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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
separándose 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.
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BREVE
HISTORIA DEL INTERCAMBIO IÓNICO
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.
Síntesis del copolímero estireno-divinilbenceno
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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.
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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