RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

1. INTRODUCCIÓN

Con el avance de la ciencia y de la técnica es cada vez mayor el uso de agua desprovista de ciertos iones y muchas veces desprovista de todos los iones.

Una de las técnicas de eliminación de iones consiste en hacer pasar el agua a través de resinas de intercambio iónico.

Es frecuente encontrar instalaciones que usan resinas de intercambio iónico que no producen la calidad del agua requerida o la cantidad requerida, o ambas cosas a la vez, y esto puede deberse al desconocimiento de las propiedades de las resinas de intercambio iónico o a la falta de experiencia necesaria para manejar los imprevistos que pueden presentarse durante la operación de intercambiadores de iones. En muchas ocasiones se descartan prematuramente las resinas de intercambio iónico, en otras se sigue usando las resinas que ya cumplieron su vida útil y muchas veces se usan resinas que no son las adecuadas.

El intercambio iónico no está restringido al tratamiento de agua, sino que tiene un amplio campo de aplicación, tal como:

• Recuperación de uranio

• Decoloración y reducción de cenizas en soluciones de azúcar

• Recuperación y purificación de estreptomicina.

• Remoción del ácido fórmico del formaldehído

• Recuperación de metales de soluciones

• Desalinización de aguas salobres

• Eliminación de acidez de efluentes minero-metalúrgicos

Por su relevancia en el tratamiento de aguas de los diversos procesos industriales, con la información en el presente folleto se pretende dar una visión general de las resinas de intercambio iónico, su funcionamiento y contribuir a mejorar el conocimiento del personal operativo a cargo del sistema de intercambio iónico y de las condiciones de operación.

1. HISTORIA DE LAS RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

propiedades 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 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 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 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.

La siguiente tabla muestra las mejoras progresivas en la capacidad de los materiales de intercambio catiónico:

gr de CaCO3/ lt de resina

• Arena verde americana 6.90-9.15

• Arena verde australiana 11.45-12.60

• Silicato de aluminio-sodio (sintético) 18.30-27.50

• Carbón sulfonado 16.00-22.90

• Resina de base fenol-formaldehido 16.00-34.00

• Resina de base estireno 57.00-80.00

3. RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO

3.1 Definición

Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que de 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.

.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

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