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¿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
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2.
BREVE HISTORIA DEL INTERCAMBIO IÓNICO |
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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.
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
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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). | |
