 | 5.
APLICACIÓNES DE LOS INTERCAMBIADORES IÓNICOS EN LA INDUSTRIA |
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Además de su clásica aplicación
en tratamiento de aguas, la tecnología de intercambio iónico se
aplica a distintos procesos dentro de la industria, como purificación,
catálisis, recuperación de metales valiosos...etc. A continuación
se describen brevemente estas áreas de aplicación de los intercambiadores
iónicos
::
5.1. Tratamiento de aguas 5.1.1.
Eliminación de la dureza del agua
El
paso del agua por rocas sedimentarias como la piedra caliza, provoca que dos de
los iones más comunes en aguas naturales sean el calcio y el magnesio.
Estos cationes divalentes, cuando se encuentran en altas concentraciones, son
los responsables de la dureza
del agua.
El empleo de agua dura tanto para usos domesticos como
industriales, provoca problemas de formación de depósitos e incrustraciones
y dificulta la acción de los detergentes, ya que se forman espumas y precipitados
que reducen su eficiencia.
Las zeolitas se utilizan en la eliminación
de la dureza de aguas domésticas e industriales por su capacidad de intercambiar
los iones calcio y magnesio presentes en el agua por iones sodio alojados en su
estructura. Por esta misma razón, estos minerales han reemplazado a los
fosfatos en la composición de los detergentes, precisamente para mejorar
su efectividad al secuestrar los iones calcio y magnesio del agua. El 80% de la
producción de zeolitas se emplea en esta aplicación. Además,
el uso de zeolitas naturales tiene la ventaja de ser compatible con medidas de
protección del medio ambiente.
En la eliminación de la
dureza del agua también se emplean intercambiadores iónicos más
versátiles como carbon sulfonado, resinas sulfonadas de fenol-formaldehido
y, en los ultimos años resinas de poliestireno sulfonado. En
las aguas naturales también hay una pequeña fracción de iones
hierro y manganeso, cuya presencia es indeseable ya que pueden manchar los tejidos,
formar depósitos en tuberías, tanques u otros elementos, así
como inducir su corrosión. Estos iones pueden eliminarse mediante intercambio
iónico, pero este proceso tiene ciertas limitaciones ya que ambos iones
pueden precipitar en la superficie de la resina.
5.1.2.
Alcalinidad del agua
En el agua también
se encuentran distintos aniones como bicarbonato, carbonato, hidróxidos,
cloruro, sulfato, fluoruro, fosfatos etc. Los tres primeros son los responsables
de la alcalinidad del agua, que no es más que la capacidad que tiene el
agua de neutralizar ácidos. Es decir, un agua altamente alcalina será
capaz de aceptar muchos iones hidrógeno antes de que su pH empiece a descender.
La alcalinidad se expresa en términos de mg/L de carbonato de calcio
El agua altamente alcalina tiene un sabor amargo. En la industria, la alcalinidad
es un problema cuando se emplea agua hirviendo, ya que el vapor de agua es rico
en CO2 que al condensar forma ácido carbónico capaz de atacar el
metal de las conducciones.
Para eliminar los aniones responsables de la alcalinidad
del agua se utilizan resinas aniónicas de intercambio, generalmente en
forma cloruro, de modo que se intercambian los aniones del agua por el cloruro
de la resina. Otro proceso posible es emplear una resina debilmente ácida.
5.1.3.
Eliminación de materia orgánica
Es habitual encontrar en aguas superficiales cierta
cantidad de ácidos orgánicos, como ácidos húmicos
o taninos. La presencia de esta materia orgánica en el agua
para uso doméstico puede conferirle olor, color y un sabor
desagradable, pero el interés en eliminar estos compuestos
radica en su tendencia a convertirse en trihalometanos
cuando se procede a la cloración del agua.
Estas sustancias pueden
eliminarse empleando resinas aniónicas de intercambio en forma cloruro,
especialmente resinas acrílicas. 5.1.4.
Eliminación de nitratos
El
uso excesivo de fertilizantes, el estiercol y los efluentes procedentes de explotaciones
ganaderas son los responsables de la contaminación del agua por el anión
nitrato NO3-. La presencia de cantidades elevadas de este anión en el agua
potable pueden provocar graves problemas en bebes menores de 6 meses (sindrome
del niño azul)
La eliminación de este anión
se puede realizar mediante resinas de intercambio aniónico en forma cloruro.
5.1.5.
Eliminación del ion amonio
Las aguas
residuales vertidas por industrias, redes de alcantarillado y producidas en procesos
agrícolas y ganaderos son las responsables de la presencia del ion amonio
en lagos, rios y, a la larga, en pozos de agua potable. La presencia de amonio
en el agua reduce la concentración de oxígeno disuelto necesario
para la vida acuática y acelera la corrosión de metales y materiales
de construcción.
Para la eliminación de amonio mediante intercambio
iónico, además de las resinas catiónicas convencionales,
se emplean también intercambiadores iónicos inorgánicos.
Las zeolitas, por su selectividad a este catión, son el material de elección
en la fabricación de filtros para eliminar amonio del agua, tanto en piscifactorías
como en acuarios.
5.1.6.
Desionización del agua
El agua
desionizada es un ingrediente esencial en aplicaciones médicas, laboratorios,
en la industria farmacéutica, cosméticos, microelectrónica...etc.
El proceso de desionización del agua consiste en reducir la concentración
de iones presentes en ella a niveles muy bajos, proceso que puede llevarse a cabo
mediante intercambio iónico.
En este proceso se emplea una resina
catiónica de intercambio para eliminar los cationes (sodio, calcio, magnesio,
etc) y dos resinas aniónicas, una básica debil que absorberá
los ácidos fuertes y otra básica fuerte para intercambiar los aniones
(cloruro, sulfato, bicarbonato etc).
Como la concentración de
iones en el agua determina su capacidad de conducir la electricidad, la efectividad
del proceso de ionización se determina midiendo los parámetros resistividad
o conductividad.
Más información
sobre tratamiento de aguas
Documentos
sobre el agua: calidad, tratamiento, legislación
Legislación
en calidad del agua potable
Removal of more or less conventional impurities Peter Meyers
Glosario
de terminos de acondicionamiento y tratamiento de agua (en inglés)
Página
web sobre el agua, características y tratamientos (en inglés)
Sybron
Chemicals Inc. Ion exchange Primer
Water
purification technologies
Más
información y ejemplos de aplicación (eliminación de la dureza
del agua)
Fundamentals
of Water Softening by Ion Exchange
Treatment
Systems for Household Water Supplies. Softening.
Ion
exchange (zeolite) softening
Basic Ion Exchange for Residential Water Treatment Mike Keller
Water
Treatment. Section V, Water softening
Life Cycle Inventory for the Production of Zeolite A for Detergents Matthias
Fawer, et al.
Dowex
Ion exchange resins for the separation of the alkaline earths from liquid media
Arsenic Removal from Drinking Water by Ion Exchange and Activated Alumina Plants
Lili Wang, Abraham Chen, Keith Fields
Treatment
systems for Household water supplies. Iron and Manganese removal.
Iron Removal Michael C. Keller
Methods
of iron removal from domestic water supplies
Más información
(alcalinidad del agua):
Dealkalization Mike Keller and Stan Ziarkowski
Más información
( eliminación de materia orgánica)
Removing organics with ion exchang resins Francis J. de Silva
The reversible removal of naturally ocurring organics using sodium
chloride regenerated ion exchange resins Michael Gottlieb
Operating experiences with a new organic trap resin Peter Meyers
Dowex
ion exchange resins. Organic removal from water
Dowex
Ion exchange resins. Comparison of styrenic and acrylic strong base anion exchange
resins for water treatment
Más información (
nitratos en el agua)
Nitrates
in household water
Nitrate pollution of groundwater Lee Haller, et al.
A comparison of a selective resin with a Conventional resin for nitrate removal
George L. Dimotsis, Frank McGarvey
Más información y
ejemplos de aplicación
zeolites
and the environment
Más información (desionización
del agua)
Deionized water Myron L. Company
::
5.2. Residuos nucleares
Los intercambiadores
iónicos encuentran su aplicación en la industria de la energía
nuclear en varias de las etapas del ciclo de obtención del combustible
nuclear, en el tratamiento de efluentes contaminados con elementos radioactivos
y en la purificación del agua de refrigeración del nucleo. En estos
procesos los intercambiadores se contaminan con elementos radioactivos y, por
tanto, deben considerarse y tratarse como un residuo radioactivo más. De
hecho, las resinas de intercambio que se emplean en el tratamiento de agua de
refrigeración son la segunda fuente de residuos radioactivos de una central
nuclear.
Generalmente se emplean resinas de intercambio orgánicas,
pero los intercambiadores inorgánicos están siendo objeto de estudio
y aplicación en varios de estos procesos ya que los primeros tienden a
degradarse en las condiciones térmicas y químicas de operación
así como por la radiación, que afecta a los enlaces carbono-carbono
de la matriz polímerica.
Más información
Información sobre los radionúcleos más habituales.
Appendix
C. Key Radionuclides and Generation Processes
Supriya
K SenGupta. A Review of the Use of Ion Exchange Technology for
the International Nuclear Industry
Materials Issues in Nuclear-Waste Management Man-Sung Yim,
K. Linga Murty
Getting down to basics. Ion chromatography and Ion Exchange Chromatography
Randall C.Willis ver The Nuclear Family
Comprehensive
Supernatant Treatment
Development
of Tunnel and Cavity Type Inorganic Ion Exchangers for Nuclear
Waste Remediation
Selective
sorption of technetium from groundwater
Researchers
Invent Novel Plutonium-Selective Anion Exchange Resins for Waste
Minimization
An advanced ion exchange process for reprocessing spent nuclear
fuels. Separation of Real Spent Fuel Solutions and Conceptual
Design of the Process. Y-Z Way, et al
An advanced ion exchange process for reprocessing spent nuclear
fuels. Electrolytic Reduction of U(VI) to U(IV) and Separation
of U(IV) from FPs. T. Arai, et al.
Retention capacities of zirconia and apatites towards iodine and
Technetium fission products. N. Millard-Pinard, et al
Synthesis
of ammonium phosphotungstate using macroporus anionic resin as
binder. Its application for cesium-137 removal from acid nuclear
waste. M. Yamaura, H.T. Matsuda, M.A.Gonçalves
Dowex
resins for separation of radium from liquid media
:: 5.3. Aplicaciones
en la industria alimentaria
La tecnología
de intercambio iónico se emplea en muchos procesos de la industria alimentaria.
Además de las aplicaciones ya comentadas como la purificación del
agua (proceso esencial en la industria
de la cerveza ), los intercambiadores iónicos se utilizan para desmineralizar
líquidos azucarados y jarabes, controlar la acidez, olor, color, sabor
y contenido en sal del alimento y tambien para aislar o purificar un aditivo o
un componente del alimento. Más
información
Room
and Haas Ion Exchange Resins. Sugar Applications
High
Fructose Syrup producction. Process and Economics
Sugar.
The refining process.
Strategies
in Selecting A Resin for A Juice, Beverage, or Food Application
DOWEX
ion exchange resins for HFCS deashing and polishing
Dowex
Ion exchange resins for sweetener applications
Dowex
Ion exchange resins. Beverage Processing, Ion Exchange. Specific application information.
Chitin
and chitosan in food processing
:: 5.4. Aplicaciones
en la industria farmaceútica
Los intercambiadores
iónicos y resinas adsorbentes se utilizan ampliamente en la industria farmaceútica
en aplicaciones muy diversas que pueden agruparse en las siguientes categorías.
- Se emplean resinas de intercambio en la recuperación
y purificación de diversos productos, como antibioticos, vitaminas, enzimas,
proteinas. Este proceso sustituye a la tecnología tradicional, que utilizaba
la extracción con disolventes.
- Como
excipientes en la formulación de fármacos, para enmascarar el mal
sabor del principio activo, estabilizar el fármaco y acelerar la desintegración
de la pastilla despues de su ingestión.
- Dosificación
controlada de fármacos: El intercambiador iónico libera lentamente
el fármaco alojado en su matriz polimérica.
-
Algunas resinas de intercambio iónico han demostrado tener actividad terápeutica,
y se aplican en la reducción de colesterol en sangre, para adsorber sales
biliares, etc.
Más información
Application
of polymers in the pharmaceutical industry
Charlene
Crabb, Separation Resins. Just what the doctor ordered
Dowex
Ion exchange resins. Biotech/Farma and fine chemicals
Bayer
Lewatit Ion exchange resins. Pharmaceutical/biotechnology
The
40th aniversary of Sephadex
Chitin
and Chitosan. Pharmaceutical and Health care
:: 5.5. Catálisis
Un catalizador es una sustancia capaz de acelerar la
velocidad de una reaccion química sin sufrir ningún cambio químico
permanente y pudiendo recuperarse al final de la reacción. Catalizar un
proceso es de vital importancia en la industria química, donde se aplican
desde catalizadores heterogeneos en la forma de sólidos porosos hasta catalizadores
homogeneos que se disuelven en la mezcla de reacción.
Los intercambiadores
iónicos se aplican como catalizadores heterogéneos en muchas reacciones
químicas, ya que tienen la ventaja sobre la catálisis homogenea
no sólo que se consiguen mejores rendimientos de reacción, sino
también que se separan del medio con una simple filtración. Ejemplos
de reacciones son hidrólisis, esterificacion, formación de amidas,
condensaciones, entre otros.
Es importante destacar el papel de las zeolitas
como catalizadores. Las zeolitas ácidas, que contienen iones hidrógeno
en su estructura, catalizan muchas reacciones químicas, como el craquing
del crudo, isomerización y síntesis de combustible. También
se utilizan como catalizadores en procesos de oxidación-reducción,
una vez se ha introducido en su estructura un metal determinado. La particular
estructura de poro de las zeolitas, que varían en forma y tamaño,
es determinante en su actuación como catalizador ya que introduce una limitación
estérica al acceso de los reactivos a los sitios activos.
Más información sobre catálisis
Introduction
to catalysis
An
overview of catalysis
Clean
Synthesis. Introduction
Successful
commercial hydrocracking catalysts.Tools and methodologies. George j. Antos,
Li Wang
Ejemplos de aplicación de resinas orgánicas
en procesos de catálisis
Purolite,
ion exchange resins. Strong Acid catalyst resins
Dowex
Ion exchange resins. Catalysis of organic reactions
Más
información sobre la aplicación de zeolitas en procesos de catálisis
y ejemplos de aplicaciones.
What
are zeolites?. Catalysis
Going
green with zeolites
Description
of Faujasite - A.K.A. Zeolite Y
Low temperature alkane activation over zeolites Johannis A.Z. Pieterse.
Preparation, characterization and oxidation-reduction properties of Fe-ZSM-5 catalyst
D.Slazay, et al
Sorption, Catalysis and separation by desing. Manganese oxide based solids having
channels, layers, and pillars can be made to specification for applications ranging
from detergents to sensors. Steven L. Suib
:: 5.6. Agricultura
El fenómeno de intercambio iónico es básico
en la agricultura, ya que tiene un importante papel en la absorción de
nutrientes por parte de las plantas. De hecho, el suelo es un gran sistema intercambiador
de iones, con capacidad para calcio, magnesio, potasio, amonio, nitratos y fosfatos.
Las zeolitas se han aplicado para controlar la liberación de
nutrientes al suelo agrícola, ya que tienen la ventaja que sustituyen a
los fertilizantes solubles que pueden contaminar el agua y además que impiden
la pérdida de nutrientes por disolución. También se emplean
para retener la humedad del suelo y para elevar el pH en suelos ácidos.
Más información sobre
la aplicación de zeolitas en agricultura
Controlled-Released
fertilizers using zeolites
Aplicación
de las zeolitas en agricultura (texto en inglés)
Zeolites in the landscape Mark Whitelaw
Test report: Zeolites and its effects on soil pH Mark Whitelaw
En
los cultivos
hidropónicos se emplean resinas de intercambio para liberar lentamente
los nutrientes que puedan necesitar las plantas. Ver Bayer
Ion Exchange Resins. HD 5 long term fertilizer
:: 5.7. Hidrometalurgia
Los procesos de intercambio iónico se aplican
en hidrometalurgia en la recuperación y concentración de metales
valiosos, como cobre, uranio y cromo, así como en procesos especiales que
emplean resinas de intercambio iónico selectivas para la recuperación
de oro, platino y plata.
El empleo de resinas de intercambio iónico
es una posible solución al tratamiento de efluentes procedentes de la industria
de refinado de metales. La acumulación de metales pesados en el medio ambiente
es un serio problema para la salud debido a su alta toxicidad, su capacidad de
acumularse en los tejidos y, además, que no son biodegradables. Esta situación
ha generado una serie de regulaciones en cuanto a emisiones de metales tóxicos
al entorno, que han obligado a la industria a conceder una gran importancia al
control de sus efluentes.
En esta área de aplicación, las
resinas orgánicas de intercambio iónico son las predominantes, pero
se encuentran muchos ejemplos de empleo de zeolitas naturales y sintéticas
en el tratamiento de efluentes contaminados, así como de biomateriales
basados en chitosan o alginato.
Ejemplos de aplicación de los intercambiadores
iónicos inorgánicos en hidrometalurgia:
Ion
exchangers and their use in waste water treatment. Apartado 3.1.2.
Renán
Arriagada, Rafael García y Ruby Cid, Retención de cromo y mercurio
con zeolitas naturales y sintéticas
María
del Rosario Sun Kou, et al. Procesos para el tratamiento de las aguas residuales
de una planta galvanica de cromo
Edison
Gil Pavas y Carlos Saldarriaga Molina, Uso de ceniza volante en la remoción
de cromo (III) de los efluentes líquidos de curtiembres
Use
of inorganic ion exchangers for hazardous waste remediation
Gerardo
Rodríguez-Fuentes e Inocente Rodríguez Iznaga, Eliminacion de metales
toxicos mediante zeolitas naturales
Ejemplos de
aplicación de biomateriales en hidrometalurgia:
Shameem
Hasan, et al. Adsorption of Chromium (III) and (IV) on Chitosan
Based Bio-Inorganic Material
Applications
of Chitin and Chitosan in metal capture from wastewater
Removal
and encapsulation of heavy metals from ground water
J
Paul Chen, L. Wang. Application of ca-alginate based ion exchange resin in lead,
copper and zinc removal
FORAGER®
Sponge - Type M for the removal of heavy metal and inorganic contaminants
Ejemplos de aplicación de resinas de intercambio iónico
Resinas Dowex para la recuperación de: cromo,
hierro,
níquel,
cobre,
metales
pesados, oro
otros
metales
Water
recycling costs. Cost comparison for various recycling/recovery configurations
Application of weak acid cation resin in waste treatment Peter Meyers.
Ion-exchange of nickel by iminodiacetic acid chelating resin Chelex 100
Leinonen, Heikki; Lehto, Jukka; Reactive and Functional Polymers , v43, n1, 2000,
p 1-6
Extraction of heavy metals from waste water by polymeric chelating resins
Mohammad Rahman Lutfor, et al.
The development of a new generation of ion-exchange materials for industrial applications
Frank Lawson
Ejemplos
de resinas Dowex quelatantes y su aplicación
Recycling metals for the environment I.Wernick, N.J. Themelis.
Recuperación de cromo presente en aguas de teneria Francisco J. López,
et al.
Copper
and Niquel recovery with chelated ion exchange resins
Ion Exchange for Trivalent Chromium Plating Baths Roger S. Woodle
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| ::BIBLIOGRAFÍA
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from fertilizer wastewater by ion exchange
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Aplicaciones
en la industria farmaceutica - Continuous protein recovery using
a liquid-solid circulating fluidized bed ion exchange system: modelling and experimental
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cyanide from a leach solution by an anionic ion-exchange resin
Kurama,
Haldun; Catalsarik, Tuba
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- NH4+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ and Pb2+ exchange for Na+ in a sedimentary
clinoptilolite, North Sardinia, Italy
Langella, A.; Pansini, M.; Cappelletti,
P.; de Gennaro, B.; de' Gennaro, M.; Colella, C.
Microporous and Mesoporous
Materials , v37, n3, 2000, p 337-343
- Adsorption of nickel(II),
zinc(II) and cadmium(II) by new chitosan derivatives
Becker, Tanja; Schlaak,
Michael; Strasdeit, Henry
Reactive and Functional Polymers , v44, n3, 2000,
p 289-298
- Removal of metal ions from aqueous solution by cellulose
ion exchangers
Kabay, Halan; Demircioglu, Mustafa; Yayli, Saniye; Yuksel,
Mithat; Saglam, Mehmet; Levison, Peter R.
Separation Science and Technology
, v 34, n 1, 1999, p 41-51
- Enhanced adsorption of copper(II)
ion on novel amidoxime chitosan resin
Kondo, Kazuo; Matsumoto, Michiaki;
Okamoto, Kazuo
Journal of Chemical Engineering of Japan , v32, n2, 1999, p
217-222 - Application of the reagentless dual-temperature ion-exchange
technique to a selective separation and concentration of copper versus aluminum
from acidic mine waters
Muraviev, Dmitri; Noguerol, Joan; Valiente, Manuel
Hydrometallurgy , v 44, n 3, 1997, p 331-346
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