Troca iônica -Ion exchange

Grânulos de resina de troca iônica
Coluna de troca iônica usada para purificação de proteínas

A troca iônica é uma troca reversível de um tipo de íon presente em um sólido insolúvel com outro de carga semelhante presente em uma solução que envolve o sólido, sendo a reação usada especialmente para amaciar ou tornar a água desmineralizada, purificação de produtos químicos e separação de substâncias.

A troca iônica geralmente descreve um processo de purificação de soluções aquosas usando resina de troca iônica polimérica sólida . Mais precisamente, o termo abrange uma grande variedade de processos onde os íons são trocados entre dois eletrólitos . Além de seu uso para purificar a água potável, a técnica é amplamente aplicada para purificação e separação de uma variedade de produtos químicos industrial e medicinalmente importantes. Embora o termo geralmente se refira a aplicações de resinas sintéticas (fabricadas pelo homem), ele pode incluir muitos outros materiais, como solo.

Trocadores de íons típicos são resinas de troca iônica ( polímero poroso ou gel funcionalizado), zeólitos , montmorilonita , argila e húmus do solo . Os trocadores de íons são trocadores de cátions , que trocam íons carregados positivamente ( cátions ), ou trocadores de ânions , que trocam íons carregados negativamente ( ânions ). Existem também trocadores anfotéricos que são capazes de trocar cátions e ânions simultaneamente. No entanto, a troca simultânea de cátions e ânions é frequentemente realizada em leitos mistos , que contêm uma mistura de resinas de troca aniônica e catiônica, ou passando a solução através de vários materiais de troca iônica diferentes.

Trocador de íons. Este dispositivo é embalado com resina de troca iônica.

Os trocadores de íons podem ter preferências de ligação para certos íons ou classes de íons, dependendo das propriedades físicas e da estrutura química do trocador de íons e do íon. Isso pode depender do tamanho, carga ou estrutura dos íons. Exemplos comuns de íons que podem se ligar a trocadores de íons são:

Junto com a absorção e adsorção , a troca iônica é uma forma de sorção .

A troca iônica é um processo reversível , e o trocador iônico pode ser regenerado ou carregado com íons desejáveis ​​pela lavagem com um excesso desses íons.

Tipos

Troca catiônica

  1. CM (grupo carboximetil, troca catiônica fraca)
  2. SP (grupo sulfopropil, troca catiônica forte)

Troca aniônica

Formulários

A troca iônica é amplamente utilizada na indústria de alimentos e bebidas, hidrometalurgia, acabamento de metais, química, petroquímica, tecnologia farmacêutica, produção de açúcar e adoçantes, tratamento de água subterrânea e potável, nuclear, amaciamento, tratamento de água industrial, semicondutor, energia e muitas outras indústrias.

Um exemplo típico de aplicação é a preparação de água de alta pureza para as indústrias de engenharia de energia , eletrônica e nuclear; ou seja , trocadores de íons insolúveis poliméricos ou inorgânicos são amplamente utilizados para amaciamento de água, purificação de água, descontaminação de água , etc.

A troca iônica é um método amplamente utilizado em filtros domésticos para produzir água macia para o benefício de detergentes para roupas, sabonetes e aquecedores de água. Isso é realizado pela troca de cátions bivalentes (como cálcio Ca 2+ e magnésio Mg 2+ ) com cátions monovalentes altamente solúveis (por exemplo, Na + ou H + ) (veja amolecimento da água ). Outra aplicação para troca iônica no tratamento de água doméstica é a remoção de nitrato e matéria orgânica natural .

A cromatografia de troca iônica industrial e analítica é outra área a ser mencionada. A cromatografia de troca iônica é um método cromatográfico amplamente utilizado para análise química e separação de íons. Por exemplo, em bioquímica é amplamente utilizado para separar moléculas carregadas, como proteínas . Uma área importante de aplicação é a extração e purificação de substâncias produzidas biologicamente, como proteínas ( aminoácidos ) e DNA / RNA .

Processos de troca iônica são usados ​​para separar e purificar metais , incluindo a separação de urânio de plutônio e outros actinídeos , incluindo tório , neptúnio e amerício . Este processo também é usado para separar os lantanídeos , como lantânio , cério , neodímio , praseodímio , európio e itérbio , uns dos outros. A separação de neodímio e praseodímio era particularmente difícil, e antigamente se pensava que era apenas um elemento didímio – mas isso é uma liga dos dois.

Existem duas séries de metais de terras raras , os lantanídeos e os actinídeos, cujas famílias têm propriedades químicas e físicas muito semelhantes. Usando métodos desenvolvidos por Frank Spedding na década de 1940, os processos de troca iônica eram antigamente a única maneira prática de separá-los em grandes quantidades, até o desenvolvimento das técnicas de "extração por solvente" que podem ser ampliadas enormemente.

Um caso muito importante de troca iônica é o processo de extração de plutônio-urânio ( PUREX ), que é usado para separar o plutônio-239 e o urânio do amerício , cúrio , neptúnio , os produtos radioativos da fissão que vêm de reatores nucleares . Assim, os produtos residuais podem ser separados para eliminação. Em seguida, o plutônio e o urânio estão disponíveis para a fabricação de materiais de energia nuclear, como novo combustível para reatores e armas nucleares .

O processo de troca iônica também é usado para separar outros conjuntos de elementos químicos muito semelhantes, como zircônio e háfnio , o que também é muito importante para a indústria nuclear. Fisicamente, o zircônio é praticamente transparente aos nêutrons livres, usados ​​na construção de reatores nucleares, mas o háfnio é um absorvedor muito forte de nêutrons, usado em hastes de controle de reatores . Assim, a troca iônica é usada no reprocessamento nuclear e no tratamento de resíduos radioativos .

As resinas de troca iônica na forma de membranas finas também são usadas no processo de cloro-álcalis , células de combustível e baterias redox de vanádio .

Imagem idealizada do processo de amolecimento da água, envolvendo a troca de íons de cálcio em água com íons de sódio de uma resina de troca catiônica em base equivalente.
Grandes trocadores de íons de cátions/ânions usados ​​na purificação de água de alimentação de caldeiras

A troca iônica também pode ser usada para remover a dureza da água trocando íons de cálcio e magnésio por íons de sódio em uma coluna de troca iônica. A dessalinização por troca iônica em fase líquida (aquosa) foi demonstrada. Nesta técnica, ânions e cátions em água salgada são trocados por ânions de carbonato e cátions de cálcio, respectivamente, usando eletroforese . Os íons de cálcio e carbonato então reagem para formar carbonato de cálcio , que então precipita, deixando para trás água doce. A dessalinização ocorre à temperatura e pressão ambiente e não requer membranas ou trocadores de íons sólidos. A eficiência energética teórica deste método está no mesmo nível da eletrodiálise e da osmose reversa .

Outras aplicações

Água residual produzida pela regeneração da resina

A maioria dos sistemas de troca iônica usa colunas de resina de troca iônica que são operadas de forma cíclica.

Durante o processo de filtração, a água flui através da coluna de resina até que a resina seja considerada esgotada. Isso acontece apenas quando a água que sai da coluna contém mais do que a concentração máxima desejada dos íons que estão sendo removidos. A resina é então regenerada por retrolavagem sequencial do leito de resina para remover os sólidos suspensos acumulados, lavando os íons removidos da resina com uma solução concentrada de íons de reposição e enxaguando a solução de lavagem da resina. A produção de águas residuais de retrolavagem, lavagem e enxágue durante a regeneração de meios de troca iônica limita a utilidade da troca iônica para o tratamento de águas residuais .

Os amaciadores de água são geralmente regenerados com salmoura contendo 10% de cloreto de sódio . Além dos sais de cloreto solúveis de cátions divalentes removidos da água amolecida, a água residual de regeneração do amaciante contém os 50-70% não utilizados da salmoura de lavagem de regeneração de cloreto de sódio necessária para reverter o equilíbrio da resina de troca iônica. A regeneração da resina deionizante com ácido sulfúrico e hidróxido de sódio é aproximadamente 20–40% eficiente. O efluente de regeneração do deionizador neutralizado contém todos os íons removidos mais 2,5 a 5 vezes sua concentração equivalente como sulfato de sódio .

Outras informações

  • Laboratórios Betz (1976). Manual de Condicionamento de Água Industrial (7ª ed.). Laboratórios Betz.
  • Trocadores de íons (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlim, 1991.
  • CE Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
  • Friedrich G. Helfferich (1962). Troca de íons . Publicações Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Kemmer, Frank N. (1979). O Manual da Água NALCO . McGraw-Hill.
  • Troca iônica (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, Nova York, 2000.
  • AA Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications , Elsevier, Amsterdam, 2006.
  • SenGupta, Arup K. Troca Iônica em Processos Ambientais: Fundamentos, Aplicações e Tecnologia Sustentável . Wiley, 2017.
  • Prática de laboratório de química ilustrada e bem definida sobre troca iônica do Dartmouth College
  • Alguns applets ilustrando processos de troca iônica
  • Uma explicação simples de deionização
  • Troca iônica, BioMineWiki

Veja também

Referências

links externos

Este método também é nomeado como permutit (ou)