aniones alcalinos
- Ion
- Cromatografía iónica
- Membranas de intercambio iónico
- Resina de intercambio iónico
- Desalinización
Referencias
- ^ Dardel, François; Arden, Thomas V. (2008). "Intercambiadores de iones". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002 / 14356007.a14_393.pub2 .
- ^ Ibrahim, Yazan; Abdulkarem, Elham; Naddeo, Vincenzo; Banat, Fawzi; Hasan, Shadi W. (noviembre de 2019). "Síntesis de membrana de intercambio iónico de fosfato de circonio alfa-celulosa superhidrófila mediante revestimiento de superficie para la eliminación de metales pesados de las aguas residuales". Ciencia del Medio Ambiente Total . 690 : 167–180. Código bibliográfico : 2019ScTEn.690..167I . doi : 10.1016 / j.scitotenv.2019.07.009 . PMID 31288108 .
- ^ Mischissin, Stephen G. (7 de febrero de 2012). "Universidad de Rochester - Investigación de fallas en la línea de extracción de turbinas de vapor" (PDF) . Arlington, VA. págs. 25-26. Archivado desde el original (PDF) el 23 de septiembre de 2015 . Consultado el 23 de febrero de 2015 .
- ^ Shkolnikov, Viktor; Bahga, Supreet S .; Santiago, Juan G. (28 de agosto de 2012). "Desalinización y producción de hidrógeno, cloro e hidróxido de sodio mediante intercambio de iones electroforéticos y precipitación" (PDF) . Física Química Física Química . Phys. Chem. Chem Phys. 14 (32): 11534–45. Código Bibliográfico : 2012PCCP ... 1411534S . doi : 10.1039 / c2cp42121f . PMID 22806549 .
- ^ Kemmer, págs. 12-17, 12-25.
- ^ Betz Laboratories Inc. (1980). Betz Handbook of Industrial Water Conditioning - 8ª edición . Betz. pag. 52 . Archivado desde el original el 20 de junio de 2012.
- ^ Kemmer, págs. 12-18.
- ^ SenGupta, Arup K. (2017). Intercambio iónico en procesos medioambientales: fundamentos, aplicaciones y tecnología sostenible . Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC 1001290476 .
enlaces externos
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el intercambio de iones . |
Este método también se denomina permutit (o)
- Química analítica
- Química General
