Resina de intercambio iónico

Resina de Intercambio Iónico Concepto: Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo.

Resina de Intercambio Iónico. Son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo.

Definición

Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante.

En los copolímeros de estireno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinilbenceno y el contenido de este último está directamente relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con su porosidad.

Historia

La ciencia de intercambiar un ión por otro, empleando una matriz , es una metodología antigua. Ya en la Biblia, Moisés emplea la corteza de un árbol para obtener agua potable a partir de agua salobre (Éxodo 15,23-25) y Aristóteles menciona que haciendo pasar agua de mar a través de un recipiente de cera se obtiene agua dulce (Meteorología, libro II, Parte 3).

Las propiedades como intercambiadores iónicos de algunas arcillas y minerales se conocen desde el siglo XIX y se atribuye la primera observación del fenómeno a Thompson y Way, cuyos estudios con distintas muestras de suelos agrícolas fueron publicados en 1850. En sus experimentos pasaron una disolución de abono (sulfato o nitrato amónico) a través de diversas muestras de arcilla procedente de suelos agrícolas, observando que el filtrado obtenido contenía iones calcio en lugar de iones amonio.

Way, químico de la Real Academia de Agricultura de Inglaterra, después de un estudio extensivo determinó que la propiedad de intercambio se debía a la presencia de pequeñas cantidades de zeolita en el suelo. Zeolita es el nombre genérico de un grupo de silicatos que contienen un óxido alcalino o alcalino-terreo, alúmina, sílice y agua, tal como la natrolita, cuya fórmula es Na₂O. Al₂O. 3SiO₂. 2H₂O.

Esta afinidad de algunos suelos por el ión amonio frente otros cationes, en este caso el calcio, los hacía más adecuados para su uso agrícola. La importancia de estos resultados en cuanto al fenómeno de intercambio iónico, no fue comprendido en su totalidad hasta que Henneberg, Stohmann y Eichhorn, demostraron la reversibilidad del proceso en 1858.

Más adelante, en 1870, los estudios de Lemberg sobre la capacidad intercambiadora de las zeolitas ampliaron los conocimientos en estos procesos de intercambio. De hecho, las zeolitas son un ejemplo clásico de minerales con capacidad de intercambio.

En 1905 el químico alemán Gans obtuvo zeolitas sintéticas, las cuales fueron obtenidas por reacción de la mezcla de silicato de sodio o aluminato de sodio, o mezcla de ambas, con sulfato de aluminio. También se usaron tierras verdes procesadas, a las cuales se les calificó como zeolitas naturales y fueron las primeras sustancias empleadas en la eliminación de la dureza del agua. No obstante estos compuestos tenían en su contra que mostraban capacidades de intercambio bajas (aunque su velocidad de regeneración era rápida) y que por debajo de pH 7 se disolvían en agua. Fueron utilizados durante cerca de catorce años y luego se abandono su uso debido a sus limitaciones.

Aunque actualmente estas zeolitas tienen un uso limitado en el tratamiento de agua, el nombre de zeolitas ha persistido y aún a los intercambiadores iónicos orgánicos sintéticos con frecuencia se les denomina zeolitas. En 1927 se empleo la primera columna de zeolita mineral para eliminar iones calcio y magnesio que interferían en la determinación del contenido de sulfato en agua.

A partir de 1934 se utilizaron materiales catiónicos producidos por sulfonación de carbón. Este material presentaba un grupo funcional capaz de intercambiar cationes de modo reversible y además operaba en un rango de pH mayor que los silicatos de aluminio, de 1 a 10, por lo que resultaba ser aplicable a un número mayor de procesos industriales. El inconveniente del carbón sulfonado era que su capacidad de intercambio era aun menor que la de los silicatos.

La aportación más importante al desarrollo del intercambio iónico fue la síntesis de resinas orgánicas, realizada en 1935 por los químicos Basil Adams y Eric Colmes, del Departamento de Investigación Científica e Industrial (Reino Unido), quienes desarrollaron polímeros orgánicos que imitaban a las zeolitas, mediante la reacción de condensación entre el fenol y el formaldehído. Sustituyendo el fenol por derivados de éste, como fenoles polihídricos o por diaminas aromáticas, se dio paso a las resinas de intercambio catiónicas o aniónicas. Posteriormente, Holmes produjo una resina catiónica fuerte a partir del ácido fenolsulfónico. Las primeras resinas Amberlita (Rohm and Hass) y Dowex (Dow Chemical Co.) se basaban en esta reacción química.

Como resultado de obtener resinas de intercambio catiónico y aniónico, se establecieron procesos para la producción de agua muy pura, constituyendo una alternativa al agua destilada y a precios mucho más baratos.

Las resinas de intercambio iónico progresaron al desarrollarse polímeros intercambiadores de iones sintetizados mediante reacciones de adición, cuya estabilidad química y térmica era mayor que las resinas de condensación. El pionero de este trabajo fue Gaetano D'Alelio, quién incorporó grupos de ácido sulfónico a un polímero de estireno, entrecruzado con divinilbenceno (copolímero estireno-divinilbenceno), dando lugar a las resinas catiónicas de ácido fuerte. Unos años más tarde, en 1947, Mc Burney produjo las resinas aniónicas de base fuerte, cuyo grupo funcional era un amino cuaternario. El uso del copolímero estireno-divinilbenceno como matriz para enlazar grupos con capacidad de intercambio, supuso una tremenda expansión en los procesos de intercambio iónico.

De hecho, la mayoría de las resinas que se emplean actualmente tienen como matriz este copolímero. En los copolímeros de estireno y divinil benceno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinil benceno y el contenido de este último está relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con la porosidad. Se debe buscar un balance, ya que un polímero poco entrecruzado permite una fácil entrada del agua para que la reacción de intercambio iónico sea rápida, pero la resina presenta una cierta solubilidad; en cambio una resina muy entrecruzada será insoluble, pero las velocidades de intercambio iónico serán menores, tanto en el proceso de intercambio como en la regeneración. Las resinas modernas tienen mayor estabilidad química y mejoras en la capacidad de intercambio iónico.

Un paso más en el desarrollo de los intercambiadores iónicos fue la búsqueda de especificidad. En 1948, Skogseid produce la primera resina específica para un metal, potasio, y a partir de este momento los investigadores basaron sus esfuerzos en incorporar a la matriz de la resina distintos grupos funcionales que aumentasen su selectividad por un determinado compuesto, desarrollando así las resinas quelantes.

Desde entonces se ha continuado la investigación y el desarrollo en nuevas estructuras políméricas (macroporosas, poliacrílicas, tipo gel) dando lugar a una serie de modernas resinas de intercambio iónico, cuyo empleo en el campo de las aplicaciones industriales ha sido enorme.

Uso de la resinas de intercambio iónico

Las resinas de intercambio iónico están destinadas a varios usos:

• Descalcificación.
• Desnitratación
• Desionización.

Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos.

Tipos de resinas de intercambio iónico

Hay 2 tipos básicos de resinas:

• Intercambio de cationes.

Resinas del intercambio de cationes emiten iones Hidrógeno (H+) u otros iones como intercambio por cationes impuros presentes en el agua.

• Intercambio de aniones.

Resina de intercambio de Aniones despedirá iones de hydroxil (OH) u otros iones de cargas negativas en intercambio por los iones impuros que están presentes en el agua.

Las resinas de Intercambio de iones modernas son preparadas de polímeros sintéticos tales como styrenedivinlybenzene copolymers que han sido sulphonated para formar unos intercambios de cationes fuertemente ácidos o aminated para formar intercambios de aniones fuertemente básicos o débilmente básicos. Las resinas de intercambio iónico pueden ser de los siguientes tipos:

Resinas catiónicas de ácido fuerte

Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH. Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).

• Resinas catiónicas de sodio: eliminan la dureza del agua por intercambio de sodio por el calcio y el magnesio.
• Resinas catiónicas de hidrógeno: pueden eliminar todos los cationes (calcio, magnesio, sodio, potasio, etc) por intercambio con hidrógeno.

Resinas catiónicas de ácidos débiles

Eliminan los cationes que están asociados con bicarbonatos.

• Tienen menor capacidad de intercambio.
• No son funcionales a pH bajos.
• Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las perdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior.
• Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.

Resinas aniónicas de bases fuertes

Eliminan todos los aniones. Su uso se ha generalizado para eliminar aniones débiles en bajas concentraciones, tales como: carbonatos y silicatos.

• Intercambian iones negativos (aniones).
• Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos.
• Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).

Resinas aniónicas de base débil

Eliminan con gran eficiencia los aniones de los ácidos fuertes, tales como sulfatos, nitratos y cloruros.

• 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.

Vida útil de las resinas de intercambio iónico

Después de una serie de ciclos de intercambio iónico las resinas de intercambio iónico sufren la pérdida de sitios de intercambio activo o sufren la rotura de los enlaces transversales de la resina, disminuyendo su capacidad de intercambio.

Las resinas catiónicas fuertes primero pierden su capacidad de intercambio para captar cationes asociados a los ácidos fuertes y las resinas aniónicas fuertes disminuyen su capacidad de captar aniones débiles a baja concentración, tales como los carbonatos y silicatos.

La mayoría de autores de la especialidad asignan una vida útil esperada de las resinas de intercambio iónico entre los 5 y los 10 años. Según la Empresa RHOM AND HASS (fabricante de resinas de intercambio iónico) las resinas aniónicas tienen una vida útil teórica de 70 a 300 m3 de agua tratada por litro de resina y las resinas catiónicas de 200 a 1500 m3 de agua tratada por litro de resinas; en ambos casos dependerá de la calidad del agua a tratar.

Existen métodos de laboratorio que permiten determinar la capacidad de intercambio iónico de una resina dada, la mayoría de los cuales han sido desarrollados por las empresas fabricantes. La utilidad de poder determinar la capacidad de intercambio iónico reside en poder comparar las capacidades de varias resinas cuando se necesita escoger una resina adecuada a las necesidades de operación; así mismo sirve para saber el estado de la vida útil de una resina que está en uso y determinar en qué momento necesita ser cambiada.

Selectividad de las resinas de intercambio iónico

Las resinas de intercambio iónico presentan diferentes selectividades hacia los iones. A continuación se detalla el orden de selectividad de las resinas de intercambio iónico, en orden decreciente (de mayor a menor selectividad):

Resinas catiónicas de ácidos fuertes:Ag+, Pb++, Hg++, Ca++, Cu++, Ni++, Cd++, Zn++, Fe++, Mg++, K+, Na+, H+

Resinas catiónicas de ácidos débiles:H+, Cu++, Ca++, Mg++, K+, Na+

Resinas aniónicas de bases fuertes:CO=3, SIO=3, I-, HSO4-, NO-3, Br-, HSO-3,NO2-,Cl-, HCO3-, F-

Resinas aniónicas de bases débiles:SO=4, CRO=4, NO-3, I-, Br-, Cl-, F-

Guía para la regeneración de resinas de intercambio iónico.

Luego de tiempo de trabajo la resinas de intercambio iónico deben ser cargada nuevamente por lo que es necesario tener presente lo siguiente:

• Los retrolavados deben efectuarse por un tiempo mínimo de 15 minutos, pudiendo prolongarse hasta 60 minutos en caso que se quiera eliminar finos que estén ocasionando altas caídas de presión, durante la producción de agua desmineralizada. Se debe tener cuidado de no tener velocidades altas o retrolavados excesivos, que provocan altas pérdidas de resinas. De suceder esto muestrear y determinar que porcentaje de los finos pasa malla 50 USA ó 0.3 mm y la humedad de la resina.
• El regenerante de las resinas aniónicas fuertes debe ser pasado en un tiempo no menor de 30 minutos y el 15 al 30 % regenerante se debe descartar antes de su ingreso al intercambiador de resina aniónica débil, para evitar que en ella se formen depósitos de sílice.
• Los flujos de retrolavados deben ser de 25 m3/m2/hr (25 m/hr).
• El enjuague lento o transferencia debe ser de 1 a 2 m3 de agua/ m3 de resina/ hora (el gasto debe ser igual al pase de la solución regenerante).
• El enjuague rápido debe hacerse entre 16 a 40 m3/m3 de resina/hora.
• Para la dilución de las soluciones regenerantes debe usarse agua tratada.
• Para el enjuague de las resinas aniónicas debe usarse agua tratada, en cambio para las resinas catiónicas puede usarse agua sin tratar (agua potable).
• Los retrolavados se realizan generalmente con agua sin tratar (agua potable).
• Cuando los retrolavados terminan con conductividad mayor de 9 uS/cm, se debe prolongar esta operación por 10 a 20 minutos.
• El consumo de hidróxido de sodio (soda caústica) debe estar entre 50-60 Kg de NaOH al 100%, por cada m3 de resina aniónica fuerte.
• Cuando el calcio es más del 50 % del total de cationes, y cuando se usa ácido sulfúrico en la regeneración de las resinas catiónicas, se forma sulfato de calcio que puede precipitar por estar en exceso al límite de solubilidad. Se evita la precipitación usando una primera etapa más diluida de ácido sulfúrico (menor de 15 gr/l: menor de 1.5 %) y/o una mayor velocidad de la solución regenerante.
• Durante la regeneración de resinas de intercambio iónico se deben realizar los siguientes controles:

1. Concentración de la solución de soda caústica a dosificar a las resinas aniónicas
2. Concentración de la solución de ácido, en cada paso de la dosificación a las resinas catiónicas.
3. Gasto total de ácido
4. Gasto total de soda usada para la regeneración
5. Control del punto final en las resinas catiónicas y aniónicas.

Fuente

• Artículo Datos (pdf). Disponible en "www.agualatinoamerica.com"
• Artículo Intercambio iónico (pdf). Disponible en "webdelprofesor.ula.ve"
• Artículo Intercambio. Disponible en "www.tecnociencia.es"
• Artículo Apuntes de intercambio iónico(pdf). Disponible en "www.iq.uva.es"
• Artículo Tipos de intercambio iónico. Disponible en "www.desmineralizadores.com"
• Artículo Prácticas (pdf). Disponible en "www.fcyt.umss.edu.bo"
• Artículo Intercambio iónico. Disponible en "www.monografias.com"
• Artículo Datos. Disponible en "www.excelwater.com"