Ion exchange column

Aplicaciones analíticas del intercambio de iones…

El intercambio iónico es un proceso utilizado para eliminar los iones disueltos de una solución mediante la sorción electrostática en materiales de intercambio iónico (más comúnmente en resinas de intercambio iónico). Los iones eliminados se sustituyen por cantidades equivalentes de otros iones con la misma carga. El intercambio iónico se utiliza sobre todo para la purificación, pero también se aplica ampliamente en la separación y extracción de sustancias valiosas. La desionización del agua y el ablandamiento del agua pueden citarse como las aplicaciones más comunes. Sin embargo, el espectro de aplicaciones varía desde la extracción a gran escala de metales en procesos hidrometalúrgicos hasta la purificación en laboratorio de proteínas de gran valor.
Los iones metálicos contenidos inicialmente en una solución acuosa se intercambian con iones contenidos inicialmente en un material sólido (la mayoría de ellos en una resina orgánica de intercambio iónico). Este proceso se denomina intercambio de cationes y puede ilustrarse con la reacción
donde B- e Y- = aniones o complejos de iones metálicos cargados negativamente. La selectividad química de las reacciones (1) y (2) es deseable pero no es un requisito. Al contrario que en muchas otras separaciones químicas, las reacciones (1) y (2) pueden utilizarse con éxito aunque se desplacen en la dirección «equivocada». Para conseguir una separación eficaz, se aplican técnicas de columna.

Tipos de columnas de intercambio iónico

En la cromatografía de intercambio iónico, el soporte está formado por pequeñas perlas a las que se adhieren sustancias químicas con carga. Cada molécula cargada tiene un contra-ión. La figura muestra las perlas (azul) con grupos cargados negativamente (rojo) unidos. En este ejemplo, el contra-ión es el sodio, que está cargado positivamente. Los grupos cargados negativamente no pueden salir de las perlas, debido a su unión covalente, pero los contra-iones pueden ser «intercambiados» por moléculas de la misma carga. Así, en la columna de intercambio catiónico, los grupos químicos unidos a las perlas son grupos cargados negativamente y tendrán contra-iones cargados positivamente y los compuestos cargados positivamente presentes en una mezcla que pase por la columna se intercambiarán con los contra-iones y se «pegarán» a los grupos cargados negativamente de las perlas. Las moléculas de la muestra que sean neutras o estén cargadas negativamente pasarán rápidamente por la columna. Por otro lado, en la cromatografía de intercambio aniónico, los grupos químicos unidos a las perlas están cargados positivamente y los contra-iones están cargados negativamente. Las moléculas de la muestra que están cargadas negativamente se «pegarán» y otras moléculas pasarán rápidamente. Para eliminar las moléculas «pegadas» a una columna, basta con añadir una alta concentración de los contra-iones adecuados para desplazarlas y liberarlas. Este método permite recuperar todos los componentes de la mezcla que comparten la misma carga.

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El intercambio iónico es un intercambio reversible de un tipo de ión presente en un sólido insoluble con otro de carga similar presente en una solución que rodea al sólido. La reacción se utiliza especialmente para ablandar o desmineralizar el agua, la purificación de productos químicos y la separación de sustancias.
El intercambio iónico suele describir un proceso de purificación de soluciones acuosas utilizando resina polimérica sólida de intercambio iónico. Más concretamente, el término engloba una gran variedad de procesos en los que se intercambian iones entre dos electrolitos[1]. Además de su uso para purificar el agua potable, la técnica se aplica ampliamente para la purificación y separación de una variedad de sustancias químicas de importancia industrial y medicinal. Aunque el término suele referirse a aplicaciones de resinas sintéticas (hechas por el hombre), puede incluir muchos otros materiales, como la tierra.
Los intercambiadores de iones típicos son las resinas de intercambio iónico (polímero poroso o gel funcionalizado), las zeolitas, la montmorillonita, la arcilla y el humus del suelo. Los intercambiadores de iones son intercambiadores de cationes, que intercambian iones con carga positiva (cationes), o intercambiadores de aniones, que intercambian iones con carga negativa (aniones). También hay intercambiadores anfóteros que son capaces de intercambiar cationes y aniones simultáneamente. Sin embargo, el intercambio simultáneo de cationes y aniones suele realizarse en lechos mixtos, que contienen una mezcla de resinas de intercambio aniónico y catiónico, o haciendo pasar la solución por varios materiales de intercambio iónico diferentes.

Resina de intercambio iónico

La animación del intercambio de iones en la resina muestra que los iones no deseados de la alimentación líquida, en verde, se intercambian por iones de la misma carga, en azul, dentro de la resina. Los coiones rojos están permanentemente ligados a la resina.
El intercambio de iones en un intercambiador de iones de lecho fijo se produce en un lecho de resina empaquetada, que suele ser un material sólido en forma de perlas. Cuando la resina se agota, normalmente se regenera de forma descendente.
Las perlas de resina se alojan en recipientes de presión verticales y cilíndricos de acero o de acero inoxidable revestido de goma. Los inyectores situados en la parte superior e inferior del intercambiador de iones de lecho fijo distribuyen el líquido que contiene los iones no deseados (verde) y soportan la resina. La resina contiene iones deseados (azul) de la misma carga que los iones no deseados, y coiones permanentemente ligados de carga opuesta (rojo). Los iones no deseados se unen a la resina fresca, mostrada por las perlas de resina de color púrpura en la siguiente animación, haciendo que los iones deseados se transfieran al líquido. La resina agotada, mostrada por las perlas verdes en la animación de abajo, se agota de iones deseados y se regenera por contacto con un flujo descendente de alta concentración de los iones deseados. Si la columna funciona en modo discontinuo, lo hará hasta que se alcance el equilibrio.