Resina de permuta iónica - Ion-exchange resin

Grânulos de resina de troca iônica

Uma resina de troca iônica ou polímero de troca iônica é uma resina ou polímero que atua como um meio para troca iônica . É uma matriz insolúvel (ou estrutura de suporte) normalmente na forma de microesferas pequenas (raio de 0,25-1,43 mm) , geralmente brancas ou amareladas, fabricadas a partir de um substrato de polímero orgânico . Os grânulos são tipicamente porosos , fornecendo uma grande área de superfície e dentro deles, o aprisionamento de íons ocorre junto com a liberação de outros íons e, portanto, o processo é chamado de troca iônica. Existem vários tipos de resina de troca iônica. A maioria das resinas comerciais é feita de sulfonato de poliestireno .

Grânulos de resina de troca iônica

As resinas de troca iônica são amplamente utilizadas em diferentes processos de separação , purificação e descontaminação. Os exemplos mais comuns são amaciamento e purificação de água . Em muitos casos, resinas de troca iônica foram introduzidas em tais processos como uma alternativa mais flexível ao uso de zeólitas naturais ou artificiais . Além disso, as resinas de troca iônica são altamente eficazes no processo de filtração de biodiesel.

Tipos de resinas

A maioria das resinas de troca iônica típicas são baseadas em poliestireno reticulado . Os locais reais de troca iônica são introduzidos após a polimerização. Além disso, no caso do poliestireno, a reticulação é introduzida por copolimerização de estireno e uma pequena percentagem de divinilbenzeno . A reticulação diminui a capacidade de troca iônica da resina e prolonga o tempo necessário para realizar os processos de troca iônica, mas melhora a robustez da resina. O tamanho da partícula também influencia os parâmetros da resina; partículas menores têm superfície externa maior, mas causam maior perda de carga nos processos de coluna.

Além de serem feitas como materiais em forma de pérolas, as resinas de troca iônica também são produzidas como membranas. Essas membranas de troca iônica , que são feitas de resinas de troca iônica altamente reticuladas que permitem a passagem de íons, mas não de água, são usadas para eletrodiálise .

Quatro tipos principais de resinas de troca iônica diferem em seus grupos funcionais :

As resinas especializadas de troca iônica também são conhecidas, como as resinas quelantes ( ácido iminodiacético , resinas à base de tioureia e muitas outras).

As resinas aniônicas e catiônicas são as duas resinas mais comuns usadas no processo de troca iônica. Enquanto as resinas aniônicas atraem íons carregados negativamente, as resinas catiônicas atraem íons carregados positivamente.

Resinas de ânions

As resinas aniônicas podem ser fortemente ou fracamente básicas. As resinas aniônicas fortemente básicas mantêm sua carga negativa em uma ampla faixa de pH, enquanto as resinas aniônicas fracamente básicas são neutralizadas em níveis de pH mais altos. Resinas fracamente básicas não mantêm sua carga em um pH alto porque sofrem desprotonação. Eles oferecem, no entanto, excelente estabilidade mecânica e química. Isso, combinado com uma alta taxa de troca iônica, torna as resinas aniônicas de base fraca bem adequadas para os sais orgânicos.

Para resinas aniônicas, a regeneração envolve tipicamente o tratamento da resina com uma solução fortemente básica, por exemplo, hidróxido de sódio aquoso. Durante a regeneração, o produto químico regenerante é passado pela resina e os íons negativos aprisionados são liberados, renovando a capacidade de troca da resina.

Resina de troca catiônica

Fórmula: R − H ácido

O método de troca catiônica remove a dureza da água, mas induz acidez nela, que é posteriormente removida na próxima etapa do tratamento da água, passando essa água ácida por um processo de troca aniônica .

Reação:

R − H + M + = R − M + H + .

Resina de troca aniônica

Fórmula: –NR 4 + OH -

Freqüentemente, são resinas de copolímero de estireno - divinilbenzeno que possuem cátions de amônio quaternário como parte integrante da matriz da resina.

Reação:

–NR 4 + OH - + HCl = –NR 4 + Cl - + H 2 O.

A cromatografia de troca aniônica usa esse princípio para extrair e purificar materiais de misturas ou soluções .

Usos

Amaciamento de água

Nesta aplicação, resinas de troca iônica são usadas para substituir os íons de magnésio e cálcio encontrados na água dura por íons de sódio . Quando a resina é fresca, ela contém íons de sódio em seus locais ativos. Quando em contato com uma solução contendo íons magnésio e cálcio (mas com baixa concentração de íons sódio), os íons magnésio e cálcio migram preferencialmente da solução para os sítios ativos na resina, sendo substituídos na solução por íons sódio. Este processo atinge o equilíbrio com uma concentração muito menor de íons de magnésio e cálcio em solução do que a inicial.

Imagem idealizada do processo de amaciamento de água, envolvendo a substituição de íons de cálcio na água por íons de sódio doados por uma resina de troca catiônica

A resina pode ser recarregada lavando-a com uma solução contendo alta concentração de íons de sódio (por exemplo, ela contém grandes quantidades de sal comum (NaCl) dissolvido). Os íons cálcio e magnésio migram da resina, sendo substituídos por íons sódio da solução até que um novo equilíbrio seja alcançado. O sal é usado para recarregar uma resina de troca iônica, que por sua vez é usada para amaciar a água.

Purificação da água

Nesta aplicação, resinas de troca iônica são usadas para remover íons de metais tóxicos (por exemplo, cobre ) e perigosos (por exemplo, chumbo ou cádmio ) da solução, substituindo-os por íons mais inócuos, como sódio e potássio .

Poucas resinas de troca iônica removem o cloro ou contaminantes orgânicos da água - isso geralmente é feito usando um filtro de carvão ativado misturado com a resina. Existem algumas resinas de troca iônica que removem íons orgânicos, como resinas MIEX (troca iônica magnética). A resina de purificação de água doméstica geralmente não é recarregada - a resina é descartada quando não pode mais ser usada.

Água da mais alta pureza é necessária para eletrônicos, experimentos científicos, produção de supercondutores e indústria nuclear, entre outros. Essa água é produzida usando processos de troca iônica ou combinações de membrana e métodos de troca iônica.

Troca iônica na separação de metais

Um tambor de bolo amarelo

Os processos de troca iônica são usados ​​para separar e purificar metais , incluindo a separação do urânio do plutônio e outros actinídeos , incluindo o tório ; e lantânio , neodímio , itérbio , samário , lutécio , um do outro e dos outros lantanídeos . Existem duas séries de metais de terras raras , os lantanídeos e os actinídeos. Os membros de cada família têm propriedades físicas e químicas muito semelhantes. A troca iônica foi por muitos anos a única maneira prática de separar as terras raras em grandes quantidades. Este aplicativo foi desenvolvido na década de 1940 por Frank Spedding . Posteriormente, a extração com solvente suplantou principalmente o uso de resinas de troca iônica, exceto para os produtos de maior pureza.

Um caso muito importante é o processo PUREX (processo de extração de plutônio-urânio), que é usado para separar o plutônio e o urânio dos produtos de combustível irradiado de um reator nuclear , e para ser capaz de descartar os produtos residuais. Em seguida, o plutônio e o urânio ficam disponíveis para a fabricação de materiais de energia nuclear, como o combustível de um novo reator e armas nucleares .

Grânulos de troca iônica também são um componente essencial na mineração de urânio de lixiviação in-situ . A recuperação in situ envolve a extração de água contendo urânio (classificação tão baixa quanto 0,05% U 3 O 8 ) através de furos. A solução de urânio extraída é então filtrada através dos grânulos de resina. Por meio de um processo de troca iônica, os grânulos de resina atraem o urânio da solução. As resinas carregadas com urânio são então transportadas para uma planta de processamento, onde o U 3 O 8 é separado dos grânulos de resina e o bolo amarelo é produzido. Os grânulos de resina podem então ser devolvidos à instalação de troca iônica, onde são reutilizados.

O processo de troca iônica também é usado para separar outros conjuntos de elementos químicos muito semelhantes, como zircônio e háfnio , que aliás também é muito importante para a indústria nuclear. O zircônio é praticamente transparente aos nêutrons livres, usado na construção de reatores, mas o háfnio é um absorvedor muito forte de nêutrons, usado nas hastes de controle do reator .

Catálise

As resinas de troca iônica são usadas em síntese orgânica , por exemplo, para esterificação e hidrólise . Por serem de grande área superficial e insolúveis, são adequados para reações em fase vapor e em fase líquida. Podem ser encontrados exemplos em que resinas de troca iônica básicas ( forma OH - ) são usadas para neutralizar os sais de amônio e converter haletos de amônio quaternário em hidróxidos. Resinas de troca iônica ácida ( forma H + ) têm sido usadas como catalisadores de ácido sólido para cisão de grupos de proteção de éter. e para reações de rearranjo.

Purificação de suco

As resinas de troca iônica são utilizadas na fabricação de sucos de frutas, como suco de laranja e cranberry, onde são utilizadas para remover componentes de sabor amargo e, assim, melhorar o sabor. Isso permite que fontes de frutas com sabor azedo ou de sabor ruim sejam usadas para a produção de suco.

Fabricação de açúcar

As resinas de troca iônica são usadas na fabricação de açúcar de várias fontes. Eles são usados ​​para ajudar a converter um tipo de açúcar em outro tipo de açúcar e para descolorir e purificar xaropes de açúcar.

Farmacêutica

As resinas de troca iônica são utilizadas na fabricação de produtos farmacêuticos, não apenas para catalisar certas reações, mas também para isolar e purificar ingredientes ativos farmacêuticos . Três resinas de troca iônica, sulfonato de poliestireno de sódio , colestipol e colestiramina , são usadas como ingredientes ativos . O poliestireno sulfonato de sódio é uma resina de troca iônica fortemente ácida e é usada para tratar a hipercalemia . O colestipol é uma resina de troca iônica fracamente básica e é usado para tratar a hipercolesterolemia . A colestiramina é uma resina de troca iônica fortemente básica e também é usada para tratar a hipercolesterolemia . O colestipol e a colestiramina são conhecidos como sequestrantes de ácidos biliares .

As resinas de troca iônica também são usadas como excipientes em formulações farmacêuticas, como comprimidos, cápsulas, gomas e suspensões. Nestes usos, a resina de troca iônica pode ter várias funções diferentes, incluindo mascarar o sabor, liberação prolongada, desintegração do comprimido, biodisponibilidade aumentada e melhorar a estabilidade química dos ingredientes ativos .

Quelantes poliméricos seletivos têm sido propostos para terapia de manutenção de algumas patologias, onde ocorre acúmulo crônico de íons , como doença de Wilson (onde ocorre acúmulo de cobre ) ou hemocromatose hereditária ( sobrecarga de ferro , onde ocorre acúmulo de ferro ). disponibilidade biológica sistêmica e são projetados para formar complexos estáveis ​​com Fe 2+ e Fe 3+ no GIT e, assim, limitar a absorção desses íons e seu acúmulo a longo prazo. Embora este método tenha apenas uma eficácia limitada, ao contrário de quelantes de pequeno porte ( deferasirox , deferiprona ou deferoxamina ), tal abordagem pode ter apenas efeitos colaterais menores em estudos subcrônicos . Curiosamente, a quelação simultânea de Fe 2+ e Fe 3+ aumenta a eficácia do tratamento.

Captura de CO 2 do ar ambiente

As resinas de troca aniônica absorvem prontamente o CO 2 quando secas e o liberam novamente quando expostas à umidade. Isso os torna um dos materiais mais promissores para a captura direta de carbono do ar ambiente, ou captura direta de ar , uma vez que a oscilação de umidade substitui a oscilação de temperatura ou pressão mais intensiva em energia usada com outros sorventes. Um protótipo demonstrando esse processo foi desenvolvido por Klaus Lackner no Center for Negative Carbon Emissions .

Veja também

Notas

Leitura adicional

  • "Química e operação de troca iônica" . Remco Engineering. Arquivado do original em 20/02/2014 . Página visitada em 2016-05-16 .
  • Friedrich G. Helfferich (1962). Troca de íons . Publicações Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Ion Exchangers (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991.
  • CE Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
  • Ion exchange (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
  • AA Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, 2006.
  • Alexandratos SD. Resinas de troca iônica: Uma Retrospectiva da Pesquisa Química Industrial e de Engenharia. Pesquisa Química Industrial e de Engenharia, 2009.
  • Sistema catalisador compreendendo uma resina de troca iônica e um promotor de dimetil tiazolidina, Hasyagar UK, Mahalingam RJ, Kishan G, WO 2012.