Tecnociencia : Especial Resinas de Intercambio Iónico


	Diciembre 2001

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== 4. ¿COMO FUNCIONAN LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS?
······· 4.1. Reacción de intercambio iónico
······· 4.2. Parametros característicos de los intercambiadores iónicos
······· 4.3. ¿Cómo se trabaja con los intercambiadores iónicos? Técnicas generales

4. ¿COMO FUNCIONAN LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS?

Ion Exchange. Basic Concepts

Dowex Ion Exchange Resins Glossary Of Terms

Introduction To Industrial Ion Exchange, F.X. McGarvey,

Removal Of Harmful Metals From Metal Plating Waste Waters Using Selective Ion Exchangers . Heikki Leinonen. Ver Ion Exchangers And Their Use In Waster Water Treatment.

Ion Exchange Processes

:: 4.1. Reacción de intercambio iónico

Los intercambiadores iónicos son matrices sólidas que contienen sitios activos (también llamados grupos ionogénicos) con carga electroestática, positiva o negativa, neutralizada por un ion de carga opuesta (contraion). En estos sitios activos tiene lugar la reacción de intercambio iónico.
Esta reacción se puede ilustrar con la siguiente ecuación tomando como ejemplo el intercambio entre el ion sodio, Na+, que se encuentra en los sitios activos de la matriz R, y el ion calcio, Ca2+, presente en la disolución que contacta dicha matriz.

Ecuación de intercambio iónico

Una representación simplificada de lo que está sucediendo en los sitios activos de la resina se puede ver en esta figura.

Representación de la reacción de interacmbio iónico

A medida que la disolución pasa a través de la resina, los iones presentes en dicha disolución desplazan a los que estaban originariamente en los sitios activos. La eficiencia de este proceso depende de factores como la afinidad de la resina por un ion en particular, el pH de la disolución si el grupo activo tiene carácter ácido y básico, la concentración de iones o la temperatura.

Es obvio que para que tenga lugar el intercambio iónico, los iones deben moverse de la disolución a la resina y viceversa. Este movimiento se conoce como proceso de difusión. La difusión de un ion está en función de su dimensión, carga electroestática, la temperatura y también está influenciada por la estructura y tamaño de poro de la matriz. ). El proceso de difusión tiene lugar entre zonas de distinta concentración de iones, de más concentrado a menos, hasta que tengan la misma concentración..

Gráfico representativo del proceso de difusión

Más información sobre procesos de difusión
Boundary conditions and trajectories of diffusion processes , Mark F. Schumaker
Enhanced-diffusion chromatographic sorbens , Warren E. Schwarth, et al.
Synthetic Ion exchange resins. Soil and Environmental Studies ,Earl, O. Skogley, Akim Dobermann,

:: 4.2. Parametros característicos de los intercambiadores iónicos

Capacidad de intercambio: Se define como la cantidad de iones que una resina puede intercambiar en determinadas condiciones experimentales. Depende del tipo de grupo activo y del grado de entrecruzamiento de la matriz y se expresa en equivalentes por litro de resina, o por gramo. ( Un equivalente es el peso molecular en gramos del compuesto dividido por su carga electrica )

Capacidad específica teórica: Se denomina así al número máximo de sitios activos del intercambiador por gramo. Este valor suele ser mayor que la capacidad de intercambio, ya que no todos los sitios activos son accesibles a los iones en disolución.

Selectividad: Propiedad de los intercambiadores iónicos por la que un intercambiador muestra mayor afinidad por un ion que por otro. La selectividad de una resina por un ion determinado se mide con el coeficiente de selectividad, K

La selectividad depende de las interacciones electroestáticas que se establezcan entre el ion y el intercambiador y de la formación de enlaces con el grupo ionogénico. La regla principal es que un intercambiador preferirá aquellos iones con los que forme los enlaces más fuertes.

La estructura de poro y la elasticidad del intercambiador también influye en su selectividad, como ocurre con las zeolitas. Su estructura de poro rígida les permite actuar como tamizes moleculares, impidiendo la entrada de ciertos iones sencillamente por su tamaño.

Más información sobre la capacidad y la selectividad de los intercambiadores iónicos

Ion Exchange Capacity of a water softener

Predicting the operating capacity of strongly Basic Ion Exchange Resins >From Static Laboratory Tests M.C. Gottlieb

IONTOSORB - Bead Cellulose DerivativesSorption of Cadmium and Lead by Chelating Ion Exchangers Iontosorb OXIN, Iontosorb DETA and Iontosorb DTTA. En este documento se estudia la influencia del pH y de la fuerza iónica en la capacidad de los intercambiadores.

Some like it hot, some like it cold, water temperature affect both resin and system function ,Frank DeSilva, Bill Koevel

:: 4.3. ¿Cómo se trabaja con los intercambiadores iónicos? Técnicas generales

El tratamiento de una disolución con un intercambiador iónico se puede llevar a cabo mediante dos configuraciones distintas, en discontinuo o en columna.

4.3.1. Intercambio iónico en discontínuo

En las operaciones en discontinuo, se mezcla el intercambiador y la disolución en un recipiente hasta que el intercambio de iones alcanza el equilibrio.

Esta configuración no puede aplicarse para devolver el intercambiador a su forma iónica original, ya que el proceso de regeneración en discontinuo no es quimicamente eficiente. Es necesario recuperar el intercambiador por decantación y transferirlo a una columna para proceder a su regeneración.

Este método, a pesar de ser muy eficiente, tiene pocas aplicaciones industriales.

Aplicaciones en discontínuo de resinas de intercambio
Synthetic Ion exchange resins. Soil and Environmental Studies. , Earl, O. Skogley, Akim Dobermann

4.3.2. Intercambio iónico en columna

Esta configuración es la que se emplea más a menudo en los procesos de intercambio iónico. El intercambiador se coloca en el interior de una columna vertical, a través de la cual fluye la disolución a tratar.
El proceso global consta de varias etapas que a continuación describiremos brevemente.

4.3.2.1. Etapas del proceso de intercambio iónico en columna

Empaquetamiento de la columna: Consiste en introducir el intercambiador en el interior de la columna evitando la formación de bolsas de aire entre sus partículas para así obtener un lecho uniforme. Esta operación se realiza habitualmente lavando el intercambiador con agua destilada, que ademas resulta útil para eliminar posibles impurezas y para provocar el fenómeno de swelling. El swelling puede causar graves problemas si tiene lugar una vez el intercambiador se encuentra confinado en la columna y no se ha dejado espacio suficiente para alojarlo una vez ha incrementado su volumen.

Acondicionamiento del intercambiador: Muchas resinas comerciales se venden en una forma iónica que puede no ser la adecuada para el tratamiento que se desea realizar. Por ejemplo, una resina básica fuerte que tenga como contraion un grupo OH- y que, por necesidades del proceso, sea deseable tener un ion Cl-.
En la etapa de acondicionamiento se procede a cambiar el contraion de la resina poniendola en contacto con una disolución concentrada del ion que se desea tener. Una vez se ha conseguido este objetivo y la resina está en la forma ionica deseada, debe eliminarse el exceso de esta disolución lavando la resina con agua destilada.

Imagen del proceso de retención de cobre mediante una resina quelatante

Etapa de carga: En esta etapa tiene lugar el intercambio de iones entre la disolución a tratar y el intercambiador. La disolución a tratar se introduce en la columna y fluye gradualmente a través del intercambiador. Las condiciones de operación (velocidad de flujo, pH de la disolución etc) dependeran del tipo de intercambiador utilizado, y es importante optimizarlas para obtener un buen rendimiento en cuanto a capacidad y selectividad.

Cuando el intercambiador comienza a estar saturado con los iones de la disolución que entra, se observa un aumento de la concentración de dichos iones en la disolución que sale de la columna. Esta descarga de iones se conoce como breakthrough, e indica que el tratamiento de la disolución por el intercambiador ya no está siendo efectivo. Una vez la concentración de estos iones en la disolución de salida iguala a la de la concentración de entrada, el intercambiador ha agotado toda su capacidad de intercambio en las condiciones de operación.

Etapa de regeneración: La etapa de regeneración consiste en devolver el intercambiador saturado a su forma iónica inicial, empleando una disolución concentrada en el ion originariamente asociado al intercambiador (por ejemplo, un ácido mineral para una resina ácida fuerte). Esta etapa es importante en el proceso de intercambio iónico ya que el buen funcionamiento del intercambiador en sucesivos procesos de carga depende de una regeneración eficiente.

Para obtener el máximo rendimiento de esta etapa es importante optimizar parámetros como la concentración y volumen de disolución regenerante así como la velocidad de flujo.

Retención de cobre mediante una resina quelantante. Imagen cedida por el Grup de Tècniques de Separaciò en Química, GTS, del dept. de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).

La regeneración tiene dos inconvenientes importantes:

- El gasto económico en regenerante. Puede reducirse reutilizandolo hasta que pierda su eficiencia aunque esta opción tampoco es del todo económica ya que implica establecer unas condiciones para su almacenaje.
- La generación de residuos, ya que despues de regenerar el intercambiador se obtienen disoluciones altamente ácidas o básicas generalmente muy concentradas en metales que deben ser tratadas o eliminadas.

Más información sobre regenerantes:
Dowex Ion Exchange Resins. Properties, impurities and concentrations of Regenerant Chemicals

4.3.2.2 Modos de operación en el intercambio iónico en columna

En los procesos de intercambio iónico en columna se puede trabajar de dos modos:

1. Las disoluciones de carga y de regeneración se introducen siempre por la parte superior de la columna.

2. El regenerante se introduce en dirección opuesta a la disolución de carga, es decir, por la parte inferior de la columna. Este proceso de denomina, proceso en contracorriente

Gráfico del intercambio iónico en columnaen contracorriente

El procedimiento más habitual es el primero, ya que supone un equipamiento más barato que el segundo. No obstante, este modo de operación utiliza el regenerante menos eficientemente que el proceso en contracorriente. En éste, al pasar el regenerante de abajo a arriba, se fluidiza el lecho de intercambiador, de manera que se aumenta la superficie de contacto, la regeneración es más rápida y se necesita menos volumen de regenerante.

Más información sobre los procesos en columna

Operating methods

Continuous Ion Exchange

::BIBLIOGRAFÍA

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13. Ion-exchange separation of alkali and alkaline earth ions in concentrated solutions based on temperature changes
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14. Clean ion-exchange technologies. 3. Temperature-enhanced conversion of potassium chloride and lime milk into potassium hydroxide on a carboxylic ion exchanger
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