Capacidad. La capacidad de intercambio iónico se puede expresar de varias maneras. La capacidad total, es decir, el número total de sitios disponibles para el intercambio, se determina normalmente después de convertir la resina mediante técnicas de regeneración química a una forma iónica determinada. Luego, el ion se elimina químicamente de una cantidad medida de resina y se determina cuantitativamente en solución mediante métodos analíticos convencionales. La capacidad total se expresa en peso seco, peso húmedo o volumen húmedo. Figura 1. Esquema de la resina de intercambio catiónico que muestra la matriz cargada negativamente y los iones positivos intercambiables. La absorción de agua de una resina y, por lo tanto, su capacidad de peso húmedo y volumen húmedo dependen de la naturaleza de la cadena principal del polímero, así como del entorno en el que se coloca la muestra.
La capacidad operativa es una medida del rendimiento útil obtenido con el material de intercambio iónico cuando funciona en una columna bajo un conjunto prescrito de condiciones. Depende de una serie de factores que incluyen la capacidad inherente (total) de la resina, el nivel de regeneración, la composición de la solución tratada, los caudales a través de la columna, la temperatura, el tamaño de las partículas y la distribución. En la Figura 3 se muestra un ejemplo para el caso de ablandamiento de agua con una resina sulfónica estándar en varios niveles de regenerante. Hinchazón.
El hinchamiento del agua de un intercambiador de iones es principalmente una hidratación de los grupos iónicos fijos y aumenta con el aumento de la capacidad hasta los límites impuestos por la red polimérica. Los volúmenes de resina cambian con la conversión a formas iónicas de diferentes grados de hidratación; por lo tanto, para un intercambiador de cationes, hay un cambio de volumen con las especies de iones monovalentes, Li + > Na + > K + > Cs + > Ag +. Con iones polivalentes, la hidratación se reduce por la acción de reticulación; por lo tanto, Na+ > Ca2+ > Al 3+ . En soluciones más concentradas, se absorbe menos agua debido a una mayor presión osmótica. Selectividad. Las reacciones de intercambio iónico son reversibles. Al poner en contacto una resina con un exceso de electrolito (B + en la siguiente reacción), la resina se puede convertir completamente a la forma de sal deseada: RA + + B + ! RB + +A + Sin embargo, con una cantidad limitada de B + en contacto por lotes, se establece un equilibrio reproducible que depende de las proporciones de A + y B + y de la selectividad de la Figura 2. Capacidad total vs. Enlace (porcentaje DVB) Resina de ácido poliestireno sulfónico, forma H + Figura 3. Capacidad operativa versus nivel de regenerante para operación en ciclo de sodio, resina de resina de ácido sulfónico. El coeficiente de selectividad, KBA, para esta reacción viene dado por: donde m y se refieren a concentraciones iónicas en solución y fase de resina, respectivamente. Los coeficientes de selectividad de la resina se han determinado para una variedad de especies iónicas y se han relacionado con H+ para cationes y OH- para aniones, a los que se les asignan valores de selectividad de 1.00. Cinética. La velocidad con la que se produce el intercambio iónico. El proceso de intercambio iónico implica la difusión a través de la película de solución que está en estrecho contacto con las resinas y la difusión dentro de la partícula de resina. La difusión de la película controla la velocidad en concentraciones bajas y la difusión de partículas controla la velocidad en concentraciones altas. Ya sea que la difusión de película o la difusión de partículas sea el mecanismo de control de la velocidad, el tamaño de partícula de la resina también es un factor determinante. Las resinas de tamaño de partícula uniforme exhiben un rendimiento cinético mejorado en comparación con las resinas polidispersas convencionales debido a la ausencia de perlas más grandes cinéticamente lentas.
Estabilidad. Los agentes oxidantes fuertes, como el ácido nítrico o crómico, degradan rápidamente las resinas de intercambio iónico. Se puede inducir catalíticamente una degradación más lenta con oxígeno y cloro. Por esta razón, ciertos iones metálicos, como hierro, manganeso y cobre, deben minimizarse en una solución oxidante. En el caso de los intercambiadores de cationes, el ataque se produce principalmente en la cadena principal del polímero. Las resinas catiónicas altamente reticuladas tienen una vida útil prolongada debido al gran número de sitios que deben ser atacados antes de que el hinchamiento reduzca la capacidad basada en el volumen útil y produzca propiedades físicas inaceptables, por ejemplo, reducción de la resistencia al aplastamiento y aumento de la caída de presión. Con los intercambiadores aniónicos, el ataque ocurre primero en los grupos funcionales más susceptibles, lo que lleva a la pérdida de la capacidad total y/o a la conversión de la capacidad de base fuerte en base débil. Los límites de la estabilidad térmica los impone la fuerza del enlace carbono-nitrógeno en el caso de las resinas aniónicas. Esta fuerza es sensible al pH y un pH bajo mejora la estabilidad. Se recomienda una limitación de temperatura de 60 °C (140 °F) para operaciones del ciclo de hidróxido. La estabilidad de la resina catiónica también depende del pH; la estabilidad a la hidrólisis del enlace carbono-azufre disminuye con la disminución del pH. Sin embargo, son mucho más estables que los aniones y pueden funcionar hasta 150°C (300°F). Estructura y fabricación de la resina La fabricación de resinas de intercambio iónico implica la preparación de un copolímero de perlas reticuladas seguido de sulfonación en el caso de resinas catiónicas de ácido fuerte, o clorometilación y aminación del copolímero para resinas aniónicas. Resinas de intercambio catiónico.
Las resinas de intercambio catiónico de ácido débil se basan principalmente en un ácido acrílico o metacrílico que ha sido reticulado con un monómero difuncional (generalmente divinilbenceno [DVB]). El proceso de fabricación puede comenzar con la polimerización del éster del ácido en suspensión seguida de la hidrólisis del producto resultante para producir el grupo ácido funcional. Las resinas ácidas débiles tienen una alta afinidad por el ion hidrógeno y, por lo tanto, se regeneran fácilmente con ácidos fuertes. La resina regenerada con ácido exhibe una alta capacidad para los metales alcalinotérreos asociados con la alcalinidad y una capacidad más limitada para los metales alcalinos con alcalinidad. No se produce ninguna división significativa de la sal con las sales neutras. Sin embargo, cuando la resina no está protonada (por ejemplo, si ha sido neutralizada con hidróxido de sodio), se puede realizar el ablandamiento, incluso en presencia de un fondo alto de sal. Las resinas de ácido fuerte son copolímeros sulfonados de estireno y DVB. Estos materiales se caracterizan por su capacidad para intercambiar cationes o dividir sales neutras y son útiles en todo el rango de pH. Resinas de intercambio aniónico. Las resinas de base débil no contienen sitios iónicos intercambiables y funcionan como adsorbentes de ácido. Estas resinas son capaces de absorber ácidos fuertes con alta capacidad y se regeneran fácilmente con cáusticos. Por lo tanto, son particularmente efectivos cuando se usan en combinación con un anión base fuerte al proporcionar una alta capacidad operativa y eficiencia de regeneración en general.
La resina Ionic Systems PC-200 está probada y certificada por WQA bajo Pure Resin Company, LTD. contra NSF/ANSI 44 y 61.
