INTERCAMBIO IONICO

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1. QU ES EL INTERCAMBIO INICO? El intercambio inico es una reaccin qumica reversible, que tiene lugar cuando un ion de una disolucin se intercambia por otro ion de igual signo que se encuentra unido a una partcula slida inmvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgnica como en las clulas vivas. Por sus propiedades como disolvente y su utilizacin en diversos procesos industriales, el agua acostumbra a tener muchas impurezas y contaminantes. Las sales metlicas se disuelven en el agua separandose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para los usos habituales del agua. Adems, el creciente inters 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 inico es una opcin a considerar. Por su relevancia en el tratamiento de aguas y diversos procesos industriales, en este dossier se pretende dar una visin general de los intercambiadores inicos, su funcionamiento y sus principales aplicaciones. Para saber ms: Introduccin a la edafologa. Propiedades fsico-qumicas Clay Minerals Soil fertility and fertilizers use Neurotransmisin 2. BREVE HISTORIA DEL INTERCAMBIO INICO

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 metodologa 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 Aristteles menciona que haciendo pasar agua de mar a travs de un recipiente de cera se obtiene agua dulce (Meteorologia, libro II, Parte 3). Las propiedades como intercambiadores inicos de algunas arcillas y minerales se conocen desde el siglo XIX y se atribuye la primera observacin del fenmeno a Thompson y Way, cuyos estudios con distintas muestras de suelos agrcolas fueron publicados en 1850. En sus experimentos pasaron una disolucin de sulfato o nitrato amnico a traves de diversas muestras de arcilla procedente de suelos agrcolas, observando

que el filtrado obtenido contena 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 haca ms adecuados para su uso agrcola. La importancia de estos resultados en cuanto al fenmeno de intercambio inico, no fue comprendido en su totalidad hasta que Henneberg y Stohmann y Eichhorn , demostraron la reversibilidad del proceso en 1858. Ms 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 clsico de minerales con capacidad intercambiadora, y ya en 1927 se empleo la primera columna de zeolita mineral para eliminar iones calcio y magnesio que interferan en la determinacin del contenido en sulfato del agua. En 1905, Gans modific minerales naturales denominndolos permutitas, silicatos de sodio y aluminio sintticos, que fueron las primeras sustancias empleadas en la eliminacin de la dureza del agua. No obstante estos compuestos tenan en su contra que mostraban capacidades de intercambio bajas (aunque su velocidad de regeneracin era rpida) y que por debajo de pH 7 se disolvan en agua. Fueron utilizados durante cerca de catorce aos y luego se abandonaron debido a sus limitaciones hasta 1950 que volvieron a utilizarse. Una etapa intermedia en la evolucin del intercambio inico fue el reconocimiento de las propiedades intercambiadores de varios materiales orgnicos, como el carbon sulfonado. Este material presentaba un grupo funcional capaz de intercambiar cationes de modo reversible y adems operaba en un rango de pH mayor que los silicatos de aluminio, de 1 a 10, por lo que resultaba ser aplicable a un nmero mayor de procesos industriales. El inconveniente del carbn sulfonado era que su capacidad de intercambio era aun menor que la de los silicatos de aluminio. La aportacin ms importante al desarrollo del intercambio inico fue la sntesis de resinas orgnicas, realizada en 1935 por los qumicos Basil Adams y Eric Holmes del Departamento de Investigacin Cientfica e Industrial (Reino Unido). Desarrollaron polmeros orgnicos que imitaban a las zeolitas mediante la reaccin de condensacin entre el fenol y formaldehdo. Sustituyendo el fenol por derivados de ste, como fenoles polihdricos o por diaminas aromticas, se dio paso a las resinas de intercambio catinicas o aninicas. Posteriormente, Holmes produjo unaresina catinica fuerte a partir del cido fenolsulfnico. Las primeras resinas Amberlita (Rohm and Hass) y Dowex (Dow Chemical Co.) se basaban en esta qumica. A finales de la II Guerra Mundial, se desarrollaron polmeros intercambiadores de iones sintetizados mediante reacciones de adicin, cuya estabilidad qumica y trmica era mayor que las resinas de condensacin. El pionero de este trabajo fue Gaetano D'Alelio, que incorpor grupos de cido sulfnico a un polmero de estireno entrecruzado con divinilbenceno (copolmero estireno-divinilbenceno),dando lugar a las

resinas catinicas de cido fuerte. Unos aos ms tarde, en 1947, McBurney produjo las resinas aninicas de base fuerte, cuyo grupo funcional era un amino cuaternario. El uso del copolmero estirenodivinilbenceno como matriz para enlazar grupos con capacidad intercambiadora, supuso una tremenda expansin en los procesos de intercambio inico. De hecho, la mayoria de las resinas que se emplean actualmente tienen como matriz este copolmero.

Sntesis del copolmero estireno-divinilbenceno

Un paso ms en el desarrollo de los intercambiadores inicos fue la bsqueda de especificidad. En 1948, Skogseid produce la primera resina especfica 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 as las resinas quelatantes. Desde entonces se ha continuado la investigacin y el desarrollo en nuevas estructuras polmericas (macroporosas, poliacrlicas, tipo gel) dando lugar a una serie de modernas resinas de intercambio inico, cuyo empleo en el campo de aplicaciones industriales ha sido enorme. 3. CLASIFICACION DE LOS INTERCAMBIADORES INICOS

Heikki Leinonen. Ion exchangers and their use in waste water treatment Ion Exchange Resins: Classification and Properties Francis J. de Silva. Essentials of Ion Exchange

Los intercambiadores inicos forman un grupo de materiales muy heterogneo, cuya nica caracterstica comn es que contienen una carga elctrica fija capaz de enlazar a iones de carga opuesta. Se clasifican en dos grandes grupos: intercambiadores orgnicos e intercambiadores inorgnicos. Ambos grupos incluyen materiales sintticos y naturales.:: 3.1. Intercambiadores inicos inorgnicos

Naturales: Son aluminosilicatos como zeolitas, arcillas minerales y feldespatos.

Sintticos: Generalmente se pueden subdividir en las siguientes categoras: - xidos metlicos hidratados, Ej. xido de titanio hidratado, cido poliantimnico - Sales insolubles de metales polivalentes, Ej. fosfato de titanio - Sales insolubles de heteropolicidos, ej. molibdofosfato amnico - Sales complejas basadas en hexacianoferratos insolubles - Zeolitas sintticas. Las zeolitas y las arcillas son minerales de aluminosilicatos ampliamente distribuidos en la corteza terrestre. Algunas proceden de la erosin de las rocas, otras aparecen como depositos sedimentarios y, por ltimo, algunas tienen origen volcnico. Las zeolitas son slidos microporosos con una estructura cristalina bien definida. La unidad constructora bsica es el tetraedro TO4 (donde T=Si, Al, B, Ga, Ge, P...) cuya unin tridimensional a travs de los tomos de oxgeno da lugar a la estructura polidrica tpica de las zeolitas. Esta estructura tridimensional presenta pequeos poros y canales en los que se alojan los iones intercambiables y donde tiene lugar la reaccin de intercambio inico. Las unidades TO4 ms comunes son SiO4 -4 y AlO4-5. La formula general de las zeolitas se puede escribir como: Ma/n[(AlO2)a(SiO2)b]xH2O. La capacidad de intercambio de cationes de las zeolitas proviene de la carga negativa que lleva asociada la unidad AlO4. Cuando n Al3+ sustituyen a Si4+, es necesario un contracatin Mn+ para neutralizar la carga negativa resultante. El contracatin M suele ser el ion Na+ o H+ (en cuyo caso la zeolita constituye un cido slido) y tienen la particularidad de ser fcilmente reemplazables por otros cationes que puedan difundir a travs de los canales de la zeolita. Ms informacin sobre zeolitas Acerca del silicio y sus compuestos, silicatos, zeolitas, arcillas etc. Mineral Galleries. The zeolite group of minerals What are zeolites? Going green with zeolites Las arcillas minerales son aluminosilicatos estructurados en capas bidimensionales. Estn formadas por una capa resultado de combinar tetraedros de SiO4 y otra capa resultado de combinar octaedros de Al unido a seis oxgenos o a seis grupos OH. Ambas capas se unen entre s compartiendo oxgenos. La capacidad de intercambiar cationes es resultado de la sustitucin del Si4+ por el Al3+ en la capa tetradrica, lo cual supone un exceso de carga negativa que es contrarrestado por cationes susceptibles

de ser reemplazados. Las zeolitas tienen una estructura de poro rgida, mientras que las estructuras en capa de las arcillas minerales tienen cierta elasticidad dependiendo de en que forma inica se encuentre el mineral. En ambas, zeolitas y arcillas, las propiedades de intercambio inico se basan principalmente en la densidad de carga y en el tamao de poro. Ms informacin sobre arcillas W.B. Clapham Jr. Natural Ecosystems. Soil Formation Clay minerals and organ