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 microperlas pequeñas (0,25 a 0,5 mm de radio) , generalmente blancas o amarillentas, fabricadas a partir de un sustrato de polímero orgánico . Las perlas son típicamente porosas , proporcionando una gran superficie sobre y dentro de ellas para atrapar iones.ocurre junto con la liberación acompañante de otros iones y, por lo tanto, el proceso se denomina intercambio iónico. Hay varios tipos de resinas de intercambio iónico. La mayoría de las resinas comerciales están hechas de poliestireno sulfonato . [1]
Las resinas de intercambio iónico se utilizan ampliamente 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 tales 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 de biodiésel.
Tipos de resinas
Las resinas de intercambio iónico más típicas se basan en poliestireno reticulado . Los sitios de intercambio de iones reales se introducen después de la polimerización. Además, en el caso del poliestireno, la reticulación se introduce por 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 causan una mayor pérdida de carga en los procesos de la columna. [2]
Además de fabricarse como materiales en forma de perlas, las resinas de intercambio iónico también se producen 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 :
- fuertemente ácido, típicamente con grupos de ácido sulfónico , por ejemplo, poliestireno sulfonato de sodio o poliamps ,
- fuertemente básico, típicamente con grupos amino cuaternarios , por ejemplo, grupos trimetilamonio , por ejemplo, poliAPTAC ),
- débilmente ácido, típicamente con grupos de ácido carboxílico ,
- débilmente básico, que presenta típicamente grupos amino primarios, secundarios y / o terciarios , por ejemplo, polietilen amina .
También se conocen resinas especializadas de intercambio iónico 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 comúnmente utilizadas en el proceso de intercambio iónico. Mientras que las resinas aniónicas atraen iones cargados negativamente, las resinas catiónicas atraen iones cargados positivamente.
Resinas de aniones
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. [3] Las resinas débilmente básicas no mantienen su carga a un pH alto porque sufren desprotonación. [3] Sin embargo, ofrecen una excelente estabilidad mecánica y química. Esto, combinado con una alta tasa de intercambio iónico, hace que las resinas aniónicas de base débil sean muy adecuadas para las sales orgánicas.
Para las resinas aniónicas, la regeneración implica típicamente 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 resina.
Resina de intercambio catiónico
Fórmula: R − H ácida
El método de intercambio catiónico elimina la dureza del agua pero induce la acidez en ella, que se elimina en la siguiente etapa del tratamiento del agua al pasar esta agua ácida a través de un proceso de intercambio aniónico . [4]
Reacción:
- R − H + M + = R − M + H + .
Resina de intercambio aniónico
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. [4]
Reacción:
- –NR 4 + OH - + HCl = –NR 4 + Cl - + H 2 O.
La cromatografía de intercambio aniónico hace uso de este principio para extraer y purificar materiales de mezclas o soluciones .
Usos
Ablandamiento de agua
En esta aplicación, las resinas de intercambio iónico se utilizan 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 magnesio y calcio (pero una baja concentración de iones sodio), los iones magnesio y calcio migran preferentemente de la solución a los sitios activos de la resina, siendo reemplazados en solución por iones sodio. Este proceso alcanza el equilibrio con una concentración mucho menor de iones de magnesio y calcio en solución que con la que se inició.
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 en ella). 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.
Purificación del agua
En esta aplicación, las resinas de intercambio iónico se utilizan para eliminar iones venenosos (p. Ej., Cobre ) y metales peligrosos (p. Ej. Plomo o cadmio ) de la solución, reemplazándolos con iones más inocuos, como sodio y potasio .
Pocas resinas de intercambio iónico eliminan el cloro o los contaminantes orgánicos del agua; esto generalmente se hace usando un filtro de carbón activado mezclado con la resina. Hay algunas resinas de intercambio iónico que eliminan los iones orgánicos, como las resinas MIEX (intercambio de iones magnéticos). La resina de purificación de agua doméstica generalmente no se recarga; la resina se desecha cuando ya no se puede usar.
Se requiere agua de la más alta pureza para la electrónica, experimentos científicos, producción de superconductores e industria nuclear, entre otros. Dicha agua se produce mediante procesos de intercambio iónico o combinaciones de métodos de intercambio iónico y de membrana.
Intercambio de iones en la separación de metales
Los procesos de intercambio iónico se utilizan para separar y purificar metales , incluida la separación del uranio del plutonio y otros actínidos , incluido el torio ; y lantano , neodimio , iterbio , samario , lutecio , entre sí y 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 de iones fue durante muchos años la única forma práctica de separar las tierras raras en grandes cantidades. Esta aplicación fue desarrollada en la década de 1940 por Frank Spedding . Posteriormente, la extracción con solventes ha reemplazado principalmente al uso de resinas de intercambio iónico, excepto para 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 combustibles gastados de un reactor nuclear , y poder eliminar los productos de desecho. Luego, el plutonio y el uranio están disponibles para fabricar materiales de energía nuclear, como combustible para reactores nuevos 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 perforaciones. La solución de uranio extraída se filtra luego a través de las perlas de resina. Mediante un proceso de intercambio iónico, las perlas de resina atraen el uranio de la solución. Las resinas cargadas con uranio se transportan luego a una planta de procesamiento, donde se separa el U 3 O 8 de las perlas de resina y se produce la torta amarilla . Las perlas de resina se pueden devolver 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 utiliza 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 .
Catálisis
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en síntesis orgánica , por ejemplo, para esterificación e hidrólisis . Al ser insolubles y de gran superficie, son adecuados para reacciones en fase 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 [5] y convertir haluros de amonio cuaternario en hidróxidos. [6] Se han utilizado resinas de intercambio iónico ácidas (forma H + ) como catalizadores ácidos sólidos para la escisión de grupos protectores de éter. [7] y para reacciones de reordenamiento. [8]
Purificación de jugos
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de zumos de frutas como el zumo de naranja y de arándano, donde se utilizan para eliminar los componentes de sabor amargo y así mejorar el sabor. Esto permite que se utilicen fuentes de frutas ácidas o de sabor más pobre para la producción de jugo.
Fabricación de azúcar
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 los jarabes de azúcar.
Productos farmacéuticos
Las resinas de intercambio iónico se utilizan en la fabricación de productos farmacéuticos, no solo para catalizar determinadas reacciones, sino también para aislar y purificar principios 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 secuestrantes de ácidos biliares .
Las resinas de intercambio iónico también se utilizan como excipientes en formulaciones farmacéuticas como comprimidos, cápsulas, gomas y suspensiones. En estos usos, la resina de intercambio iónico puede tener varias funciones diferentes, que incluyen enmascaramiento del sabor, liberación prolongada, desintegración de tabletas, mayor biodisponibilidad y mejora de la estabilidad química de los ingredientes activos .
Se han propuesto quelantes poliméricos selectivos para la terapia de mantenimiento de algunas patologías en las que se produce una acumulación crónica de iones , como la enfermedad de Wilson (donde se produce la acumulación de cobre ) [9] o la hemocromatosis hereditaria ( sobrecarga de hierro , donde se produce la acumulación de hierro ) [10] [11] [12] 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 y así limitar la captación de estos iones y su acumulación a largo plazo. Aunque este método tiene solo una eficacia limitada, a diferencia de los quelantes de moléculas pequeñas ( deferasirox , deferiprona o deferoxamina ), tal enfoque puede tener solo efectos secundarios menores en estudios subcrónicos . [12] Curiosamente, la quelación simultánea de Fe 2+ y Fe 3+ aumenta la eficacia del tratamiento. [12]
Ver también
- Polielectrolito
- Ablandamiento de agua
Notas
- ^ François Dardel y Thomas V. Arden "Intercambiadores de iones" en Enciclopedia de química industrial de Ullmann, 2008, Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002 / 14356007.a14_393.pub2 .
- ^ IUPAC "desaconseja firmemente" el uso del término "resina de intercambio iónico" para referirse a un polímero de intercambio iónico, pero el uso sigue siendo común: Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (2004), "Definiciones de términos relacionados con reacciones de polímeros y materiales poliméricos funcionales (Recomendaciones IUPAC 2003) " (PDF) , Pure Appl. Chem. , 76 (4): 889–906, doi : 10.1351 / pac200476040889
- ^ a b Wikilibros: Proteómica / Separaciones de proteínas - Cromatografía / Intercambio iónico # Intercambiadores de aniones .
- ^ a b Vagliasindi, Federico GA; Belgiorno, Vincenzo; Napoli, Rodolfo MA (1 de enero de 1998), Gavasci, Renato; Zandaryaa, Sarantuyaa (eds.), "Tratamiento de agua en áreas remotas y rurales: un protocolo de selección conceptual para tecnologías apropiadas de POU / POE" , Ingeniería ambiental y energía renovable , Oxford: Elsevier, págs. 329–336, doi : 10.1016 / b978 -0-08-043006-5.50049-5 , ISBN 978-0-08-043006-5, consultado el 27 de octubre de 2020
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- ^ Carl Kaiser y Joseph Weinstock (1976). "Alquenos a través de la eliminación de Hofmann: uso de resina de intercambio iónico para la preparación de hidróxidos de amonio cuaternario: difenilmetilviniléter". Org. Synth . 55 : 3. doi : 10.15227 / orgsyn.055.0003 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
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Otras lecturas
- "Operación y química del intercambio iónico" . Ingeniería Remco. Archivado desde el original el 20 de febrero de 2014 . Consultado el 16 de mayo de 2014 .
- Friedrich G. Helfferich (1962). Intercambio de iones . Publicaciones de Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
- 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.
- 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.
- Alexandratos SD. Resinas de intercambio iónico: una retrospectiva de la investigación en química industrial y de ingeniería. Investigación en Química Industrial e Ingeniería, 2009.
- Sistema catalizador que comprende una resina de intercambio iónico y un promotor de dimetil tiazolidina, Hasyagar UK, Mahalingam RJ, Kishan G, WO 2012.