RESINAS INTERCAMBIADORAS DE IONES
En general, las resinas de intercambio iónico están constituidas por productos polímeros de elevado peso molecular, insolubles, que contienen grupos funcionales (positivos o negativos) capaces de intercambiar iones con una solución.
Estos grupos funcionales de las resinas intercambian en el caso más sencillo iones H+ y OH-, presentes en la solución según sea el tipo de intercambiadores. De ahí que, generalizando todavía más la definición, podamos considerar las resinas intercambiadoras de iones como ácidos o bases orgánicas, de fórmula general R - H y R - OH en donde R, representa una estructura molecular orgánica, originada por condensación o polimerización, que contiene casi siempre cadenas laterales largas.
Si el ion intercambiable en la resina es el H+, evidentemente podrá ser sustituido por otros iones de su mismo signo según la siguiente ecuación:
R-H + M+ ↔ R – M + H+
En el segundo caso, se tendría análogamente.
R-OH + A- ↔ R – A + OH
-De esta manera podemos dividir en forma general a las resinas de intercambio iónico en:
A.- Resinas intercambiadoras catiónicas o ácidas. B.- Resinas intercambiadoras aniónicas o básicas.
La utilización de las resinas intercambiadoras de iones, tiene como principal fin la separación de determinados iones existentes en una solución, y en general se puede distinguir dos aplicaciones:
1) Separación de iones de distinto signo 2) Separación de iones del mismo signo
Síntesis de resinas intercambiadoras de iones (ácidas y básicas) a base de estireno y divinilbenceno en presencia de ácido sulfúrico (sulfonación) o amina cuaternaria (aminación).
Reacción de Intercambio con cobre: CH=CH2 CH=CH2 CH2 CH CH2 CH CHCH22 CH CH2 CH CH2 CH=CH2 CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH CH2 CH CH2 CH CH2 Estireno Divinilbenceno Poliestireno linear
Poliestireno con unión cruzada
SO3- SO3- SO3- SO3- SO3 -SO3- SO3 -H2SO4 NR3+ NR3+ NR3+ NR3+ NR3+ NR3+ NR3+
NR4Cl (sal amonio cuaternaria) Adición grupo
sulfonato ácido Adición grupo amino 4° básico
Resina intercambia cationes Resina intercambia aniones
HO3S SO 3H SO3H SO3H SO3- SO3- SO3 - SO 3 -Cu2+ SO3 -Cu2+ + 2H+ + 2H+ 2 Cu2+
Aplicando la ley de acción de masas se obtiene un coeficiente de selectividad (equivalente a la constante de equilibrio): Kr = (A).([R]B) / ([R]A).(B) Que no es exactamente una constante sino que depende de las condiciones experimentales. Aunque la resina tome con preferencia unos iones (A) frente a otros iones (B), al tratarse de una reacción reversible podemos invertir esta tendencia aumentando la concentración de (B) muy por encima de la de (A), este es el fundamento de la regeneración de las resinas.
Sus características principales son las siguientes:
* Actuan selectivamente, de forma que pueden preferir un ion sobre otro con factores relativos de afinidad de 15 o más. * La reacción de intercambio iónico es reversible, es decir puede avanzar en dos sentidos. * En la reacción se mantiene la electroneutralidad. Un ion simple se intercambiará por otro ion simple. Por ejemplo:
[R]H+ + Na+ + CI- = [R]Na+ + H+ + CI -y, similarmente, un ion bivalente necesitará dos iones monovalentes para realizar el intercambio: 2 [R]CI- + 2Na+ + SO4 = [R] 2 SO4 + 2Na+ + 2CI
-Las reacciones de intercambio iónico son frecuentes en el recorrido subterráneo de las aguas naturales, al encontrarse sustancias naturales con poder de intercambio, pero en las industrias se prefieren las resinas poliméricas de fabricación sintética, con claras ventajas de uso en los procesos de ablandamiento y desmineralización del agua, y en otros procesos especiales tales como la purificación de ciertos productos químicos, la desmineralización de jarabes de azúcares, etc.
Las ventajas del proceso iónico en el tratamiento de aguas son las siguientes:
* Se adapta a las necesidades de las aguas en que las concentraciones de las impurezas iónicas son relativamente bajas. * Las resinas actuales tienen altas capacidades de intercambio que permiten conseguir procesos compactos requiriendo inversiones moderadas. * Las resinas son estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
* Las instalaciones pueden ser automáticas o manuales para adaptarse a las condiciones específicas. La capacidad teórica de intercambio de una resina es la cantidad de grupos ionogénicos por unidad de peso o de volúmen. Dado que las resinas se hinchan y contraen según la forma iónica, la referencia al peso es mucho más constante, pero se suele usar la capacidad volumétrica de la forma completamente hinchada, expresada en meq/litro. La capacidad
aparente es un valor práctico que indica cuántos iones de la solución pueden ser captados realmente bajo las condiciones específicas de operación. La capacidad aparente de una resina catiónica para el Na+ por ejemplo, depende del pH de la solución, de la concentración de Na+ en la solución y del nivel de regeneración o volumen de regenerante empleado. Pero, además, situada en el recipiente de intercambio, dependerá de la fuga de ion Na+ que se considere admisible. Es importante considerar que los vertidos de la regeneración son corrosivos y en general , aún después de mezclarlos, se precisará una neutralización previa al envío del efluente como vertido.
Principales reacciones de intercambio iónico: (1) SO4Ca + 2[RSO3]Na = [RSO3 ]2 Ca + SO4Na2
(2) [RSO3]H + 2CINa = 2 [RSO3]Na +CI2Ca
(3) 2[RSO3]H + SO4Ca = [RSO3]2Ca + SO4H2
(4) [RSO3]2Ca + 2CIH = 2[RSO3]H + CI2Ca
(5) 2[RSO3]H + (CO3H)2Ca = [RSO3]2 Ca + 2CO3H2
(6) [R]OH + CIH = [R]CI + H2O (7) [R]CI + NaOH = [R]OH + CINa
Principales tipos de resinas
La mayoría de las resinas empleadas hoy en día son sintéticas, basadas en un copolímero de estireno-divinilbenceno, tratado apropiadamente para agregarle los grupos funcionales. La sulfonación da lugar a resinas catiónicas y la aminación a resinas aniónicas. Algunas resinas tienen una matriz acrílica en lugar de estirénica, u otros grupos polimerizados (epoxi, etc.).
Existen cuatro tipos principales: - catiónica fuerte (CF),
- catiónica débil (CD), - aniónica fuerte (AF) y, - aniónica débil (AD).
La diferencia más importante es que las resinas fuertes operan a cualquier pH, pero tienen una capacidad más limitada que las débiles y deben regenerarse más frecuentemente. Su regeneración es ineficiente e implica un alto coste de regenerantes. En cambio, las resinas de carácter débil, además de mayor capacidad, se regeneran casi estequiometricamente, es decir, con un exceso mínimo de regenerantes, pero operan dentro de pH limitados y no captan todos los iones.
Resinas catiónicas fuertes
Son capaces de eliminar todos los cationes del agua. Presentan máxima selectividad para los cationes trivalentes, intermedia para los bivalentes e inferior para los monovalentes. Se emplea en el ablandamiento en ciclo sódico, regenerado con NaCI ( reacciones (1) y (2) ), y en la desmineralización en ciclo de ion hidrógeno, regenerado con ácido (reacciones (3) y (4) ). La velocidad de intercambio es rápida y da poca fuga iónica. Son resinas muy estables y pueden durar hasta 20 años o más. En ablandamiento se regeneran con solución de NaCI al 10%, empleando de 100 a 300 g de NaCI por litro. Se hinchan poco, menos del 8%, al pasar de la forma Na+ a la H+. Las resinas catiónicas aguantan temperaturas altas de más 100 grados centígrados.
Resinas catiónicas débiles
Captan el calcio y magnesio de la alcalinidad bicarbonatada, liberando ácido carbónico (reacción (5)), que se puede eliminar de forma simple y barata por desgasificación mediante aeración. No operan a pH inferior a 7, necesitando una acción tamponante. Su capacidad es aproximadamente el doble de la catiónica fuerte y, aunque su fuga de calcio es baja, es alta en sodio. Incluso se puede emplear en su regeneración el exceso de ácido usado en la regeneración de la catiónica fuerte. Su hinchamiento al pasar de forma Na+ a H+ es alto, del orden del 90%. También son más resistentes a los oxidantes como el cloro.
Resinas aniónicas fuertes
Son capaces de eliminar todos los aniones de ácidos débiles o fuertes operando a cualquier ph (reacciones (6) y (7)). Su selectividad para los aniones bivalentes es superior a los monovalentes. Son menos estables que las homólogas catiónicas, su duración bastante inferior y resisten temperaturas límites inferiores. Absorben irreversiblemente los ácidos húmicos de descomposición vegetal, perdiendo capacidad. Para su protección se puede usar una columna previa de resina aniónica débil o de carbón activo. Las resinas del tipo I eliminan mucho mejor la sílice y dan más calidad de agua pero también son más difíciles de regenerar. El hinchamiento al pasar a formar OH- es inferior al 12%. Las temperaturas máximas que resisten van de 35 a 60 grados centígrados. Resinas aniónicas débiles
Eliminan los aniones de los ácidos fuertes, CI-, SO4-, NO3-, pero no los de los
ácidos débiles, CO3=,CO3H-,SiOH-, y no funcionan a pH superior a 6. Su
capacidad es el doble de las aniónicas fuertes y resisten el ensuciamiento orgánico. Su hinchamiento es el doble del 205 en la forma OH-. Aunque no eliminan el carbónico o la sílice, son útiles situadas después de una catiónica fuerte para disminuir el costo de regenerantes y proteger las aniónicas fuertes de la materia orgánica, y hasta eliminar color del agua.
Ablandamiento
En el ablandamiento, o descalcificación, se emplea una sola columna con resina catiónica fuerte, que se regenera con una solución de sal común. Los iones calcio y magnesio del agua se sustituyen por iones sodio. Su costo operativo es muy bajo, pero al no disminuir la salinidad total del agua solamente se puede emplear para tratar aguas destinadas a calderas de baja presión.
Desmineralización
Existen múltiples maneras de combinar los cuatro tipos básicos de resinas descritos anteriormente. Algunos son fundamentales para conseguir una calidad de requerida del agua a partir de una alimentación determinada. Otros son combinaciones más complejas, o incluyen un desgasificador de CO2, para
mejorar el rendimiento económico. Las etapas que se siguen para elegir un sistema de desmineralización son las siguientes: * Determinar la calidad y volumen diario de agua requeridos. * Analizar las calidades de los suministros de agua disponibles. * Seleccionar el tipo de pretratamiento necesario. * Decidir el sistema de desmineralización y el tipo de resinas. * Especificar la duración del ciclo, el tipo de regenerante y la disponibilidad de almacenamiento de agua tratada. * Determinar, en función de las capacidades de intercambio, velocidades de paso, nivel de regenerante y parámetros físicos, los volúmenes de resina y demás características del sistema. La operación de intercambio iónico simple debe ir precedida del pretratamiento adecuado. Se debe eliminar la materia en suspensión y la materia coloidal que pueden ensuciar las resinas, reduciendo la cinética de difusión de los iones y colmatarlas creando caminos preferenciales con disminución de la eficacia. Algo similar ocurre con los aceites y gases que puedan estar presentes en el agua de alimentación de las resinas. Los pretratamientos, según la calidad del agua de partida, pueden incluir:
*Descarbonatación previa. * Decantación.
* Filtración.
El sistema de dos columnas, catión fuerte - anión fuerte se aplica en
instalaciones de baja inversión, en las cuales son suficientes conductividades de agua tratada entre 5 y 20 microsiemens, y la sílice no es un problema importante, siendo admisibles de 0,02 a 0,15 ppm. Si la alcalinidad es alta conviene disponer un desgasificador entre ambas resinas para eliminar el CO2
liberado, aunque implica un bombeo adicional. Para aguas de alta alcalinidad y dureza incluye una resina catiónica débil antes de la catiónica fuerte. Los cationes de las sales de ácido débil son absorbidos por la resina CD de forma mucho más económica. Cuando el agua contiene altos porcentajes de sales de ácido fuerte se sitúa una resina aniónica débil antes de la fuerte. Los cloruros y sulfatos se eliminan en la primera de estas dos resinas, lo que permite una regeneración muy eficaz. Según sea la composición del agua pueden emplearse las cuatro resinas, en columnas independientes o dobles. Cuando se requieren calidades superiores de agua se utiliza un lecho mixto, en el cual
las resinas aniónicas y catiónicas, ambas fuertes, van mezcladas en una columna. El lecho mixto se sitúa como un pulido final. Con el lecho mixto final se consiguen calidades de agua con conductividades inferiores a 1 microsiemens, y concentraciones de sílice entre 0,001 y 0,005 ppm.
Si bien teóricamente se puede realizar el intercambio colocando, por ej.: en un vaso de precipitado una resina ácida en contacto con una solución que contiene un catión, en la práctica esto da escasos resultados, ya que se alcanza fácilmente el equilibrio y en realidad, la separación del ion deseado y su sustitución por el H+ de la fase resina es muy incompleta, con lo que el procedimiento es poco interesante desde el aspecto cuantitativo.
El procedimiento más empleado en el trabajo con resinas es el uso de columnas. Para un trabajo en columnas, de cualquier tipo, con fines analíticos, las operaciones a realizar son las siguientes:
a) Acondicionamiento previo de la resina. b) Preparación de la columna.
c) Paso de la solución a separar. d) Lavado.
e) Elución de los iones en la resina y regeneración de la misma. f) Lavado final.
Las etapas a) y b) se repiten generalmente, cuando se trata de la preparación de nuevas columnas, mientras que las restantes son operaciones a efectuar en todos los trabajos y constituyen lo que se llama un ciclo completo.
DESCRIPCION DE UNA INSTALACION DE INTERCAMBIO IONICO PARA LA DESMINERALIZACION DEL SUERO DE LA LECHE DE UNA QUESERIA El sector esta buscando continuamente valorizar al máximo el suero de la leche tanto económica como nutricionalmente.
Una de las técnicas que se aplica con mucho éxito en la industria lacteo-quesera es la desmineralización del suero de la leche, es decir, la eliminación de las salas minerales de su contenido, utilizando resinas de intercambio iónico. La desmineralización se esta imponiendo con mayor éxito sobre otras técnicas porque con esto se va a obtener un producto con unas determinadas características que facilitaran la comercialización de dicho suero. En la instalación realizada por la C&G, después de una intensa investigación hemos utilizado resina de intercambio ionizo con la base poliestirenica con vinculo cruzado. El suero de leche tal cual, descremado y refrigerado, va directamente à la instalación de intercambio iónico. Cuando se agota la resina (la catiónica fuerte y la iónica débil) esta tiene que ser regenerada con solución de HCl y NaOH preparada con agua desmineralizada. Para esta finalidad ha estado realizada otra instalación con intercambio iónico que trabaja la desmineralización del agua de pozo, pudiendo suministrar así agua útil en la fase de regeneración de la resina de desmineralización del suero. El suero desmineralizado puede ser concentrado tal cual o bien tenerlo mezclado con otro suero natural. De este modo se puede obtener polvo de suero mas o menos dulce. La utilización del polvo de suero desmineralizado esta en continuo aumento para la producción de distintos productos alimentarios como:
• Productos dietéticos
• Helados
• Productos de bollería
• Productos con base de chocolate
Para la concentración y secado del polvo de suero desmineralizado C&G realiza también la instalación de equipos de Ultrafiltración, Osmosis Inversa y Concentración al vacío
Equipamiento de columnas de Intercambio Iónico en serie para desmineralización de leche
