Potencial eléctrico en procesos de intercambio iónico
Los procesos de intercambio iónico convencionales utilizan reactivos químicos en solución para el proceso de intercambio iónico. Sin embargo, los procesos de intercambio iónico no sólo se impulsan químicamente, sino también eléctricamente. Un ejemplo de un proceso de intercambio iónico impulsado eléctricamente es la electrodiálisis (también conocida como electrodosionización), donde las especies ionizables se eliminan de los líquidos utilizando medios eléctricamente activos y el potencial eléctrico como fuerza impulsora para el transporte de iones. La electrodesionización también se puede utilizar para el tratamiento de agua, la separación de electrolitos de no electrolitos, la concentración o agotamiento de sustancias iónicas y el intercambio de iones entre soluciones. Las aplicaciones de uso final incluyen la producción de alimentos, el tratamiento de efluentes de equipos de la industria nuclear, la separación de aminoácidos, la división de sales para producir ácidos y álcalis y la síntesis de nuevos compuestos iónicos. La clave para utilizar con éxito membranas de intercambio iónico (IEM) en estos procesos es comprender los mecanismos de transporte iónico que ocurren.
Definiciones
Aquí hay algunas definiciones importantes para ayudar a comprender parte de la terminología utilizada en esta publicación:
Membranas de intercambio aniónico (AEM): Son materiales con grupos fijos cargados positivamente; por tanto, intercambian aniones.
Membranas de Intercambio Catiónico (CEM): Son materiales con grupos fijos cargados negativamente; por lo tanto, intercambian cationes.
Coiones: Son iones que tienen la misma carga que los grupos funcionales del material de intercambio iónico. Por lo tanto, son repelidos por el material en lugar de atraídos por él.
Grupos funcionales (grupo de intercambio iónico) en material de intercambio iónico: Número total de grupos que están disponibles para intercambiar iones en el material.
Contraiones (o a veces simplemente los llamo iones): estos son los grupos intercambiables en el material de intercambio iónico.
Número de transporte: La fracción de la corriente eléctrica transportada por la especie. El número de transporte es positivo para todos los iones, independientemente de su carga y cero para especies eléctricamente neutras.
Número de transferencia: número de moles de especies iónicas transferidas por 1 Faraday de electricidad a través de una sección transversal estacionaria en la dirección de la corriente positiva. También introduciremos un concepto llamado «Equilibrio de Donnan» para obtener una comprensión básica de la ciencia que ocurre en los sistemas de intercambio iónico.
Equilibrios de Donnan
Los materiales de intercambio iónico pueden absorber no sólo iones, sino entidades químicas completas (es decir, sales completas de las soluciones circundantes). Este fenómeno suele ser reversible porque la entidad química se puede eliminar utilizando un disolvente puro. El comportamiento de sorción varía dependiendo de si el material es un electrolito fuerte o débil. Básicamente, los IEM pueden absorber una cierta cantidad de moléculas químicas completas sin violar el principio de electroneutralidad. Ciertas moléculas enteras e IEM pueden estar sujetos a fuerzas electrostáticas que surgen de la presencia de grupos funcionales cargados y contraiones dentro del material.
La mayoría de los materiales de intercambio iónico restringen los coiones que pueden ingresar al material. Esta restricción no se debe a la ley de electroneutralidad porque, en teoría, los coiones podrían transferirse al material; sin embargo, esto no suele ocurrir. Un concepto que se ha desarrollado para explicar este fenómeno es el potencial de Donnan. El potencial de Donnan explica por qué un tipo de ion (contraiones) puede migrar libremente a través del IEM hacia la solución circundante y otro tipo de iones (coiones) no pueden penetrar en el material de intercambio iónico.
El modelo de Donnan dice que sólo unos pocos iones que migran fuera de una fase neutra son suficientes para crear un alto potencial eléctrico entre el IEM y la solución. Este potencial eléctrico es suficiente para evitar migraciones de iones con cargas opuestas impulsadas por la difusión. El potencial de Donnan atrae los contraiones hacia el IEM y repele los coiones hacia la solución. Por tanto, todo el IEM tiene una carga global. Se establece un equilibrio para nivelar la diferencia de concentración y esto da como resultado un campo eléctrico. Aunque el potencial eléctrico es la fuerza impulsora, no hay desviación de la electroneutralidad entre las dos fases (membrana y solución). Por tanto, la diferencia entre los potenciales eléctricos de las dos fases es el potencial de Donnan. El potencial de Donnan afecta la distribución iónica en la interfaz y, por tanto, afecta los procesos de transferencia de la interfaz. La Figura I ilustra el concepto de exclusión de Donnan.
Figura 1. Exclusión de Donnan en CEM: el potencial de Donnan se ilustra cuando los aniones intentan difundirse en el CEM. La carga eléctrica de cada fase no permite que una cantidad considerable de aniones entre al CEM.
Corriente eléctrica en medios de intercambio iónico
Como cualquier mezcla iónica líquida homogénea, los materiales de intercambio iónico llenos de agua son conductores de electricidad. Los grupos iónicos fijos unidos a una matriz polimérica permiten que los iones móviles en la fase líquida salten de un grupo funcional a otro para transferir los iones a través del material. La conductividad eléctrica de la membrana de intercambio iónico (IEM) está determinada por las concentraciones y movilidades de los portadores de carga. La concentración de grupos de intercambio iónico suele ser de aproximadamente 1 molaridad (1 M), lo que hace que la conductividad eléctrica sea considerablemente alta. Sin embargo, la conductividad eléctrica es menor que en soluciones acuosas de las mismas concentraciones. En los IEM, la difusión es más lenta que en las soluciones iónicas debido a la cantidad reducida de agua en el material y la presencia del polímero voluminoso. La conductividad de los IEM está influenciada por:
Gran concentración de contraiones en la solución, lo que puede proporcionar un exceso de contraiones en el material.
Bajo grado de reticulación, lo que promueve una difusión más rápida. Contraiones de pequeño tamaño y baja valencia, para viajar rápidamente a través del material.
Temperaturas elevadas, para mejorar el proceso de difusión.
La conductividad molar de los IEM es más sensible a la carga iónica que los iones en solución debido a interacciones electrostáticas y de hidrógeno más fuertes entre los contraiones y los grupos funcionales del polímero. Si hay más de un contraión presente con la misma carga, la conductividad molar será:
Aumenta con el aumento del tamaño iónico en un estado no hidratado.
Disminución con aumento del tamaño iónico en el estado hidratado.
Este efecto es más fuerte en los materiales de intercambio catiónico (CEM) que en los materiales de intercambio aniónico (AEM).
Debido al efecto del tamaño iónico, los portadores de corriente más rápidos en los CEM son los iones H+ y los iones OH- en los AEM. Como comentamos anteriormente, la conductividad del IEM también depende de la concentración y composición de la solución circundante. Si la concentración está en un cierto nivel, la exclusión de Donnan no impide que los coiones entren en el IEM. Debido a esto, aumentan los portadores de iones y, por tanto, aumenta la conductividad eléctrica del material. Si se aplica un campo eléctrico a un intercambiador de iones, los iones se mueven en la dirección del electrodo con carga opuesta y esto crea una corriente eléctrica. En muy poco tiempo se establece un equilibrio entre la fricción del medio circundante y la fuerza aceleradora del campo eléctrico. Por tanto, existe una transferencia constante de iones y corriente eléctrica por todo el sistema.
Existen diferencias fundamentales entre la transferencia de especies en soluciones y los materiales de intercambio iónico. En soluciones, las concentraciones de cationes y aniones son equivalentes; lo que significa que la proporción de números de transferencia está determinada por la proporción de movilidades iónicas. Cuando se aplica un campo eléctrico a un medio de intercambio iónico, el número de transporte de contraiones es casi la unidad. Por lo tanto, tanto los cationes como los aniones están expuestos a una fuerza general igual del campo eléctrico y hay una fuerza de fricción igual de los cationes y aniones, a pesar de su carga de valencia y tasa de migración. Por esta razón, el transporte actual de líquidos es bastante estacionario. El momento de fricción aplicado por los iones se define únicamente por las diferentes fuerzas de las interacciones entre los portadores de carga y el disolvente.
En el caso de materiales de intercambio iónico, la movilidad de un tipo de ion que participa en la reacción es cero porque el grupo funcional está unido a la matriz polimérica. Sólo los iones que se mueven aplican el momento de fricción al disolvente interno y transportan el disolvente en la misma dirección. Por tanto, los portadores de carga se mueven más rápido que en las soluciones estacionarias. Este aumento de la conductividad es causado por la transferencia de disolvente y se denomina conductividad por convección. Si hay coiones en el IEM, habrá un movimiento bidireccional de los portadores de carga y una conductividad reducida. Es obvio que la presencia de coiones en la fase del intercambiador (exclusión de Donnan reducida) provoca un movimiento bidireccional de los portadores de carga, reduciendo así la conductividad por convección.
Membranas de intercambio iónico
Las membranas de intercambio iónico son una capa de matriz polimérica extremadamente delgada, a menudo medida en micras. Dependiendo del proceso de intercambio iónico, la capa se puede cortar o formar en diferentes tamaños y formas. Las membranas de intercambio iónico a menudo sirven como separador entre dos líquidos diferentes, pero también pueden separar diferentes capas de material sólido, como en las pilas de combustible. Tanto en el estado líquido como en el sólido, los iones pueden pasar libremente a través de la membrana. Por tanto, pueden moverse fácilmente entre compartimentos, cumpliendo con el concepto de electroneutralidad.
Debido al principio de Donnan, los coiones actúan de manera diferente en una membrana que en una solución porque tienen dificultades para atravesar la membrana. Sin embargo, si la membrana se expone a una solución con una alta concentración, se suprime la permselectividad y se promueve la transferencia de coiones a través de la membrana. El sistema de membrana generalmente obtiene el equilibrio con los iones de los líquidos o sólidos de ambos lados, mientras que los coiones permanecen separados. Además de la diferente permeabilidad (dependiendo de la carga de los iones), la permselectividad provoca una diferencia de potencial eléctrico entre las dos soluciones/sólidos.
Todas las membranas de intercambio iónico tienen una alta conductividad eléctrica y una alta permeabilidad iónica. La conductividad eléctrica puede aumentarse aumentando la densidad de carga iónica, pero en ocasiones esto también puede provocar un hinchamiento extremadamente alto e indeseable. Por lo tanto, el material debe estar suficientemente reticulado para evitar un exceso de hinchamiento, que puede afectar las propiedades del material. Las características básicas de un buen intercambio iónico son una alta permselectividad, una alta conductividad eléctrica, un hinchamiento moderado y una alta resistencia mecánica. La conductividad eléctrica es una característica de los IEM, pero no es constante y depende de la cantidad de grupos funcionales, la composición iónica y la cantidad de contenido de agua. Por lo tanto, los valores de conductividad de la membrana proporcionados en las hojas de especificaciones del fabricante se basan en ciertas condiciones.
Conclusiones
Los procesos de intercambio iónico son impulsados tanto química como eléctricamente. El agua y muchos de los productos que utilizamos a diario derivan parcialmente de procesos basados en membranas. La clave para seleccionar y utilizar con éxito membranas de intercambio iónico (IEM) en estos procesos es comprender los mecanismos de transporte iónico que ocurren.
