Resinas de intercambio iónico: Definición y usos

Las resinas de intercambio iónico son compuestos orgánicos polimerizados sintéticamente que contienen sitios cargados, ya sea positiva o negativamente, los cuales les permiten atraer iones de carga opuesta que se encuentran en una solución circundante. Las resinas de intercambio iónico suelen consistir en un copolímero de estireno-divilbenceno, aunque también suelen emplearse otras composiciones diferentes, como polímeros de ácido metacrílico-dicilbenceno y fenol-formaldehído.

Resinas de intercambio iónico para uso comercial

Resinas de intercambio iónico. Imagen de caldic

Las resinas de intercambio iónico son comúnmente utilizadas para retirar iones no deseados en soluciones acuosas. Es por esta razón, que son muy populares en sistemas de tratamiento de aguas y de purificación de líquidos, por ende son de gran importancia para la ingeniería química. En este artículo describiremos a las resinas de intercambio iónico y sus principales usos.

Tabla de contenidos

¿Qué son las resinas de intercambio iónico (IX)?

Frascos con resinas de intercambio iónico. Imagen de caldic

Las resinas de intercambio iónico son sólidos ligeros y porosos, normalmente preparados en forma de gránulos, perlas o láminas. Están hechas de compuestos orgánicos polimerizados y cuando se sumergen en una solución, o se hace pasar una solución a través de estas, logran intercambiar iones con la sustancia, eliminando iones no deseados de la solución. Para ello, las resinas de intercambio iónico cuentan con grupos cargados eléctricamente que suelen ser sales de ácido sulfónico, ácido carboxílico o sales de amonio. Los polímeros que contienen grupos ácidos son llamados de intercambio catiónico ya que cambian cationes de la solución a purificar, por aniones. Mientras que los polímeros que contienen grupos amónicos intercambian iones con carga negativa.

En otras palabras, podemos decir que el intercambio de iones es una reacción química reversible, en la que los iones disueltos se eliminan de la solución y se sustituyen por otros iones de carga eléctrica igual o similar. Las resinas de intercambio iónico no son reactivos químicos en sí mismas, sino que son un medio físico que facilita las reacciones de intercambio de iones.

La resina de intercambio iónico (resina IX) está compuesta por polímeros orgánicos que forman una red de hidrocarburos. A lo largo de la matriz polimérica hay sitios de intercambio de iones, donde los grupos funcionales de iones con carga positiva (cationes) o negativas (aniones) se fijan a la red polimérica. Estos grupos funcionales atraen fácilmente a los iones de carga opuesta.

Propiedades físicas de las resinas de intercambio iónico (resinas IX)

Resinas de intercambio iónico preparadas para ser utilizadas

Resinas de intercambio iónico listas para ser utilizadas. Imagen de resinex

La estructura, la forma y el tamaño de las resinas de intercambio iónico (resinas IX) puede variar de un tipo a otro. La mayoría de los sistemas de intercambio iónico emplean un lecho de resinas integrado por una gran cantidad de diminutas perlas porosas. También suelen utilizarse mallas en forma de lámina y en menor medida, diferentes estructuras físicas con la misma finalidad.

En la gran mayoría de los casos se utilizan resinas de intercambio iónico en forma de microperlas de gel. Estas microperlas tiene un aspecto translúcido y cuentan con una gran capacidad de intercambio iónico y eficacia química. Las resinas macro porosas, que tienden a ser opacas o blancas, suelen ser utilizadas en condiciones de gran exigencia ya que cuentan con una mayor estabilidad y eficiencia, por ende, son mucho más costosas.

¿De qué están hechas las resinas de intercambio iónico (resinas IX)?

La matriz de las resinas de intercambio iónico (resinas IX) se forma mediante la reticulación de cadenas de hidrocarburos entre sí, mediante un proceso de polimerización. Esta reticulación confiere al polímero de resina una estructura mucho más fuerte, resistente y con una mayor capacidad. Por lo general, las resinas de intercambio iónico están compuestas por poliestireno y existen resinas fabricadas con acrílico. Luego de creado el polímero de la resina, dicho polímero es sometido a tratamientos químicos para unir los grupos funcionales a los sitios de intercambio iónico situados a lo largo de la matriz.

Estos grupos funcionales son los que le otorgan a las resinas de intercambio iónico su capacidad de separación y variarán significativamente de un tipo de resina a otro. Las composiciones más comunes de resinas de intercambio iónico son las siguientes:

Resinas de intercambio catiónico de ácidos fuertes (SAC): Este tipo de resina se encuentra compuesta por una matriz de poliestireno con un grupo funcional de SO₃^- que se carga con iones de sodio Na²⁺ para aplicaciones de ablandamiento de aguas, o con iones de hidrógeno H⁺ para aplicaciones de desmineralización de aguas.
Resinas de intercambio catiónico de ácidos débiles (WAC): Se encuentran compuestas por un polímero acrílico que ha sido hidrolizado con ácido sulfúrico o soda cáustica para producir grupos funcionales de ácido carboxílico. Por su gran afinidad por los iones de hidrógeno H⁺ son utilizadas comúnmente para eliminar los cationes asociados a la alcalinidad.
Resinas de intercambio ionónico de base fuerte (SAB): Están compuestas por una matriz de poliestireno que ha sido sometida a clorometilación y aminación para fijar los aniones a los sitios de intercambio. Las SBA de tipo 1 se producen mediante la aplicación de trimetilamina que produce iones cloruro (Cl^-). Mientras que las SBA del tipo 2, se producen mediante la aplicación de dimetiletanolamina que produce iones hidróxido (OH^-).
Resinas de intercambio aniónico de base débil (WBA): Se encuentran compuestas por una matriz de poliestireno y sometidas a clorometilación, seguida de una aminación con dimetilamina. No cuentan con iones intercambiables, por lo que se utilizan como absorbentes de ácido para eliminar los aniones asociados a ácidos minerales fuertes.
Resinas quelantes: Son las más comunes y se utilizan para eliminar de manera selectiva ciertos metales y otras sustancias. Generalmente, su matriz es de poliestireno, aunque se utilizan distintas sustancias para sus grupos funcionales.

¿Cómo funcionan las resinas de intercambio iónico (resinas IX)?

Funcionamiento de las resinas de intercambio iónico. Imagen de frotec

El intercambio de iones es un intercambio reversible de partículas cargadas, o iones con otras partículas de carga similar. Esto ocurre cuando los iones presentes en una matriz de resina de intercambio iónico insoluble cambian efectivamente de lugar con iones de carga similar presentes en una solución circundante. Las resinas de intercambio iónico funcionan de esta manera, debido a sus grupos funcionales que son esencialmente iones fijos que se encuentran permanentemente unidos dentro de la matriz polimérica de la resina. Estos iones cargados se unirán fácilmente con iones de carga opuesta, que se suministran mediante la aplicación de una solución de contraión. Estos contraiones actuarán entrelazándose con los grupos funcionales hasta que se alcance el equilibrio.

Durante un ciclo de intercambio iónico, la solución a tratar se añade a un lecho de resinas de intercambio iónico y se deja fluir a través de las perlas. A medida que la solución se mueve a través de las perlas de resina de intercambio iónico, los grupos funcionales de la matriz de la resina atraen a los contraiones presentes en la solución. Si los grupos funcionales tienen una mayor afinidad por los nuevos contraiones, que los que ya están presentes, los iones de la solución desplazarán a los existentes y ocuparán su lugar, uniéndose a los grupos funcionales mediante una atracción electrostática compartida. Por regla general, mientras mayor sea el tamaño de un ión (valencia) mayor afinidad tendrá con los iones de carga opuesta.

Regeneración de una resina de intercambio iónico (resina IX)

Uso directo y regeneración de resinas de intercambio iónico

Uso y regeneración de resinas de intercambio iónico. Imagen de sswm

Con el paso del tiempo y el uso de las resinas de intercambio iónico, los iones contaminantes se unen a todos los sitios de intercambio disponibles en la resina IX. Una vez que esto sucede, la resina de intercambio iónico se agota, por lo tanto, al llegar a este punto dicha resina debe ser restaurada o regenerada para poder utilizarse nuevamente.

Para lograr la regeneración de las resinas de intercambio iónico se adiciona una solución regenerante concentrada. Dependiendo del tipo de resina, la solución regenerante puede ser una solución salina, ácida o cáustica. A medida que avanza el ciclo de regeneración, la resina de intercambio iónico libera iones contaminantes cambiándolos por iones presentes en la solución regenerante.

Los iones contaminantes saldrán de la resina de intercambio iónico como parte de la corriente de efluente regenerante. Luego de terminado el proceso, la resina se enjuaga para eliminar cualquier degenerante residual y dejar lista a la resina para un nuevo ciclo de intercambio iónico activo.