Intercambio iónico

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Intercambiador de iones
Gránulos de resina intercambiadora de iones.

El intercambio iónico es un intercambio de iones entre dos electrolitos o entre una disolución de electrolitos y un complejo. En la mayoría de los casos se utiliza el término para referirse a procesos de purificación, separación, y descontaminación de disoluciones que contienen dichos iones, empleando para ello sólidos poliméricos o minerales dentro de dispositivos llamados intercambiadores de iones.

Los intercambiadores de iones suelen contener resinas de intercambio iónico (porosas o en forma de gel), zeolitas, montmorillonita, arcilla y humus del suelo. Los intercambiadores de iones pueden ser intercambiadores de cationes, que intercambian iones cargados positivamente (cationes), o intercambiadores de aniones que intercambian iones con carga negativa (aniones). También hay cambiadores anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones al mismo tiempo. Sin embargo, el intercambio simultáneo de cationes y aniones puede ser más eficiente si se realiza en dispositivos mixtos que contienen una mezcla de resinas de intercambio de aniones y cationes, o pasar la solución tratada a través de diferentes materiales de intercambio iónico.

Los intercambiadores de iones puede ser selectivos o trabajar preferentemente con ciertos iones o clases de iones, en función de su estructura química.[1] Esto puede depender del tamaño de los iones, su carga o su estructura. Algunos ejemplos típicos de iones que se pueden unir a los intercambiadores de iones son los siguientes:

EJEMPLO: Un intercambiador SBA (de base fuerte) se utiliza para eliminar nitratos del agua de un pozo que contiene, además de NO3, cloruros. Normalmente el agua tiene sulfatos y bicarbonatos, pero los ignoramos en este ejercicio. La capacidad total de la resina es 1.5 eq/l. Encuentra el máximo volumen de agua que puede ser tratado por litro de resina. La composición del agua en meq/l es, Ca2+ Mg2+ Na+ = 1.4 = 0.8

=2.6                                               Cl-    

SO42- NO3- = 3.0 = 0.0 = 1.8

Total; Cationes = 4.8 Aniones = 4.8


DATO – el coeficiente de selectividad del nitrato sobre el cloruro para la resinas SBA KCl-NO3 = 4. Solución Paso 1 – Encuentra la fracción equivalente de NO3 - en la fase acuosa

X (NO-3)= 1.8/4.8= 0.38

Paso 2 – Busca el coeficiente de selectividad en tablas (aquí nos lo dan como dato del problema)

KCl-NO3 = 4.

Paso 3 – Encuentra la fracción de NO3- en el intercambiador iónico, que se encuentra en equilibrio con la solución acuosa


Si sustituimos en esta ecuación, el resultado del paso 1, tenemos que


Paso 4 – Una vez en equilibrio el intercambiador iónico tendrá un 71% de iones NO3, esto es el 71% de la capacidad de intercambio estará ocupada por iones NO3. Como conocemos la capacidad de intercambio (en eq/l), podemos calcular los equivalentes por litro de NO3 en la resina (o intercambiador iónico), M, que serán

Un litro de resina puede, pues, acoger 1065 meq de NO3. Paso 5 –Encuentra el volumen de agua que puede ser tratada, i.e. en cuantos litros de agua hay esta cantidad de equivalentes de mili-equivalentes de NO3, que secuestra un litro de resina.



El intercambio iónico es un proceso reversible y el intercambiador de iones se puede regenerar o cargarlo de nuevo con los iones deseables mediante el lavado con un exceso de estos iones.

Aplicaciones[editar]

Columna intercambiadora de iones, empleada para purificación de proteinas.

El intercambio iónico se utiliza ampliamente en las industrias de alimentos y bebidas, hidrometalúrgica, acabado de metales, química y petroquímica, farmacéutica, azúcar y edulcorantes, agua subterránea y potable, nuclear, ablandamiento industrial del agua, semiconductores, energía, y otras muchas industrias.

Un ejemplo típico de aplicación es la preparación de agua de alta pureza para las industrias energética, electrónica y nuclear. Los intercambiadores de iones polímericos o minerales son ampliamente utilizados para ablandamiento del agua, purificación de agua,[2] descontaminación, etc

El intercambio iónico es un método ampliamente utilizado también en el hogar como en los detergentes de lavado, o en los filtros de agua) para producir agua blanda. Esto se logra mediante el intercambio de cationes calcio Ca2+ y magnesio Mg 2+ por Na 1+ o H +.

La cromatografía de intercambio iónico industrial y de análisis es otra área que debe ser mencionada. La cromatografía de intercambio iónico es un método cromatográfico que se utiliza ampliamente para el análisis químico y la separación de los iones.[3] Por ejemplo, en bioquímica es ampliamente utilizado para separar moléculas cargadas, tales como proteínas. Un área importante de aplicación es la extracción y purificación de sustancias de origen biológico, tales como proteínas (aminoácidos) y ADN/ARN.

Los procesos de intercambio de iones se utilizan para separar y purificar metales, incluyendo la separación de uranio, plutonio y otros actínidoss, incluyendo torio y lantano, neodimio, iterbio, samario, lutecio, extrayendo cada uno de ellos por separado y del resto de los demás lantánidoss.[4] Estos dos grupos de metales, lantánidos y actínidos, poseen características físicas y químicas muy similares. Utilizando métodos desarrollados por Frank Spedding en la década de 1940, el intercambio iónico solía ser la única forma práctica de separar estos metales en grandes cantidades, hasta el advenimiento de las técnicas de extracción con disolventes que pueden ser ampliadas enormemente.

Un ejemplo muy importante es el proceso PUREX (Plutonium-URanium EXtraction process, proceso de extracción de plutonio-uranio) que se utiliza para separar el plutonio y el uranio entre los productos presentes en el combustible gastado de un reactor nuclear, y poder eliminar los productos de desecho. De este modo, el plutonio y el uranio están disponibles para ser empleados como materiales relacionados con la energía nuclear, como nuevo combustible de reactor y armas nucleares.

El proceso de intercambio iónico se utiliza también para separar otros conjuntos de elementos químicos muy similares, tales como circonio y hafnio, que por cierto son también muy importantes para la industria nuclear. El circonio es prácticamente transparente a los neutrones libres, y se utiliza en la construcción de reactores, pero el hafnio es un absorbente de neutrones muy fuerte, usado en las barras de control del reactor.

Los intercambiadores de iones se utilizan en el reprocesamiento del combustible nuclear y el tratamiento de los residuos radiactivos.

Las resinas de intercambio iónico en forma de finas membranas de intercambio de protones se utilizan en el proceso cloro-álcali, las células de combustible, y las baterías redox de vanadio. El intercambio iónico también se puede utilizar para eliminar la dureza del agua debida al calcio y el intercambio de iones magnesio por iones de hidrógeno y cloro en una columna de intercambio iónico.

Otras aplicaciones[editar]

Ejercicios de aplicación:

  • Para regenerar un cartucho de intercambio catiónico que contiene 5 Kg, se utilizaron 2,5 litros de una solución de NaOH 2,5 N. Cuantos litros cúbicos de agua que contiene 500 ppm, de dureza con respecto al al Mg podrá ablandar cada Kg de inercambiador? R= 30.382 Litros (cm3).
  • A partir de los siguientes datos, calcule VR(A) y VR(B) para dos iones metalicos, si DA= 2; Da = 8,0; Vs= 13.0 ml y V = 7,0 ml. Si:
V(X)= DA*Da + V.
  • Los siguientes datos se obtuvieron en una separación total de cuatro bases de purina organica (A= Uracilo, B= Guanina, C= Citocina, D= Adenina) en una columna de intercambio iónico de 0.2*50cm; VM= 1,57ml; VR(A)=1.57ml; VR(B)= 3.68ml ; VR(C)= 6.10ml y VR(D)= 11.45ml. Calcule el factor de capacidad y los factores de separación en cada caso. Respuestas: 0; 1.34; 2.88; 6.29; 2.15; 2.18.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Eliminación de metales alcalinos de polioles mediante intercambio iónico. Tesis doctoral presentada ante la Universidad de Castilla-La Mancha (Cuenca). Juan Francisco Rodríguez Romero, Universidad de Castilla-La Mancha (Ciudad Real, España), 1995. ISBN: 848825573X, 9788488255730. Pág. 20
  2. Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Prodúctica Series vol. 27. Miguel Rigola Lapeña. Editorial Marcombo, 1989. ISBN: 8426707408, 9788426707406. Pág. 73
  3. Separación de iones complejos iónicos por intercambio iónico. En: Técnica y síntesis en química inorgánica. Robert J. Angelici. Editorial Reverté, 1979. ISBN: 8429170189, 9788429170184. Pág. 73
  4. Intercambio iónico: separación de oligoelementos. Manuel María Urgell Comas. Editorial Junta de Energía Nuclear, Instituto de Estudios Nucleares, Dirección de Química e Isótopos, Sección de Isótopos, 1967.
  • Nuffield Foundation. Intercambio iónico. Química avanzada Nuffield. Editorial Reverté, 1974

ISBN: 8429175482, 9788429175486.

  • Jacinto Zarca Díaz. Intercambio iónico: equilibrio en sistemas multicomponentes. Tesis presentada ante la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química. 1989.
  • Ion Exchangers (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991.
  • C. E. Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
  • Ion exchange (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
  • A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, 2006.

Enlaces externos[editar]