intercambiadores de iones

Los intercambiadores de iones son materiales que permiten reemplazar los iones disueltos por otros iones de la misma carga (es decir, positiva o negativa); se produce un intercambio iónico. Los intercambiadores de iones están disponibles comercialmente como columnas llenas de un material de intercambio de iones o como membranas a través de las cuales fluye la solución a tratar. Los iones a intercambiar se unen al material de intercambio iónico, que a su vez libera una cantidad equivalente de carga de los iones previamente unidos a la solución.

Por ejemplo, un intercambiador de cationes puede reemplazar los cationes de calcio disueltos en el agua corriente del grifo con cationes de sodio unidos al intercambiador de iones. Dichos intercambiadores de cationes también están presentes en lavavajillas. Prepara agua para los procesos de aclarado libre de cationes de calcio, que de lo contrario provocaría la formación de incrustaciones blancas (calcáreas) en la vajilla durante el secado y incrustaciones en las resistencias y en los conductos de la máquina (calcificación). Cuando este intercambiador de cationes está agotado y completamente saturado con cationes de calcio, debe regenerarse. Esto se hace desplazando nuevamente los cationes de calcio unidos al ofrecer una solución altamente concentrada de cloruro de sodio (sal de mesa). Este proceso se denomina regeneración del intercambiador.

Los intercambiadores de iones de cationes son de importancia natural, especialmente para la capacidad de intercambio de cationes en el suelo. Aseguran que los cationes permanezcan disponibles para las plantas y no sean arrastrados por la lluvia. Para la remediación de lugares contaminados en agua y suelo, se pueden fabricar intercambiadores de cationes especiales que pueden eliminar cationes de metales pesados ​​específicos del agua y el suelo de manera específica.

El principio del intercambio iónico se basa en el hecho de que los iones están más fuertemente unidos al intercambiador de iones cuanto mayor sea su carga, y con la misma carga, mayor será su radio iónico. Por ejemplo, en el intercambiador de iones, el Na+ se reemplaza por Ca2+, pero también Ca2+ por Al3+. El ion de unión más fuerte desplaza al ion de unión más débil de los sitios de unión del material de intercambio iónico. Por lo tanto, se debe tener cuidado de que el ion no deseado que se va a eliminar de la solución se una con más fuerza que el ion unido al intercambiador de iones. Otros factores importantes que influyen en esto son: el valor de pH de la solución en relación con el tipo y el número de sitios de unión del material de intercambio iónico y también la concentración molar respectiva. La siguiente lista de iones metálicos divalentes muestra la fuerza con la que el radio iónico afecta la selectividad de una resina de intercambio iónico. Los valores se aplican a una solución con un pH de 4,0 y calcio como base con 1,0 para KM/Ca y una resina de intercambio catiónico débilmente ácida con estructura poliacrílica.

Además de la selectividad, los iones absorbidos también pueden ser desplazados por el material de intercambio iónico aumentando la concentración de la sustancia. Este último se realiza durante una regeneración. Las reacciones se dan a continuación con el ejemplo de los iones de sodio, que están presentes como sal de mesa (NaCl) en una solución acuosa. Se utiliza un intercambiador de cationes fuertemente ácido para la entrada (= carga/función) y el desprendimiento (= regeneración). El regenerante es ácido clorhídrico.

Estructura básica de un intercambiador de cationes, p. B. poliestireno sulfonado
Cuando se carga, la reacción procede de izquierda a derecha. A medida que aumenta la concentración del ion H3O+ en la parte derecha de la ecuación, la reacción se desplaza hacia la izquierda y el intercambiador se convierte nuevamente a la forma ácida y se regenera. Si el líquido a desalinizar y la solución regeneradora fluyen a través del intercambiador en la misma dirección durante la carga/funcionamiento y la regeneración, esto se denomina intercambiador co-corriente; si la dirección del flujo es opuesta, se denomina intercambiador a contracorriente. La concentración del regenerante es típicamente 3-10% HCl.

En el ejemplo dado, se forma ácido clorhídrico diluido en el agua de drenaje durante la carga. Debido a un efecto de contra-ión, dependiendo de la concentración de sal en el agua cruda y el estado de carga de la resina de intercambio iónico, hay un deslizamiento de sodio durante la carga. Por lo tanto, todavía hay un pequeño contenido de sodio en el agua pura que fluye después del intercambiador. Esto puede alcanzar valores de 1 mg Na+/l y superiores, especialmente con un intercambiador de calor de CC. Con un intercambiador a contracorriente son ≤ 0,1 mg Na+/l.