RESINAS INTERCAMBIADORAS DE IONES En general, las resinas

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+
+
OH-
En el segundo caso, se tendría análogamente.
R-OH +
A-
↔
R–A
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).
CH2
CH=CH2
CH CH2
Estireno
CH CH2
CH CH2
CH CH2
Poliestireno linear
CH=CH2
CH CH2
CH=CH2
CH2
CH CH2
CH CH
CH CH2
CH CH2
CH CH2
CH CH2
Divinilbenceno
Poliestireno con unión cruzada
H2SO4
Adición grupo
sulfonato ácido
SO3-
SO3-
SO3
SO3-
SO3-
NR4Cl (sal amonio cuaternaria)
Adición grupo
amino 4°
básico
NR3+
NR 3+
-
SO3
-
NR3+
SO3-
Resina intercambia cationes
NR 3+
NR 3+
NR 3
NR3+
+
Resina intercambia aniones
Reacción de Intercambio con cobre:
2 Cu2+
HO3S
SO3 -
SO3-
SO3H
SO3H
SO3H
Cu2+
+ 2H+
SO3-
SO3Cu2+
+ 2H+
Aplicando la ley de acción de masas se obtiene un coeficiente de selectividad (equivalente a la
constante
de
Kr
=
equilibrio):
(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
(1)
SO4Ca
reacciones
+
de
2[RSO3]Na
=
intercambio
[RSO3
]2
Ca
iónico:
+
(2)
[RSO3]H
+
2CINa
=
2
(3)
2[RSO3]H
+
SO4Ca
=
[RSO3]2Ca
+
SO4H2
(4)
[RSO3]2Ca
2CIH
=
2[RSO3]H
+
CI2Ca
+
2CO3H2
+
H2O
(5)
2[RSO3]H
(6)
[R]OH
+
+
(CO3H)2Ca
+
CIH
=
[RSO3]Na
SO4Na2
[RSO3]2
=
[R]CI
Ca
+CI2Ca
(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 lacteoquesera 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
desmineralización de leche
de
Intercambio
Iónico
en
serie
para