El intercambio iónico, principios básicos

Introducción

El 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 de ellos no conocen la respuesta correcta. Si está en esta categoría, lo descubrirá aquí.

Agua

El agua es, aparentemente, cosa sencilla: es un líquido compuesto de moléculas de agua (fórmula H₂O). No obstante, 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:

• Sustancias sólidas insolubles, como arena o fragmentos vegetales. En principio se pueden filtrar.
• Compuestos solubles, que generalmente no se ven y no se pueden filtrar. Estos compuestos tienen un origen mineral u orgánico, pueden ser ionizados (cargados eléctricamente) o no.

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

• El gas carbónico (las burbujas de su agua con gas) es una molécula pequeña con una fórmula sencilla: CO₂.
• El azúcar (sacarosa) es una molécula más grande con fórmula compleja abreviada como C₁₂H₂₂O₁₁. ¿Desea la fórmula completa en tres dimensiones? Debe decirse, sin embargo, que los azúcares no se fijan en resinas intercambiadoras de iones.

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 presentes como iones, que son átomos o moléculas que llevan cargas eléctricas. Los iones con carga positiva se llaman cationes, los que llevan 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, y pueden ser un átomo solo (iones monoatómicos) o una combinación de varios átomos juntos (poliatómicos), como moléculas.

Ejemplos:

• Un catión monovalente monoatómico: el ion sodio Na⁺
• Un catión divalente de un monoatómico: el ion calcio Ca⁺⁺
• Un catión monovalente poliatómico: el ion amonio NH₄⁺
• Un anión monovalente monoatómico: el ion cloruro Cl^–
• Un anión monovalente poliatómico: el ion nitrato NO₃^–
• Un anión divalente poliatómico: el ion carbonato CO₃⁼
• Un anión divalente poliatómico complejo: el ion cromato CrO₄⁼
• El catión trivalente monoatómico aluminio Al⁺⁺⁺ no existe sino en soluciones muy ácidas, no en agua "normal".
• No hay aniones di o trivalentes monoatómicos en agua normal.

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.

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

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 de sodio Na⁺ y aniones de carbonato CO₃⁼, y necesitamos dos iones sodio para cada carbonato, lo que produce la fórmula Na₂CO₃.

Cuando se 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 el agua de mar dejará una masa significativa de residuo seco, de 30 a 40 gramos por litro. En el 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. Lo importante aquí no es la masa (g) ni la molaridad (mol) sino la masa equivalente:

1 eq = 1 mol / valencia

Un mol de sodio (Na⁺) contiene 23 g deel metal. Puesto que el sodio es monovalente, une quivalente de Na⁺ corresponde también a 23 g. Pero un mol de níckel (Ni⁺⁺) contiene 58.7 g del metal, y un equivalente de Ni⁺⁺ solo 29.35 g.

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.

Las 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 el 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, como se dijo, 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.

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

La perla de resina intercambiadora de aniones tiene una estructura 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 que entra en la resina produce la salida de otro ion de la 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. Es por eso que 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.

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 el hervidor eléctrico de su cocina, y también pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en las 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 se 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. Los iones de dureza Ca⁺⁺ y 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 de la manera siguiente:

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.

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. Entonces, su período de agotamiento está terminado, y hay que cambiar la cantidad de resina agotada por una resina fresca, o regenerarla (véase abajo).

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. Este 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⁺.

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 estarán 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 nula, solo unos iones escapados de las columnas de resina, que llamamos convencionalmente fuga iónica.

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:

Figura 7: ¡La desmineralización en una sola imagen!

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 de sodio (Na⁺) suministrados por una solución de cloruro de sodio (sal común NaCl). La reacción de regeneración es:

R₂Ca + 2 NaCl 2 RNa + CaCl₂

La regeneración es eficaz solo cuando la concentración del regenerante es alta, típicamente 1000 veces la concentración en agua normal para inversar la reacción de intercambio "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 la 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. Esta es la principal desventaja del intercambio iónico.

Véase la descripción de un ciclo completo, y también los procesos de regeneración en co- y contra-corriente.

¿A qué se parece una resina?

Haga clic en las imágenes

Muestra de AmberliteTM FPC23

AmberjetTM para lechos mixtos

AmberjetTM 4400

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

Funcionamiento en columnas

Tanto en el laboratorio como en plantas industriales, las resinas funcionan en columnas. El agua o la solución a tratar pasa a través de la resina. En la imagen de la 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 Amberpack^TM.

En el laboratorio	Columna industrial	Columna de tipo AmberpackTM

La jarra del principio de esta página contiene un filtro 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.

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. Véanse otros detalles en una página por separado.

¿Por qué está expresada la cantidad de resina en volumen y no en peso?
Para el diseño 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.

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 varía entre 99 y más de 99,9 %, mucho más alta que los otros procesos que son ósmosis inversa o destilación.

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 a 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 que llegan a ser 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; 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 buenas soluciones.

Intercambio selectivo

Gracias a la diferencia de afinidad entre varios iones, las resinas intercambiadoras de iones pueden servir para su eliminación selectiva. 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 se puedan precipitar. Por su lado, el intercambio iónico permite eliminar dureza con una resina en forma Na⁺. De manera semejante, se pueden 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 existe una 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 sus trazas disueltas se eliminan en un ablandamiento, y varios otros metales pesantes también (pero no todos). Véanse 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 están disponibles para la eliminación de:

• Boro
• Nitrato
• Perclorato
• Níquel
• Cromato
• Uranio

y algunos otros contaminantes.

Fuera del tratamiento de agua

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

• Ablandamiento de jugos de azúcar antes de la evaporación
• Eliminación de color en jarabes de azúcar de caña
• Separación cromatográfica de glucosa y fructosa
• Desmineralización de suero de leche, de glucosa y varios otros productos de la industria alimenticia
• Recuperación de polifenoles usados en varios alimentos industriales
• Recuperación de uranio en minas
• Recuperación de oro en talleres de electroplastia
• Separación de metales en solución
• Catálisis de aditivos de gasolina
• Extracción de antibióticos y otras sustancias de caldos de fermentación
• Purificación de ácidos orgánicos
• Resinas en polvo utilizadas en formulaciones farmacéuticas

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

Conclusión

El 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:

• Centrales eléctricas nucleares y térmicas
• Semiconductores, chips electrónicos, pantallas de ordenadores
• Eliminación selectiva de contaminantes en el agua potable

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

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

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