Figura 1
La Figura 1 muestra una ilustración sencilla del mecanismo de intercambio iónico. El ion 1 está dentro del material polimérico de intercambio iónico y el ion 2 flota en la solución acuosa. El ion 2 viaja y entra en contacto con la capa de interfaz por casualidad. Una vez que el ion 2 llega a la interfaz, viaja a través de la película de la interfaz hacia el material polimérico. El ion 1 se difunde fuera del polímero, a través de la película y hacia la solución. La sustitución del ion 1 por el ion 2 se denomina intercambio iónico. Para que se produzca el mecanismo de intercambio iónico, un equivalente estequiométrico de contraiones debe reemplazar una cantidad equivalente de otros contraiones debido al requisito de electroneutralidad de todos los sistemas en la naturaleza. Cuando un contraión cruza la capa de interfaz, se crea un potencial eléctrico entre las dos fases. Ese potencial se compensa con el movimiento de otro contraión en dirección opuesta.
Figura 2
Como se detalla en la Figura 2, los siguientes pasos ocurren durante el proceso de intercambio iónico:
Paso 1: Los complejos disueltos se disocian en la solución acuosa.
Paso 2: El ion se difunde desde la solución a la capa de interfase. Este paso se puede manipular mediante la agitación de un líquido o la presión de un gas para aumentar la transferencia de iones.
Paso 3: El ion se difunde a través de la capa límite de la interfaz. Se puede utilizar agitación para reducir el espesor de esta película. El método de transporte en el Paso 3 es únicamente la movilidad del ion.
Paso 4: Después de la transferencia del ion a través de la capa límite, el ion se difunde en el material de intercambio iónico debido a un gradiente de concentración.
Paso 5: El primer ion se asocia con el grupo funcional del material de intercambio iónico.
Paso 6: Para cumplir el principio de electroneutralidad, el segundo ion se disocia del grupo funcional del material de intercambio iónico.
Paso 7: El segundo ion se difunde desde la mayor parte del material de intercambio iónico hacia la superficie.
Pasos 8 y 9: el segundo ion se difunde desde la capa de interfaz hacia la mayor parte de la solución.
Paso 10: El segundo ion se asocia con una molécula en la fase de solución. Por supuesto, el proceso de intercambio iónico sólo ocurre si un ion es capaz de reemplazar estequiométricamente a otro ion y existe un flujo adecuado para el intercambio iónico. La cinética del transporte de masa está limitada por la difusión del ion más lento. Hemos simplificado el proceso de intercambio iónico en la Figura 2; sin embargo, el proceso de intercambio iónico real puede ser más complejo. Teóricamente, el ion con la movilidad más rápida se difundirá a la velocidad más alta, pero existe un equilibrio de cargas en todo el material que afecta la difusión de los iones. Este equilibrio de carga puede ralentizar el ion más rápido y acelerar los iones más lentos.
Paso determinante de la tasa
El mecanismo de intercambio iónico consta de muchos pasos que tienen lugar en el sistema solución/capa de interfaz/material de intercambio iónico. Si examinamos nuestro sistema utilizando un enfoque cinético basado en la química, podemos predecir la velocidad en función de la velocidad del paso más lento. Podemos crear una descripción cinética basada en las ecuaciones desarrolladas para sistemas homogéneos. Podemos explicar científicamente los procesos en la Figura 2:
Transferencia de masa (difusión) en la solución o en otro medio externo (pasos 2 y 9): estos procesos pueden ser asistidos por turbulencias hidrodinámicas (es decir, agitación) y, por lo tanto, no se consideran un posible paso limitante para el intercambio iónico.
Transferencia de masa (difusión) a través de la película que rodea el intercambiador de iones (pasos 3 y 8): La película es una zona de solución con un cierto espesor. El transporte de masa a través de esta capa depende de la constante de velocidad de difusión (coeficiente de difusión). El espesor de la capa se puede reducir mediante agitación.
Transferencia de masa (difusión) en la fase de intercambio iónico (pasos 4 y 7): este proceso depende de las propiedades del material de intercambio iónico y no se puede cambiar a menos que se alteren las propiedades del material.
Reacciones entre contraiones y grupos fijos (asociación/disociación de pares iónicos) (pasos 5 y 6): estos procesos son reacciones químicas reales que afectan la tasa general de intercambio iónico.
Disociación y formación de complejos en solución (pasos 1 y 10): estos procesos no son parte del proceso de intercambio iónico, pero pueden causar un cuello de botella en la transferencia de masa.
Como puede verse en estas descripciones, la mayoría de los procesos de intercambio iónico son en realidad fenómenos de difusión. Si está creando un modelo matemático de la cinética de intercambio iónico, la mayoría de los pasos se pueden describir utilizando ecuaciones de difusión. Una descripción matemática de cada paso se puede expresar como una ecuación cinética con una constante de velocidad; sin embargo, no existen reacciones químicas reales para la mayoría de estos pasos. En muchos modelos, la capa de interfaz se considera insignificante porque la difusión a través del material de intercambio iónico suele limitar la velocidad debido a la estructura química y al espesor mucho mayor. Sin embargo, se incluye en los modelos detallados porque puede tener un efecto significativo y tiene un modo de transporte diferente. El gradiente de concentración en la capa interfacial está definido por las concentraciones en el líquido a granel y en la superficie de intercambio iónico. Por lo tanto, para un ion que ingresa a la fase de intercambio iónico, la diferencia no puede exceder la concentración de iones en la solución en masa. La fuerza impulsora en el material de intercambio iónico es la concentración en la superficie y en el material. La diferencia de concentración puede deberse a una mayor concentración de grupos iónicos fijos en comparación con la concentración del medio circundante o viceversa. El paso limitante de la tasa puede ser diferente en cualquier caso.
Los pasos limitantes de velocidad más comunes son (1) la difusión de iones dentro del material o (2) la difusión de iones a través de la capa límite de la interfaz. En ambos casos, la migración de iones se debe a las propiedades del sistema; por lo tanto, la tasa no se puede cambiar sin alterar las propiedades químicas o físicas del sistema. Los factores que favorecen una mayor tasa de difusión en el material de intercambio iónico y reducen la tasa de difusión en la película son:
Una alta concentración de sitios de intercambio en el material.
Bajo grado de reticulación
Solución iónica diluida
Tamaños de partículas pequeños
Al estudiar sistemas de intercambio iónico, la concentración del medio externo o la velocidad de agitación podría ser un paso limitante de la velocidad, por lo que un simple aumento en la concentración de la solución, la velocidad de agitación o el espesor del material de intercambio iónico puede cambiar el paso limitante de la velocidad en el sistema.
Conclusión
La mayoría de los sistemas de intercambio iónico se pueden mejorar si se aumentan los tipos de intercambio iónico. Una forma rápida de aumentar la velocidad de difusión es seleccionar materiales con un bajo grado de reticulación o elegir una capa de intercambio iónico más delgada (o una gota más pequeña de material de intercambio iónico). Las capas más gruesas o perlas más grandes requieren distancias más largas para que los iones viajen a través del material. La tasa de intercambio iónico también se puede mejorar mediante la agitación de la solución o el aumento de la temperatura del sistema. Otra consideración es la alta selectividad de los grupos funcionales hacia ciertos iones, lo que puede provocar tasas de intercambio reducidas. La cinética de la mayoría de los sistemas de intercambio iónico se debe a las propiedades del material, la selectividad iónica, la difusión en las distintas partes del sistema y las tasas de intercambio iónico.
