Especiales Tecnociencia  
Diciembre 2001
Resinas de intercambio iónico Ir a introduccion Ir a clasificación Ir a funcionamiento
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Introducción

== 1. ¿QUÉ ES EL INTERCAMBIO IÓNICO?
== 2. BREVE HISTORIA DEL INTERCAMBIO IÓNICO

Epígrafe 1. ¿QUÉ ES EL INTERCAMBIO IÓNICO?

El intercambio iónico es una reacción química reversible, que tiene lugar cuando un ion de una disolución se intercambia por otro ion de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica como en las células vivas.

Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separandose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para los usos habituales del agua. Además, el creciente interés por el medio ambiente, impone establecer tratamientos eficaces que eviten el deterioro de la calidad de las aguas, especialmente por el vertido de efluentes industriales altamente contaminados. Entre todos los tratamientos posibles, el intercambio iónico es una opción a considerar.

Por su relevancia en el tratamiento de aguas y diversos procesos industriales, en este dossier se pretende dar una visión general de los intercambiadores iónicos, su funcionamiento y sus principales aplicaciones.
Para saber más:

Introducción a la edafología. Propiedades físico-químicas

Clay Minerals

Soil fertility and fertilizers use

Neurotransmisión
Epígrafe  2. BREVE HISTORIA DEL INTERCAMBIO IÓNICO

Documento elaborado a partir de
Getting down to basics. Ion chomatography and Ion Exchange Chromatography. Randall C.Willis
Basic Ion exchange for residential water treatment. Section I. Michael Kellerf

La ciencia de intercambiar un ion por otro empleando una matriz es una metodología antigua. Ya en la Biblia, Moises emplea la corteza de un arbol para obtener agua potable a partir de agua saloble (Exodo 15,23-25) y Aristóteles menciona que haciendo pasar agua de mar a través de un recipiente de cera se obtiene agua dulce (Meteorologia, 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 sulfato o nitrato amónico a traves de diversas muestras de arcilla procedente de suelos agrícolas, observando que el filtrado obtenido contenía iones calcio en lugar de iones amonio. Esta afinidad de algunos suelos por el ion 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 y 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 intercambiadora, y ya en 1927 se empleo la primera columna de zeolita mineral para eliminar iones calcio y magnesio que interferían en la determinación del contenido en sulfato del agua.

En 1905, Gans modificó minerales naturales denominándolos permutitas, silicatos de sodio y aluminio sintéticos, que 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 abandonaron debido a sus limitaciones hasta 1950 que volvieron a utilizarse.

Una etapa intermedia en la evolución del intercambio iónico fue el reconocimiento de las propiedades intercambiadores de varios materiales orgánicos, como el carbon sulfonado. 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 de aluminio.

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 Holmes del Departamento de Investigación Científica e Industrial (Reino Unido). Desarrollaron polímeros orgánicos que imitaban a las zeolitas mediante la reacción de condensación entre el fenol y 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 química.

A finales de la II Guerra Mundial, se desarrollaron 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, que 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, McBurney 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 intercambiadora, supuso una tremenda expansión en los procesos de intercambio iónico. De hecho, la mayoria de las resinas que se emplean actualmente tienen como matriz este copolímero.

Fórmula de síntesis de copolímero estireno-divinilbenceno
Síntesis del copolímero estireno-divinilbenceno


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 quelatantes.

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

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Referencias


H.S. Thompson, J.Royal Agricuilt.Soc. Engl, 11, 68, 1850

Way, T.T., J.Royal AGricult. Soc. Engl. 11, 313 (1850), Id. (1879), Ibid, 13, 123 (1852), Ibid., 15, 491 (1855))

Henneberg, W., Stohmann, F., Ann.Chem Pharm, 107, 152 (1858)

Eichhorn, H. Poggendorff Ann. Phys. Chem. Pharm.,105, 126 (1858)

Lemberg, F., Z.dtsch.geol.Ges., 22, 355 (1870)

Adams, B.A. and Holmes, E.L., J.Chem. Ind., 54, 1, (1938)

D'Alelio, G.F. US Pat. 2 366 007 (1944)

History of the origin and development of macroporous ion-exchange resins Abrams, Irving M.; Millar, John R.; Reactive and Functional Polymers , v 35, n 1-2, Dec, 1997,p 7-22

ION EXCHANGE: PAST, PRESENT, AND FUTURE. Helfferich, Friedrich G.; NATO ASI Series, Series E: Applied Sciences, Ion Exchange: Science and Technology., 1986, p 23-32

Imagen de intercambio iónico en columna

Intercambio iónico en columna
Imagen cedida por el Grup de Tècniques de Separaciò en Química, GTS, del dept. de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).