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11 nov. 2012

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El intercambio iónico, principios básicos

Introducción

A Brita jugEl intercambio iónico es una tecnología poderosa, aunque poco conocida por el hombre de la calle. La página presente trata de explicar en términos sencillos el intercambio iónico para los que tienen solo un conocimiento superficial de química.

Cuando mis amigos me preguntan cual es mi profesión, contesto: "Intercambio iónico". Pocos saben lo que es. No obstante, en la Europa occidental, la mayoría de los hogares tienen por lo menos un aparato con resinas intercambiadoras de iones. Entonces pregunto: "¿Porqué pones sal en el lavaplatos?" Muchos no tienen la respuesta correcta. Si está en esta categoría, lo descubrirá aquí.

Agua

H2OEl agua es, aparentemente, cosa sencilla: es un líquido compuesto de moléculas de agua (fórmula H2O). No obstante, sabe que esta simplificación no vale, y que la realidad es más compleja. Si no, ¿porqué cree que los vendedores de agua embotellada hablan tanto de los beneficios de su mineralización?

Todas las aguas naturales contienen sustancias extrañas en pequeñas cantidades. El agua del río, del pozo, del grifo en su casa, no es solo H2O, sino contiene:

Los compuestos solubles no ionizados existen en el agua en la forma de moléculas de tamaño y de fórmula variables, por ejemplo:

Si desea eliminar del agua estas sustancias extrañas, lo puede hacer con intercambio iónico, siempre que sean ionizadas.

Iones

Las sustancias solubles ionizadas disueltas en agua están presente como iones, que son átomos o moléculas llevando cargas eléctricas. Los iones con carga positiva se llaman cationes, los con carga negativa aniones. Puesto que el agua es globalmente neutral eléctricamente — si no lo fuese, sufriríamos un choque eléctrico cuando sumergimos nuestra mano en el agua — el número de cargas positivas y negativas debe ser exactamente igual.

Los iones pueden llevar una carga o más, generalmente entre 1 y 3. Los iones pueden ser un átomo solo (iones monoatómicos) o una combinación de varios átomos juntos (poliatómicos), como moléculas.

Ejemplos:

Los iones no están fijos: se mueven en el agua, y no están atados a iones de carga opuesta. Sin embargo, la suma de las cargas de los cationes y de los aniones es idéntica. La figura 1 representa esquemáticamente iones en agua.

Ions in water

Figura 1: Los iones no están atados en agua. La suma de las cargas es constante.

Las sales son sustancias cristalizadas (en su estado seco) que contienen una proporción fija de cationes y aniones. Por ejemplo, la sal común tiene exactamente el mismo número de cationes sodio (Na+) y de aniones cloruro (Cl). Su fórmula es NaCl. Cuando disolvemos sal en agua, sus cationes y aniones se mueven libres como en la figura 1.

En agua, los iones son débilmente asociados a moléculas de agua. Se dice que están hidratados. Los cationes son atraídos por el átomo de oxígeno O, y los aniones por los átomos del hidrógeno H de la molécula de agua H2O, como se ve en la figura 2.

Sustancia ionizada disuelta en agua
Ions in solution

Figura 2: Iones hidratados, aquí Na+ en rojo y Cl en azul (sal común NaCl)

El sulfato de magnesio es una sal con exactamente el mismo número de cationes magnesio (con carga doble: Mg++ y de aniones sulfato (también con carga doble SO4=. La fórmula de esta sal es entonces MgSO4.

El cloruro de calcio tiene iones de calcio (con dos cargas Ca++), y iones de cloruro (con solo una carga, Cl). Necesitamos entonces 2 aniones de cloruro para equilibrar cada catión de calcio. La fórmula del cloruro de calcio es luego CaCl2.

De manera similar, el carbonato de sodio tiene cationes sodio Na+ y aniones carbonato CO3=, y necesitamos dos iones sodio para cada carbonato, lo que produce la fórmula Na2CO3.

Cuando hierve agua, si la dejamos evaporar completamente, queda un residuo seco, que contiene sales y tal vez otras sustancias como sílice o materias orgánicas. Solo agua de mar dejará una masa significativa de residuo seco, de 30 a 40 gramos por litro de agua. En agua de río o de grifo, este residuo es muy pequeño, con valores de 50 a 500 mg/L. Se trata de sólidos disueltos totales (TDS en inglés).

Estas sustancias se pueden eliminar del agua por intercambio iónico si son solubles y ionizadas. Véase detalles en el análisis de agua y las unidades de concentración usadas en intercambio iónico.

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El intercambio iónico

Impurezas en el agua
Como lo vimos antes, el agua contiene pequeñas cantidades de materias extrañas. En muchos casos, estas materias no producen ningún problema. Es mejor beber agua con una cierta salinidad y no agua ultra-pura (desmineralizada). No obstante, estas sustancias son consideradas como impurezas en ciertas aplicaciones y deben ser eliminadas.

Materias insolubles (arena etc.) se pueden separar por filtración. Existen varias tecnologías de filtración, hasta la ultrafiltración que puede eliminar partículas de menos de una micra. Materias solubles, por el otro lado, necesitan otras técnicas.

Les sustancias solubles ionizadas se pueden eliminar por intercambio iónico.

Resinas intercambiadoras de iones
Son perlas de plástico minúsculas, con in diámetro de aproximadamente 0,6 mm. Estas bolitas son porosas y contienen agua, que es invisible y no se puede quitar. Esta proporción de agua se expresa como "retención de humedad". La estructura de la resina es un polímero (como todos los plásticos) en lo cual un ion fijo ha sido inmovilizado de manera permanente. Este ion no se puede quitar o reemplazar: pertenece a la estructura de la resina. Para mantener la neutralidad eléctrica de la resina, cada uno de estos iones fijos está neutralizado por un contra-ion de carga opuesta. Este es móvil y puede entrar o salir de la resina. La figura 3 representa esquemáticamente perlas de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones. Las líneas oscuras representan el esqueleto polimérico de la resina: es poroso y contiene agua. Los iones fijos de la resina intercambiadora de cationes son sulfonatos (SO3) atados al esqueleto. En esta imagen, los iones móviles son cationes sodio (Na+). las resinas intercambiadoras de cationes, por ejemplo la Amberlite 1000, son muchas veces suministradas en la forma sodio.

Schematic resin beads

Figura 3: Representación esquemática de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones.

La perla de resina intercambiadora de aniones tiene un esqueleto semejante. Los grupos activos son aquí amonio cuaternario, es decir cationes, representados por la fórmula N+R3; una fórmula más precisa sería CH2-N+-(CH3)3. Los iones móviles de la resina intercambiadora de aniones son aquí iones cloruro (Cl). la forma cloruro es la forma de suministro de muchas resinas intercambiadoras de aniones. Cada ion entrando en la resina produce la salida de otro ion de misma carga para mantener la neutralidad eléctrica. Eso es lo que se llama intercambio iónico. Solo iones de la misma carga se pueden cambiar. No es posible fabricar una resina que pueda intercambiar simultáneamente cationes y aniones, porque los cationes fijos dentro de la resina neutralizarían los aniones fijos, y ningún intercambio sería posible. Luego se deben producir resinas intercambiadoras de aniones y resinas intercambiadoras de cationes separadas.

Véase detalles sobre la estructura de las resinas en una página en inglés.

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Ablandamiento de agua

Entre las sustancias disueltas en el agua se encuentra la dureza. Esta es una expresión común que representa principalmente las sales de calcio y de magnesio. En ciertas condiciones, estas sales pueden precipitar y formar depósitos (sarro), que se ven en la hervidora de su cocina, y también pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en calderas. El ablandamiento de agua es la eliminación de esta dureza: los iones Ca++ y Mg++ que forman el sarro se intercambian por iones Na+ que son mucho más solubles y no precipitan.

Para ablandar agua se toma una resina intercambiadora de cationes en la cual los iones móviles dentro de la resina son sodio (Na+) y se pasa el agua a través de una columna llenada con esta resina en forma sodio. Los iones de dureza Ca++ et Mg++ entran en las perlas de resina, y cada uno de estos iones produce la salida de dos iones de sodio. La reacción de intercambio se puede escribir:

2 RNa + Ca++ ---> R2Ca + 2 Na+

La figura 4 ilustra esta reacción: las perlas de resina son inicialmente cargadas con iones de sodio (Na+). Cada ion de calcio o de magnesio que penetra en la resina es reemplazado por dos iones que salen. Los aniones del agua — no representados en esta figura — no pueden entrar en la resina, porque serían rechazados por los aniones sulfonato fijos (SO3) que forman los grupos activos de la resina.

Softening in one bead
Figura 4: Ablandamiento (intercambio de sodio) en una resina

Este intercambio de cationes es eficaz porque la resina intercambiadora tiene una afinidad más grande para los cationes de dureza que para el sodio. En términos sencillos, la resina prefiere el calcio. El resultado del ablandamiento no es una eliminación neta de los cationes "duros" del agua, sino una sustitución por iones de sodio.

Evidentemente, este intercambio no es ilimitado: después de un cierto tiempo, la resina ha quitado tantos cationes de calcio y magnesio del agua que no queda espacio para acoger otros. El período de agotamiento está terminado, y hay que cambiar la cantidad de resina agotada por una resina fresca, o regenerarla (véase abajo).

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Desmineralización

Si cambiamos todos los cationes disueltos en el agua por iones H+ y todos los aniones por iones OH, esos se van a recombinar para producir nuevas moléculas de agua. Para conseguir esto, necesitamos una resina intercambiadora de cationes en la forma H y una resina intercambiadora de aniones en la forma OH. Todos los cationes y aniones del agua se intercambian y el resultado neto es una desaparición completa de las impurezas ionizadas. La reacción del intercambio de cationes es:

2 R'H + Ca++ ---> R2Ca + 2 H+

R'H + Na+ ---> R'Na + H+

En estas ecuaciones, R' representa la resina intercambiadora de cationes. El intercambio es ilustrado en la figura 5. La resina es inicialmente en la forma hidrógeno (H+). Los aniones no aparecen en esta ilustración. Se ve que un ion calcio Ca++ entrando en la resina causa la salida de dos iones H+, mientras un ion Na+ se intercambia por un ion H+.

H exchange in one bead
Figura 5: Descationización (todos los cationes reemplazados por H+).

De modo parecido, una resina en forma OH puede eliminar todos los aniones:

R’’OH + Cl ---> R’’Cl + OH

2 R’’OH + SO4= ---> R’’2SO4 + 2 OH

En las ecuaciones, R’’ representa la resina intercambiadora de aniones. Todos los aniones son reemplazados por iones hidróxido (OH). No hay aquí ilustración de este intercambio aniónico, porque es exactamente similar al intercambio de cationes ilustrado en la figura 5.

Al final del proceso de intercambio, las perlas de resina han eliminado todos los cationes y aniones presentes en el agua y liberado una cantidad equivalente de iones H+ y OH. Las resinas son casi completamente agotadas (fig. 6).

Estos iones H+ y OH se recombinan instantáneamente y producen nuevas moléculas de agua:

H+ + OH ---> HOH ---> H2O

Los contaminantes ionizados están ahora en las dos resinas (Na, Ca y Mg en el intercambiador de cationes, Cl, SO4 y HCO3 en el intercambiador de aniones), y el agua ha sido completamente desmineralizada. Su salinidad es ahora casi nada, solo unos iones escapados de las columnas de resina, que llamamos globalmente fuga iónica.

Exhausted cation and anion beads
Figura 6: Las resinas son agotadas.
Iones H+ y OH fueron liberados en el agua.

La desmineralización se puede entonces esquematizar en la ilustración siguiente:

Demineralisation
Figura 7: ¡La desmineralización en una sola imagen!

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Regeneración

Una vez agotadas las resinas, se pueden regenerar a su forma inicial para reanudar la operación de intercambio. Así, el intercambio iónico es un proceso cíclico y no continuo. La regeneración de las resinas se hace según reacciones inversas de las presentadas en los párrafos anteriores.

Regeneración de un ablandador

La regeneración de una resina ablandadora se hace con iones sodio (Na+) suministradas por una solución de cloruro de sodio (sal común NaCl). la reacción de regeneración es:

R2Ca + 2 NaCl ---> 2 RNa + CaCl2

A Siemens dishwasherLa regeneración es eficaz solo cuando la concentración del regenerante es alta, típicamente 1000 veces la concentración en agua normal. Por ejemplo, la sal de regeneración de un ablandador se utiliza en una salmuera con una concentración de 10 % (un poco más de 100 g/L) .

Ahora sabe porqué pone sal en su lavaplatos: esta sal diluida en agua regenera el cartucho de resina ubicada en el fondo de la máquina, fuera de vista.

Regeneración de una planta de desmineralización

Ácidos fuertes, por ejemplo el ácido clorhídrico (HCl) o el ácido sulfúrico (H2SO4) son totalmente disociados en solución y pueden proporcionar los iones H+ necesarios para reemplazar los iones cargados durante la fase de agotamiento de la resina que ahora ocupan los sitios activos:

R’Na + HCl ---> R’H + NaCl

De manera similar, bases fuertes — en práctica se emplea siempre sosa cáustica NaOH — pueden proporcionar los iones OH para reemplazar los aniones eliminados por la resina:

R’’Cl + NaOH ---> R’’OH + NaCl

Se puede ver en estas reacciones que la regeneración produce vertidos salinos. Eso es la principal desventaja del intercambio iónico.

Véase otra página sobre los procesos de regeneración en co- y contra-corriente.

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¿A qué se parece una resina?

Haga clic en las imágenes

Imac C16P sample
Muestra de AmberliteTM FPC23
Amberjet MB
AmberjetTM para lechos mixtos
Amberjet 4400
AmberjetTM 4400

Más fotos de resinas bajo el microscopio están en otra página.

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Funcionamiento en columnas

Column operationTanto en el laboratorio como en plantas industriales, las resinas funcionan en columnas. El agua o la solución de tratar pasa a través de la resina. En la imagen de derecha se ve la resina fresca, y luego cargada poco a poco con los iones de la solución de tratar. Iones cargados inicialmente en la resina — no visibles aquí — migran el la solución tratada. Al final de la operación, algunos de estos iones "oscuros" escapan en la solución tratada (aparición de la fuga, o fin del ciclo) y se para la fase de agotamiento.

Las imágenes siguientes ilustran una columna de laboratorio, una columna industrial simplificada, y una planta industrial de tipo AmberpackTM.

Laboratory column Industrial column A real industrial plant
En el laboratorio Columna industrial Columna de tipo AmberpackTM

La jarra del principio de esta página contiene un filtro llenado de carbón activo y de resina intercambiadora de iones. El volumen de resina es aproximadamente 150 ml. Para comparar, una columna industrial grande puede tener 20'000 L de resina, a veces más.

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Capacidad de intercambio

Capacidad total
El número de grupos activos corresponde a la capacidad total de una resina. Puesto que hay millones de millones de grupos en una sola perla de resina, la capacidad total volúmica se expresa en equivalentes por litro de resina. Un equivalente representa 6,02×1023 grupos activos. Sin embargo, no hay que acordarse de este número, llamado número de Avogadro.

Una resina intercambiadora de cationes fuertemente ácida típica tiene una capacidad total de 1,8 a 2,2 eq/L
Una resina intercambiadora de cationes débilmente ácida típica tiene una capacidad total de 3,7 a 4,5 eq/L
Una resina intercambiadora de aniones débil o fuerte típica tiene una capacidad total de 1,1 a 1,4 eq/L

Capacidad útil
En la ilustración del funcionamiento en columna del párrafo anterior, la resina es totalmente regenerada al principio del ciclo, pero no totalmente agotada al final de la fase de producción. La definición de la capacidad útil, o capacidad operativa, es la diferencia entre los sitios regenerados al principio y al final del período de producción. Se expresa también en equivalentes por litro.

En operación normal, la capacidad útil de la resina es aproximadamente la mitad de la capacidad total. Los valores normales son de 40 a 70 % de la capacidad total, en función de las condiciones de operación. Véase otros detalles en una página separada.

OeilLo importante en el intercambio iónico es el número de los iones y su carga, y no su masa. Entonces todos los análisis de agua deben ser presentados convirtiendo las masas (concentraciones en mg/L) en equivalentes (meq/L).

¿Porqué está expresada la cantidad de resina en volumen y no en peso?
para el diseõ de una columna de intercambio iónico, lo importante es el volumen de resina y no su masa. Las resinas tienen distintos valores de densidad (véase la página en inglés sobre las propiedades de las resinas), así que estas se venden por unidad de volumen, en litros o metros cúbicos, o en piés cúbicos en los EEUU. Muchas de las propiedades de las resinas se expresan también por volumen.

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Calidad del agua tratada

En una desmineralización típica regenerada en contra-corriente, la calidad del agua tratada expresada en conductividad es 1 µS/cm o menos. Considerando que el agua de río o de pozo tiene una conductividad entre 100 y más de 1000 µS/cm, la eficacia del intercambio iónico es varia entre 99 y más de 99,9 %, mucho más alta que los otros procesos que son ósmosis inversa o destilación.

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Límites del intercambio iónico

Para ser eficaz, el intercambio iónico necesita una diferencia de afinidad entre los iones en solución y el ion inicialmente en la resina.

El intercambio iónico es una técnica perfecta para eliminar o sustituir contaminantes de baja concentración en el líquido de tratar. En tal caso, la duración del ciclo es larga, entre unas horas y varias semanas o meses. Por el contrario, si la concentración es alta, digamos varios gramos por litro de agua o de solución, el ciclo llega a ser muy corto y la cantidad de regenerante aumenta hasta valores intolerables. Para el tratamiento de aguas salobres (las aguas de pozo en ciertas regiones áridas) o de agua de mar, el intercambio iónico no es una técnica viable y otras tecnologías — ósmosis inversa o destilación — son más apropiadas.

Además, contaminantes no ionizados no se pueden eliminar por intercambio iónico. Las tecnologías adecuadas emplean carbón activo, adsorbentes sintéticos, tamices moleculares y otros medios filtrantes. Ciertos tipos de filtración con membranas, tal como la ultrafiltración y la nanofiltración, pueden también constituir soluciones buenas.

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Intercambio selectivo

Gracias a la diferencia de afinidad entre varios iones, las resinas intercambiadoras de iones pueden servir para la eliminación selectiva de varios iones. Uno de los ejemplos más comunes es el ablandamiento descrito arriba. No se puede ablandar agua con la ósmosis inversa — es decir eliminar solo los iones de dureza Ca++ y Mg++ — ; la OI solo puede producir una desmineralización parcial y tiene baja tolerancia para iones divalentes que puedan precipitar. Por su lado, el intercambio iónico permite eliminar dureza con una resina en forma Na+. De manera semejante, se puede eliminar nitratos y sulfatos, por lo menos en parte, con una resina intercambiadora de aniones en forma cloruro. Eso funciona porque la resina tiene más afinidad — o una selectividad más alta — para los iones nitrato o sulfato que para el cloruro. La orden de afinidad es:

SO4= > NO3 > Cl > HCO3 > OH > F

Así, no hay manera práctica — con ningún proceso — para eliminar únicamente los iones cloruro del agua sin tocar los otros aniones.

Para resinas intercambiadoras de cationes usadas en ablandamiento, la orden es:

Pb++ > Ca++ > Mg++ > Na+ > H+

El plomo (Pb) está en la lista para ilustrar que trazas de plomo disuelto se eliminan en un ablandamiento, y varios otros metales pesantes también (pero no todos). Véase las tablas de selectividad para resinas intercambiadoras de cationes y de aniones.

Es a veces difícil eliminar ciertos contaminantes con resinas clásicas, debido a la "competencia" con otros iones inofensivos. En muchos casos, resinas específicas fueron creadas, y son disponibles para la eliminación de:

y algunos otros contaminantes.
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Fuera del tratamiento de agua

Hay un gran número de aplicaciones en otros campos. He aquí unos ejemplos:

Véase una larga página en español sobre todas estas y otras aplicaciones.
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Conclusión

Resin beadsEl intercambio iónico es una técnica poderosa para la eliminación de impurezas en el agua y varias soluciones. Muchas industrias dependen del intercambio iónico para producir agua de pureza extrema:

Se encuentran también muchas aplicaciones en otros campos, como lo indicamos en el párrafo anterior.

Véase el site map con varias páginas detalladas en aplicaciones, procesos de operación, propriedades de las resinas, y otros temas del intercambio iónico.


Amberjet, Amberlite y Amberpack son marcas de Rohm and Haas, una filial de the Dow Chemical Company.

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© François de Dardel
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