Aplicaciones

Para un proceso de intercambio iónico práctico en los laboratorios se emplean dos técnicas: el método por lote y el método por columna.

Método por lote

El procesamiento mediante intercambio iónico por lotes es favorable cuando las reacciones deben realizarse en un sistema cerrado y la entrada de nuevas sustancias a través de la resina es técnicamente imposible, como ocurre en los procesos catalíticos. En esta técnica, la resina de intercambio iónico y la disolución se mezclan en un reactor de lote; se permite que el intercambio llegue al equilibrio, luego se elimina la resina de la disolución mediante filtración, se lava y se regenera en un sistema especial.

Método por columna

Tanto en análisis como en procesos, el hacer pasar una disolución a través de una columna que contenga un lecho de resina de intercambio es análogo a tratar la disolución en una serie infinita de reactores de lote. Por consiguiente, la separación es equivalente a la conseguida en un proceso por lote. El relleno de la columna se realiza con facilidad y requiere solo unas pocas etapas prácticas. En primer lugar, el intercambiador iónico se mezcla con agua destilada en un vaso de precipitados. En general, bastan dos horas para que se hinche. A continuación, se introduce en la columna para obtener un relleno uniforme de la columna. Por tanto, el intercambiador iónico debe estar cubierto por completo por una capa acuosa para evitar la formación de burbujas de aire, y el exceso de agua debe retirarse constantemente. Se coloca una bola de algodón en la parte superior de la columna, y la columna se lava varias veces con agua destilada.

Etapas de los ciclos de trabajo de intercambio iónico

• Intercambio iónico
• Lavado del relleno de intercambio iónico de la columna
• Regeneración o elución por separado

Las etapas de lavado son necesarias para retirar el exceso de disolución introducida. La regeneración hace que el intercambiador de iones adquiera su forma iónica anterior. Esto significa que la resina se limpia de los iones recién intercambiados y se mezcla con una disolución de los iones que los sustituyen. Como alternativa, también es posible eluir y recoger el ion intercambiado.

Campos de aplicación

• Intercambiadores iónicos quelantes para enriquecimiento de trazas de iones metálicos
• Determinación del contenido salino total de las disoluciones y del agua mediante intercambio del ion hidrógeno
• Eliminación de cationes y aniones que puedan causar interferencias
• Separación cromatográfica
• Desintegración de compuestos difíciles de disolver
• Intercambiadores iónicos como catalizadores

Intercambiadores iónicos quelantes para enriquecimiento de trazas de iones metálicos

En especial en el campo del análisis de trazas inorgánicas, es posible concentrar trazas de iones metálicos a partir de disoluciones muy diluidas. Chelex® -100 es un intercambiador iónico quelante basado en un copolímero estireno-divinilbenceno que contiene grupos de ácido iminodiacético. La resina del intercambiador iónico prefiere cationes divalentes y polivalentes quelantes. Su capacidad para unirse a los iones metálicos viene determinada por el valor del pH. Los resultados óptimos se consiguen en un intervalo de pH comprendido entre 4 y 7. Después de concentrar los iones metálicos en el intercambiador iónico, son eluidos de la resina con ácido nítrico al 5 %, que protona los grupos iminodiacetato. Se recomienda la técnica de columna para esta cromatografía iónica quelante.

Determinación del contenido salino total de las disoluciones y del agua mediante intercambio del ion hidrógeno

Para la determinación del contenido salino total, la disolución salina se aplica sobre un intercambiador catiónico muy ácido y a continuación se valora el ácido generado en el eluido. El requisito previo es que los cationes se intercambien cuantitativamente por iones H⁺; el ácido generado puede valorarse alcalimétricamente. Esta técnica puede aplicarse a todas las disoluciones que contienen iones cloruro, bromuro, yoduro, nitrato, perclorato, sulfato, fosfato, bromato, yodato, peryodato, borato, acetato u oxalato.

Eliminación de cationes y aniones que puedan causar interferencia

En ocasiones, la presencia de cationes interfiere en la determinación de aniones. Estos cationes pueden eliminarse por medio de un intercambiador de cationes muy ácido. Posteriormente pueden determinarse los aniones en el eluido.

Determinación cuantitativa de sulfatos en agua según la DIN

Los cationes se intercambian por iones H⁺ con un intercambiador de cationes muy ácido. Se añade disolución estándar de cloruro de bario en exceso para que reaccione con el sulfato, y se hace una valoración complexométrica de la cantidad de cloruro de bario no consumida. Esta prueba puede utilizarse para la determinación de sulfatos en el agua potable, las aguas residuales y las aguas superficiales con concentraciones > 5 mg de sulfato/l. Las muestras con menores concentraciones de sulfato deben evaporarse.

Determinación cuantitativa de nitratos en el agua según la DIN

El hierro interfiere en la determinación colorimétrica del nitrato con el método alemán de salicilato sódico. También en este caso, el uso de un intercambiador catiónico muy ácido elimina el catión antes del análisis.

Determinación fotométrica de fluoruros en agua potable usando lantano - alizarin complexona después de la separación mediante intercambio iónico de los iones que causan interferencia.

Los iones fluoruro tienden a formar complejos estables. Por ello, deben eliminarse los cationes del agua del grifo antes del análisis. Según la técnica de KEMPF, los iones que interfieren se intercambian con un intercambiador de cationes muy ácido. A continuación, se mezclan los fluoruros con el reactivo y se determina fotométricamente el "complejo alizarina-fluoruro azul" generado.

Separaciones cromatográficas

Es posible separar cromatográficamente los cationes o los aniones disueltos mediante resinas de intercambio iónico. El principio de la separación se determina por la afinidad de los iones con el intercambiador iónico. Esta selectividad depende del tipo de carga, la carga, el tamaño y la forma de los iones que van a intercambiarse. La elución tiene lugar mediante gradiente gradual de los eluyentes ácidos o básicos. Muy a menudo, para mejorar la eficiencia de la separación, se utilizan eluyentes complejantes, como el ácido etilendiamino acético (Titriplex III), el ácido tartárico o el ácido cítrico.

Resinas de intercambio iónico para desintegración de sales que son difíciles de disolver

Las suspensiones acuosas de sales difícilmente solubles pueden disolverse con intercambiadores iónicos sólidos en modo por lote si el producto de solubilidad de las sales no es demasiado bajo. Debido a la mayor velocidad de la reacción, los intercambiadores de cationes suministrados en iones H⁺ son particularmente adecuados para este propósito. Durante el proceso de intercambio iónico, se generan constantemente protones, aumentando así la solubilidad. Esta técnica es aplicable para la disolución de los fosfatos de calcio, estroncio, bario, manganeso, cinc, cobalto y níquel, así como para los sulfatos de calcio, estroncio, bario y plomo a temperaturas elevadas.

Intercambiadores iónicos como catalizadores ácido-básicos

Es bien sabido que los ácidos o las bases se usan como catalizadores para muchas reacciones orgánicas, como las esterificaciones, las hidrólisis, las condensaciones, las polimerizaciones, las deshidrataciones, las ciclizaciones y los reordenamientos. Las resinas muy ácidas suministradas como H⁺ se utilizan a menudo como catalizadores ácidos fuertes en vez de ácidos solubles. Muestran actividad catalítica similar al ácido sulfúrico en las esterificaciones, las epoxidaciones, las hidrólisis, las alquilaciones fenólicas y otras reacciones catalizadas por ácidos. Los intercambiadores de cationes débilmente ácidos no son adecuados para fines catalíticos porque el sitio iónico funcional no está muy disociado. Para las reacciones catalizadas por bases, pueden aplicarse intercambiadores de aniones muy básicos o medianamente básicos suministrados como iones OH-.

Ventajas de las resinas de intercambio frente a los catalizadores disueltos en la fase de reacción homogénea

• Fácil separación del catalizador y la mezcla de reacción mediante filtración simple del producto o la mezcla de reacción. Las resinas catalizadoras utilizadas en modo columna, facilitan el uso de un proceso más continuo.
• Es muy frecuente que las resinas catalizadoras puedan reutilizarse de manera directa y repetida sin regeneración.
• A menudo es posible una mayor selectividad de la dirección de la reacción usando resinas de intercambio iónico como catalizadores. A veces se reduce o eliminan las reacciones secundarias. En algunos casos, es posible aislar intermediarios de la reacción no obtenibles con catalizadores solubles.
• En general, las resinas catalizadoras evitan la contaminación del producto de la reacción con iones de las impurezas. Además, evitan las reacciones secundarias que pueden causar interferencias de modo que los productos de la reacción exhiben una pureza única. Aumentan el rendimiento en comparación con una reacción con catalizadores solubles en una fase homogénea.
• Las resinas de intercambio iónico son más fáciles de manipular que sus homólogos solubles.
• También se reduce notablemente la contaminación de las aguas residuales.

Reacciones más importantes catalizadas por intercambiadores iónicos

• Esterificaciones
• Condensaciones
• Condensaciones aldólicas
• Oligomerización
• Síntesis de cianhidrinas
• Nitración
• Inversión de azúcares
• Hidrólisis
• Hidrataciones
• Polimerizaciones 
• Alquilaciones
• Formación de acetatos
• Epoxidaciones
• Reacciones de reordenamiento

Cartera de productos

• Intercambiador iónico I
• Intercambiador iónico II
• Intercambiador iónico III
• Intercambiador iónico IV
• Intercambiador iónico V
• Intercambiador iónico Amberjet® 4200
• Intercambiador iónico Amberlite® IR-120 (forma H+)
• Intercambiador iónico Amberlite® IR-120 (forma Na+)
• Intercambiador iónico Amberlite® IRA-67
• Intercambiador iónico Amberlite® IRA-402
• Intercambiador iónico Amberlite® IRA-410
• Intercambiador iónico Amberlite® IRN-150
• Intercambiador iónico Amberlite® MB-3
• Intercambiador iónico Amberlite® MB-6113
• Intercambiador iónico Amberlyst® 15
• Intercambiador iónico Dowex® 50 WX 4
• Intercambiador iónico Dowex® 50 W-X8
• Intercambiador iónico Dowex® 1-X8
• Resina adsorbente Amberlite® XAD-4