IntroduccinEl intercambio inico es una tecnologa poderosa, aunque poco conocida por el hombre de la calle. La pgina presente trata de explicar en trminos sencillos el intercambio inico para los que tienen solo un conocimiento superficial de qumica.Cuando mis amigos me preguntan cual es mi profesin, contesto: "Intercambio inico". Pocos saben lo que es. No obstante, en la Europa occidental, la mayora de los hogares tienen por lo menos un aparato con resinas intercambiadoras de iones. Entonces pregunto: "Porqu pones sal en el lavaplatos?" Muchos no tienen la respuesta correcta. Si est en esta categora, lo descubrir aqu.AguaEl agua es, aparentemente, cosa sencilla: es un lquido compuesto de molculas de agua (frmula H2O). No obstante, sabe que esta simplificacin no vale, y que la realidad es ms compleja. Si no, porqu cree que los vendedores deagua embotelladahablan tanto de los beneficios de su mineralizacin?Todas las aguas naturales contienen sustancias extraas en pequeas cantidades. El agua del ro, del pozo, del grifo en su casa, no es solo H2O, sino contiene: Sustancias slidas insolubles, como arena o fragmentos vegetales. En principio se pueden filtrar. Compuestos solubles, que generalmente no se ven y no se pueden filtrar. Estos compuestos tienen una origen mineral o orgnica, pueden serionizadas(cargadas elctricamente) o no.Los compuestos solublesno ionizadosexisten en el agua en la forma demolculasde tamao y de frmula variables, por ejemplo: El gas carbnico (las burbujas de su agua con gas) es una molcula pequea con una frmula sencilla: CO2. El azcar (sacarosa) es una molcula ms grande con frmula complicada abreviada C12H22O11. Desea lafrmula completaen tres dimensiones? No obstante, los azcares no se fijan en resinas intercambiadoras de iones.Si desea eliminar del agua estas sustancias extraas, lo puede hacer con intercambio inico, siempre que seanionizadas.IonesLas sustancias solubles ionizadas disueltas en agua estn presente comoiones, que son tomos o molculas llevando cargas elctricas. Los iones con carga positiva se llamancationes, los con carga negativaaniones. Puesto que el agua es globalmente neutral elctricamente si no lo fuese, sufriramos un choque elctrico cuando sumergimos nuestra mano en el agua el nmero de cargas positivas y negativas debe ser exactamente igual.Los iones pueden llevar una carga o ms, generalmente entre 1 y 3. Los iones pueden ser un tomo solo (iones monoatmicos) o una combinacin de varios tomos juntos (poliatmicos), como molculas.Ejemplos: Un catin monovalente monoatmico: el ion sodio Na+ Un catin divalente de un monoatmico: el ion calcio Ca++ Un catin monovalente poliatmico: el ion amonio NH4+ Un anin monovalente monoatmico: el ion cloruro Cl Un anin monovalente poliatmico: el ion nitrato NO3 Un anin divalente poliatmico: el ion carbonato CO3= Un anin divalente poliatmico complejo: el ion cromato CrO4= El catin trivalente monoatmico aluminio Al+++no existe sino en soluciones muy cidas, no en agua "normal". No hay aniones di o trivalentes monoatmicos en agua normal.Los iones no estn fijos: se mueven en el agua, y no estn atados a iones de carga opuesta. Sin embargo, lasuma de las cargasde los cationes y de los aniones es idntica. La figura 1 representa esquemticamente iones en agua.

Figura 1: Los iones no estn atados en agua. La suma de las cargas es constante.Las salesson sustancias cristalizadas (en su estado seco) que contienen una proporcin fija de cationes y aniones. Por ejemplo, la sal comn tiene exactamente el mismo nmero de cationes sodio (Na+) y de aniones cloruro (Cl). Su frmula es NaCl. Cuando disolvemos sal en agua, sus cationes y aniones se mueven libres como en la figura 1.En agua, los iones son dbilmente asociados a molculas de agua. Se dice que estn hidratados. Los cationes son atrados por el tomo de oxgeno O, y los aniones por los tomos del hidrgeno H de la molcula de agua H2O, como se ve en la figura 2.Sustancia ionizada disuelta en agua

Figura 2: Iones hidratados, aqu Na+en rojo y Clen azul (sal comn NaCl)El sulfato de magnesio es una sal con exactamente el mismo nmero de cationes magnesio (con carga doble: Mg++y de aniones sulfato (tambin con carga doble SO4=. La frmula de esta sal es entonces MgSO4.El cloruro de calcio tiene iones de calcio (con dos cargas Ca++), y iones de cloruro (con solo una carga, Cl). Necesitamos entonces 2 aniones de cloruro para equilibrar cada catin de calcio. La frmula del cloruro de calcio es luego CaCl2.De manera similar, el carbonato de sodio tiene cationes sodio Na+y aniones carbonato CO3=, y necesitamos dos iones sodio para cada carbonato, lo que produce la frmula Na2CO3.Cuando hierve agua, si la dejamos evaporar completamente, queda unresiduo seco, que contiene sales y tal vez otras sustancias como slice o materias orgnicas. Solo agua de mar dejar una masa significativa de residuo seco, de 30 a 40 gramos por litro de agua. En agua de ro o de grifo, este residuo es muy pequeo, con valores de 50 a 500mg/L. Se trata deslidos disueltos totales(TDS en ingls).Estas sustancias se pueden eliminar del agua por intercambio inico si son solubles y ionizadas. Vase detalles en elanlisis de aguay lasunidades de concentracinusadas en intercambio inico.

El intercambio inicoImpurezas en el aguaComo lo vimos antes, el agua contiene pequeas cantidades de materias extraas. En muchos casos, estas materias no producen ningn problema. Es mejor beber agua con una cierta salinidad y no agua ultra-pura (desmineralizada). No obstante, estas sustancias son consideradas comoimpurezasen ciertas aplicaciones y deben ser eliminadas.Materias insolubles (arena etc.) se pueden separar por filtracin. Existen varias tecnologas de filtracin, hasta la ultrafiltracin que puede eliminar partculas de menos de una micra. Materias solubles, por el otro lado, necesitan otras tcnicas.Les sustancias solubles ionizadasse pueden eliminar por intercambio inico.Resinas intercambiadoras de ionesSon perlas de plstico minsculas, con in dimetro de aproximadamente 0,6 mm. Estas bolitas son porosas y contienen agua, que es invisible y no se puede quitar. Esta proporcin de agua se expresa como "retencin de humedad". La estructura de la resina es un polmero (como todos los plsticos) en lo cual union fijoha sido inmovilizado de manera permanente. Este ion no se puede quitar o reemplazar: pertenece a la estructura de la resina. Para mantener la neutralidad elctrica de la resina, cada uno de estos iones fijos est neutralizado por uncontra-ionde carga opuesta. Este es mvil y puede entrar o salir de la resina. La figura 3 representa esquemticamente perlas de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones. Las lneas oscuras representan el esqueleto polimrico de la resina: es poroso y contiene agua. Los iones fijos de la resina intercambiadora de cationes son sulfonatos (SO3) atados al esqueleto. En esta imagen, los iones mviles son cationes sodio (Na+). las resinas intercambiadoras de cationes, por ejemplo la Amberlite 1000, son muchas veces suministradas en la forma sodio.

Figura 3: Representacin esquemtica de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones.La perla de resina intercambiadora de aniones tiene un esqueleto semejante. Los grupos activos son aqu amonio cuaternario, es decir cationes, representados por la frmula N+R3; una frmula ms precisa sera CH2-N+-(CH3)3. Los iones mviles de la resina intercambiadora de aniones son aqu iones cloruro (Cl). la forma cloruro es la forma de suministro de muchas resinas intercambiadoras de aniones. Cada ion entrando en la resina produce la salida de otro ion de misma carga para mantener la neutralidad elctrica. Eso es lo que se llamaintercambio inico. Solo iones de la misma carga se pueden cambiar. No es posible fabricar una resina que pueda intercambiar simultneamente cationes y aniones, porque los cationes fijos dentro de la resina neutralizaran los aniones fijos, y ningn intercambio sera posible. Luego se deben producir resinas intercambiadoras de aniones y resinas intercambiadoras de cationes separadas.Vase detalles sobre laestructurade las resinas en una pgina en ingls.

Ablandamiento de aguaEntre las sustancias disueltas en el agua se encuentra ladureza. Esta es una expresin comn que representa principalmente las sales de calcio y de magnesio. En ciertas condiciones, estas sales pueden precipitar y formar depsitos (sarro), que se ven en la hervidora de su cocina, y tambin pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en calderas. El ablandamiento de agua es la eliminacin de esta dureza: los iones Ca++y Mg++que forman el sarro se intercambian por iones Na+que son mucho ms solubles y no precipitan.Para ablandar agua se toma una resina intercambiadora de cationes en la cual los iones mviles dentro de la resina son sodio (Na+) y se pasa el agua a travs de una columna llenada con esta resina en forma sodio. Los iones de dureza Ca++et Mg++entran en las perlas de resina, y cada uno de estos iones produce la salida de dos iones de sodio. La reaccin de intercambio se puede escribir:2 RNa + Ca++R2Ca + 2 Na+La figura 4 ilustra esta reaccin: las perlas de resina son inicialmente cargadas con iones de sodio (Na+). Cada ion de calcio o de magnesio que penetra en la resina es reemplazado por dos iones que salen. Los aniones del agua no representados en esta figura no pueden entrar en la resina, porque seran rechazados por los aniones sulfonato fijos (SO3) que forman los grupos activos de la resina.Figura 4: Ablandamiento (intercambio de sodio) en una resinaEste intercambio de cationes es eficaz porque la resina intercambiadora tiene unaafinidadms grande para los cationes de dureza que para el sodio. En trminos sencillos, la resina prefiere el calcio. El resultado del ablandamiento no es una eliminacin neta de los cationes "duros" del agua, sino una sustitucin por iones de sodio.Evidentemente, este intercambio no es ilimitado: despus de un cierto tiempo, la resina ha quitado tantos cationes de calcio y magnesio del agua que no queda espacio para acoger otros. El perodo deagotamientoest terminado, y hay que cambiar la cantidad de resina agotada por una resina fresca, o regenerarla (vase abajo).

DesmineralizacinSi cambiamos todos los cationes disueltos en el agua por iones H+y todos los aniones por iones OH, esos se van a recombinar para producir nuevas molculas de agua. Para conseguir esto, necesitamos una resina intercambiadora de cationes en la forma H y una resina intercambiadora de aniones en la forma OH. Todos los cationes y aniones del agua se intercambian y el resultado neto es unadesaparicincompleta de las impurezas ionizadas. La reaccin del intercambio de cationes es:2 R'H + Ca++R2Ca + 2 H+R'H + Na+R'Na + H+En estas ecuaciones, R' representa la resina intercambiadora de cationes. El intercambio es ilustrado en la figura 5. La resina es inicialmente en la forma hidrgeno (H+). Los aniones no aparecen en esta ilustracin. Se ve que un ion calcio Ca++entrando en la resina causa la salida de dos iones H+, mientras un ion Na+se intercambia por un ion H+.Figura 5: Descationizacin (todos los cationes reemplazados por H+).De modo parecido, una resina en forma OHpuede eliminar todos los aniones:ROH + ClRCl + OH2 ROH + SO4=R2SO4+ 2 OHEn las ecuaciones, R representa la resina intercambiadora de aniones. Todos los aniones son reemplazados por iones hidrxido (OH). No hay aqu ilustracin de este intercambio aninico, porque es exactamente similar al intercambio de cationes ilustrado en la figura 5.Al final del proceso de intercambio, las perlas de resina han eliminado todos los cationes y aniones presentes en el agua y liberado una cantidad equivalente de iones H+y OH. Las resinas son casi completamente agotadas (fig. 6).Estos iones H+y OHse recombinan instantneamente y producen nuevas molculas de agua:H++ OHHOHH2OLos contaminantes ionizados estn ahora en las dos resinas (Na, Ca y Mg en el intercambiador de cationes, Cl, SO4y HCO3en el intercambiador de aniones), y el agua ha sidocompletamente desmineralizada. Su salinidad es ahora casi nada, solo unos iones escapados de las columnas de resina, que llamamos globalmentefuga inica.Figura 6: Las resinas son agotadas.Iones H+y OHfueron liberados en el agua.La desmineralizacin se puede entonces esquematizar en la ilustracin siguiente:Figura 7: La desmineralizacin en una sola imagen!

RegeneracinUna vez agotadas las resinas, se pueden regenerar a su forma inicial para reanudar la operacin de intercambio. As, el intercambio inico es un proceso cclico y no continuo. La regeneracin de las resinas se hace segn reacciones inversas de las presentadas en los prrafos anteriores.Regeneracin de un ablandadorLa regeneracin de una resina ablandadora se hace con iones sodio (Na+) suministradas por una solucin de cloruro de sodio (sal comn NaCl). la reaccin de regeneracin es:R2Ca + 2 NaCl2 RNa + CaCl2La regeneracin es eficaz solo cuando la concentracin del regenerante es alta, tpicamente 1000 veces la concentracin en agua normal. Por ejemplo, la sal de regeneracin de un ablandador se utiliza en una salmuera con una concentracin de 10% (un poco ms de 100g/L) .Ahora sabe porqu pone sal en su lavaplatos: esta sal diluida en agua regenera el cartucho de resina ubicada en el fondo de la mquina, fuera de vista.Regeneracin de una planta de desmineralizacincidos fuertes, por ejemplo el cido clorhdrico (HCl) o el cido sulfrico (H2SO4) son totalmente disociados en solucin y pueden proporcionar los iones H+necesarios para reemplazar los iones cargados durante la fase de agotamiento de la resina que ahora ocupan los sitios activos:RNa + HClRH + NaClDe manera similar, bases fuertes en prctica se emplea siempre sosa custica NaOH pueden proporcionar los iones OHpara reemplazar los aniones eliminados por la resina:RCl + NaOHROH + NaClSe puede ver en estas reacciones que la regeneracin produce vertidos salinos. Eso es la principal desventaja del intercambio inico.Vase otra pgina sobre losprocesos de regeneracinen co- y contra-corriente.

A qu se parece una resina?Haga clic en las imgenesMuestra de AmberliteTMFPC23AmberjetTMpara lechos mixtosAmberjetTM4400

Ms fotosde resinas bajo el microscopio estn en otra pgina.

Funcionamiento en columnasTanto en el laboratorio como en plantas industriales, las resinas funcionan en columnas. El agua o la solucin de tratar pasa a travs de la resina. En la imagen de derecha se ve la resina fresca, y luego cargada poco a poco con los iones de la solucin de tratar. Iones cargados inicialmente en la resina no visibles aqu migran el la solucin tratada. Al final de la operacin, algunos de estos iones "oscuros" escapan en la solucin tratada (aparicin de la fuga, o fin del ciclo) y se para la fase de agotamiento.Las imgenes siguientes ilustran una columna de laboratorio, una columna industrial simplificada, y una planta industrial de tipo AmberpackTM.

En el laboratorioColumna industrialColumna de tipo AmberpackTM

La jarra delprincipiode esta pgina contiene un filtro llenado de carbn activo y de resina intercambiadora de iones. El volumen de resina es aproximadamente 150ml. Para comparar, una columna industrial grande puede tener 20'000L de resina, a veces ms.

Capacidad de intercambioCapacidad totalEl nmero de grupos activos corresponde a la capacidad total de una resina. Puesto que hay millones de millones de grupos en una sola perla de resina, la capacidad total volmica se expresa enequivalentes por litrode resina. Un equivalente representa 6,021023grupos activos. Sin embargo, no hay que acordarse de este nmero, llamado nmero de Avogadro.Una resina intercambiadora de cationes fuertemente cida tpica tiene una capacidad total de 1,8 a 2,2eq/LUna resina intercambiadora de cationes dbilmente cida tpica tiene una capacidad total de 3,7 a 4,5eq/LUna resina intercambiadora de aniones dbil o fuerte tpica tiene una capacidad total de 1,1 a 1,4eq/LCapacidad tilEn la ilustracin del funcionamiento en columna del prrafo anterior, la resina es totalmente regenerada al principio del ciclo, pero no totalmente agotada al final de la fase de produccin. La definicin de la capacidad til, ocapacidad operativa, es la diferencia entre los sitios regenerados al principio y al final del perodo de produccin. Se expresa tambin en equivalentes por litro.En operacin normal, la capacidad til de la resina es aproximadamente la mitad de la capacidad total. Los valores normales son de 40 a 70% de la capacidad total, en funcin de las condiciones de operacin. Vaseotros detallesen una pgina separada.Lo importante en el intercambio inico es elnmerode los iones y sucarga, y no su masa. Entonces todos losanlisis de aguadeben ser presentados convirtiendo las masas (concentraciones en mg/L) en equivalentes (meq/L).Porqu est expresada la cantidad de resina en volumen y no en peso?para el dise de una columna de intercambio inico, lo importante es el volumen de resina y no su masa. Las resinas tienen distintos valores de densidad (vase la pgina en ingls sobre laspropiedadesde las resinas), as que estas se venden por unidad de volumen, en litros o metros cbicos, o en pis cbicos en los EEUU. Muchas de las propiedades de las resinas se expresan tambin por volumen.

Calidad del agua tratadaEn una desmineralizacin tpica regenerada en contra-corriente, la calidad del agua tratada expresada en conductividad es 1S/cm o menos. Considerando que el agua de ro o de pozo tiene una conductividad entre 100 y ms de 1000S/cm, la eficacia del intercambio inico es varia entre 99 y ms de 99,9%, mucho ms alta que los otros procesos que son smosis inversa o destilacin.

Lmites del intercambio inicoPara ser eficaz, el intercambio inico necesita unadiferencia de afinidadentre los iones en solucin y el ion inicialmente en la resina.El intercambio inico es una tcnica perfecta para eliminar o sustituir contaminantes debaja concentracinen el lquido de tratar. En tal caso, la duracin del ciclo es larga, entre unas horas y varias semanas o meses. Por el contrario, si la concentracin es alta, digamos varios gramos por litro de agua o de solucin, el ciclo llega a ser muy corto y la cantidad de regenerante aumenta hasta valores intolerables. Para el tratamiento de aguas salobres (las aguas de pozo en ciertas regiones ridas) o de agua de mar, el intercambio inico no es una tcnica viable y otras tecnologas smosis inversa o destilacin son ms apropiadas.Adems, contaminantes no ionizados no se pueden eliminar por intercambio inico. Las tecnologas adecuadas emplean carbn activo, adsorbentes sintticos, tamices moleculares y otros medios filtrantes. Ciertos tipos de filtracin con membranas, tal como la ultrafiltracin y la nanofiltracin, pueden tambin constituir soluciones buenas.

Intercambio selectivoGracias a la diferencia de afinidad entre varios iones, las resinas intercambiadoras de iones pueden servir para la eliminacin selectiva de varios iones. Uno de los ejemplos ms comunes es el ablandamiento descrito arriba. No se puede ablandar agua con la smosis inversa es decir eliminar solo los iones de dureza Ca++y Mg++ ; la OI solo puede producir una desmineralizacin parcial y tiene baja tolerancia para iones divalentes que puedan precipitar. Por su lado, el intercambio inico permite eliminar dureza con una resina en forma Na+. De manera semejante, se puede eliminar nitratos y sulfatos, por lo menos en parte, con una resina intercambiadora de aniones en forma cloruro. Eso funciona porque la resina tiene ms afinidad o una selectividad ms alta para los iones nitrato o sulfato que para el cloruro. La orden de afinidad es:SO4=> NO3> Cl> HCO3> OH> FAs, no hay manera prctica con ningn proceso para eliminar nicamente los iones cloruro del agua sin tocar los otros aniones.Para resinas intercambiadoras de cationes usadas en ablandamiento, la orden es:Pb++> Ca++> Mg++> Na+> H+El plomo (Pb) est en la lista para ilustrar que trazas de plomo disuelto se eliminan en un ablandamiento, y varios otros metales pesantes tambin (pero no todos). Vase lastablas de selectividadpara resinas intercambiadoras decationesy deaniones.Es a veces difcil eliminar ciertos contaminantes con resinas clsicas, debido a la "competencia" con otros iones inofensivos. En muchos casos, resinas especficas fueron creadas, y son disponibles para la eliminacin de: Boro Nitrato Perclorato Nquel Cromato Uranioy algunos otros contaminantes.

Fuera del tratamiento de aguaHay un gran nmero de aplicaciones en otros campos. He aqu unos ejemplos: Ablandamiento de jugos de azcar antes de la evaporacin Eliminacin de color en jarabes de azcar de caa Separacin cromatogrfica de glucosa y fructosa Desmineralizacin de suero de leche, de glucosa y varios otros productos de la industria alimenticia Recuperacin de polifenoles usados en varios alimentos industriales Recuperacin de uranio en minas Recuperacin de oro en talleres de electroplastia Separacin de metales en solucin Catlisis de aditivos de gasolina Extraccin de antibiticos y otras sustancias de caldos de fermentacin Purificacin de cidos orgnicos Resinas en polvo utilizadas en formulaciones farmacuticasVase una larga pgina en espaol sobre todas estas y otrasaplicaciones.

ConclusinEl intercambio inico es una tcnica poderosa para la eliminacin de impurezas en el agua y varias soluciones. Muchas industrias dependen del intercambio inico para producir agua de pureza extrema: Centrales elctricas nucleares y trmicas Semiconductores, chips electrnicos, pantallas de ordenadores Eliminacin selectiva de contaminantes en el agua potableSe encuentran tambin muchas aplicaciones en otros campos, como lo indicamos en el prrafo anterior.Vase elsite mapcon varias pginas detalladas en aplicaciones, procesos de operacin, propriedades de las resinas, y otros temas del intercambio inico.

Amberjet, Amberlite y Amberpack son marcas de Rohm and Haas, una filial dethe Dow Chemical Company.

Franois de Dardel