Resinas de Intercambio iónico: Absolutamente fascinantes

Las resinas de intercambio iónico son unos materiales ampliamente utilizados en múltiples campos de la química. Son absolutamente fascinantes porque, gracias a que intercambian iones con la corriente que tratan, nos permiten purificarla o llevar a cabo una reacción química. En este boletín queremos explicar cómo están formadas las resinas, en qué se basa su funcionamiento y cuáles son sus principales aplicaciones industriales.

Estructura de las resinas de intercambio iónico

En 1935, dos químicos, B.A. Adams y E.L. Holmes, en el National Chemical Laboratory de Teddington (UK), sintetizaron la primera resina de intercambio iónico, una resina fenólica. Desde entonces, la tecnología de las resinas no ha dejado de desarrollarse.

Una resina de intercambio iónico está formada por una matriz (framework) y un grupo funcional.

La matriz se obtiene mediante la polimerización de monómeros a la que se les añade un agente de reticulación, para darle mayor resistencia física al polímero.

Una vez obtenido el polímero, se adiciona el grupo funcional, que puede ser de carácter ácido o básico.

Por ejemplo, para obtener una resina catiónica fuertemente ácida, se hace reaccionar el estireno con el divinilbenzeno (agente reticulante) para obtener la matriz (estireno-divinilbenzeno). Posterior reacción con ácido sulfúrico concentrado permite obtener la resina catiónica fuertemente ácida cuya estructura se muestra a continuación:

 

 

La estructura de una resina de intercambio iónico aniónica de amonio cuaternario fuertemente básica es la siguiente:

 

Las resinas se fabrican en esferas de tamaños que varían entre 0,3 a 1,2 mm, y, variando parámetros de su fabricación, se puede obtener la estructura microporosa (o llamada tipo-gel), cuyas esferas tienen una estructura interna como la que se muestra a continuación:

 

O se puede obtener una estructura macroporosa, con un tamaño de poros, y sus esferas presentan este tipo de estructura interna:

 

Las resinas microporosas o tipo gel no presentan poros discretos de modo que los iones de soluto se difunden a través de la partícula para interactuar directamente con los sitios de intercambio.

Las resinas macroporosas ofrecen una gran superficie efectiva (ciertas resinas presentan un área superficial superior a 1000 m2/g) de modo que facilitan el intercambio iónico y sus esferas son más rígidas, facilitando la separación del sistema de reacción.

 

 

Atendiendo al tipo de grupo funcional que presentan, las resinas se pueden clasificar en los siguientes tipos:

  1. Resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas, que contienen grupos de ácido sulfónico, p. poliestireno sulfonato de sodio o ácido poli (2-acrilamido-2-metil-1-propanosulfónico)
  2. Resinas de intercambio de aniones fuertemente básicas, que contienen grupos amino cuaternarios, por ejemplo, grupos trimetilamonio, p. Ej. poli (cloruro de acrilamido-N-propiltrimetilamonio)
  3. Resinas de intercambio catiónico débilmente ácidas, que contienen ácidos carboxílicos
  4. Resinas de intercambio aniónico débilmente básicas, que contienen grupos amino primarios, secundarios y / o ternarios, por ejemplo polietilenamina.
  5. Resinas de tipo quelante: están formadas por una matriz de poliestireno y como grupos funcionales pueden tener tioles, trietilamonio y aminofosfónico.

El aspecto de las resinas varía en función de su composición, de colores desde amarillo claro hasta negro, pasando por toda la gama de marrones. Se suministran siempre húmedas porque son muy higroscópicas y para protegerlas durante el transporte. Antes de su primer uso se debe desplazar este agua que contienen con la solución a tratar o pueden secarse.

 

 

Funcionamiento de las resinas de intercambio iónico

El funcionamiento de las resinas de intercambio iónico consiste en el intercambio del ión de su grupo funcional por el ión presente en la solución, el cual se desea eliminar. En función del tipo de ión que se desee eliminar, se empleará un tipo de resina u otro.

Por ejemplo: en el caso de tratamiento de aguas, para eliminar los cationes Mg+ o Ca++, podemos emplear una resina catiónica fuertemente ácida, de modo que los cationes a eliminar se intercambian por los cationes H+ de la resina, quedando retenidos por la misma.

Puede ocurrir que la resina actúe como catalizador, en este caso, ésta cede el protón ácido para que se lleve a cabo la reacción, pero lo recupera, de modo que la composición de la resina no varía.

Las resinas se instalan en lechos fijos por los que se hace pasar la solución a tratar. Cuando la resina pierde su capacidad de intercambio iónico o se agota, se le realiza una regeneración, haciéndole pasar a través de ella una solución regenerante, con el ión original que le corresponda. Este ión, se une a los radicales de la resina y desplaza a los iones retenidos durante el funcionamiento normal. Las soluciones regenerantes más empleadas son el ácido clorhídrico o sulfúrico, la sosa caustica o una solución de cloruro sódico.

 

Aplicaciones de las resinas de intercambio iónico

  1. Tratamiento de aguas
    La principal aplicación es el ablandamiento de aguas, para eliminar los iones Ca y Mg. Se emplean resinas catiónicas fuertemente o débilmente ácidas o una combinación de ambas, dependiendo de la concentración.

Para eliminar los bicarbonatos, si están presentes, se emplean resinas catiónicas débilmente ácidas, en la etapa que se denomina desalcalinización. El agua tratada contiene dióxido de carbono que se puede eliminar con un desgasificador.

Cuando se precisa agua desionizada, se eliminan todos los iones del agua gracias a la utilización de de dos resinas: el agua pasa primero a través de una resina catiónica en forma de hidrógeno y a continuación a través de una resina aniónica en forma de hidroxilo. Por tanto, todos los cationes son reemplazados por iones de la resina catiónica y todos los aniones por los iones de la resina aniónica, los cuales se recombinan para formar nuevas moléculas de agua.

  1. Resina de intercambio iónico como catalizador
    Las resinas pueden actuar como catalizadores en varias reacciones químicas. La reacción en la que son más empleadas desde hace más de 30 años es la de la producción de ETBE y MTBE, mejoradores del octano de la gasolina. Pero también se emplean resinas como catalizadores para las siguientes reacciones:

Condensación: Obtención del bisfenol A, por reacción del fenol y la acetona

Esterificación: Obtención del dimetilmaleato, por reacción del anhídrido maleico

Alquilación: Obtención del octilfenol, por reacción del octano y el fenol

Deshidratación: Obtención del isobuteno, por reacción del isobutanol

Hidrogenación: Obtención de la metilisobutil cetona, hidrogenando la acetona

En estos casos, se trabaja en condiciones específicas de temperatura y presión para obtener el máximo rendimiento y selectividad en cada una de las reacciones.

  1. En la industria alimentaria
    Las resinas de intercambio iónico son muy empleadas en la industria alimentaria, especialmente en la de producción de azúcar. También se emplean para desmineralizar suero de la leche, zumos, bebidas, y otros alimentos, mejorando colores y olores.
  1. En la industria farmacéutica
    Las resinas tienen varios usos en la industria farmacéutica. Se emplean para formular medicamentos de liberación prolongada, adsorbiendo el ingrediente activo en la resina, que se va liberando en el cuerpo a lo largo del tiempo. También se emplean en la fase de purificación en la fabricación de distintos antibióticos y para mejorar el sabor y olor de algunos medicamentos.
  1. En plantas de energía nuclear
    Especialmente importante es la aplicación de las resinas de intercambio iónico para el tratamiento de los distintos circuitos de aguas de las plantas nucleares. En estos casos se emplean distintas resinas para evitar cualquier tipo de corrosión y realizar el tratamiento de los isótopos nucleares que deben eliminarse.
  1. Otras aplicaciones
    Las resinas se emplean en el proceso de producción de biodiesel (FAME), en la etapa de purificación del mismo, para la eliminación de la glicerina libre y la humedad.

Otros procesos en los que se emplean resinas de intercambio iónico son los siguientes: columnas cromatográficas, producción de fenol, producción de cloro y sosa , purificación de peróxido de hidrógeno, eliminación de aldehídos, extracción de uranio y recuperación de metales (interesante la recuperación de oro en joyería).

 

Como puede verse, la resinas de intercambio iónico son unos materiales muy versátiles que tienen múltiples y muy diversas aplicaciones y que nos ayudan mucho en múltiples procesos.

Esperamos que este boletín os haya resultado interesante. ¡Hasta el próximo mes!