Cos'è uno scambio di ioni?
Uno scambio di ioni è un processo chimico in cui gli ioni vengono scambiati tra due soluzioni di elettroliti o tra una soluzione elettrolitica e una struttura a matrice solida nota come polimero di scambio ionico. Quando la soluzione elettrolitica reagisce con il polimero o la resina, gli ioni dalla soluzione vengono intrappolati e attaccati al substrato solido, che a sua volta rilascia diversi ioni della stessa carica. Lo scambio di cationi si verifica quando vengono scambiate particelle caricate positivamente, mentre lo scambio di anioni si verifica quando vengono scambiate particelle caricate negativamente.
Lo scambio ionico può verificarsi in ambienti naturali attraverso minerali alluminosilicati noti come zeoliti, che si trovano in argilla. Il livello di scambio cationico che si verifica nel suolo può essere usato come indicatore della capacità del suolo di trattenere i nutrienti. È anche un fattore importante nel determinare la purezza delle acque sotterranee.
In contesti industriali, lo scambio di ioni avviene attraverso l'uso di polimeri organici sintetici. Un polimero di scambio ionico puòessere fabbricato per filtrare in modo specifico alcuni ioni da una soluzione. Esistono quattro tipi principali di polimeri di scambio ionico che hanno affinità ioniche diverse e proprietà chimiche: resine di anioni di base forti, resine anioni di base deboli, resine forti di cationi acidi e deboli resine cationiche acide.
Oltre a questi quattro gruppi, esistono altri tipi di resine di scambio ionico. Le resine chelanti sono importanti nel filtrare cationi tossici di metalli pesanti, come il piombo e il mercurio. Queste resine sono utilizzate nelle acque reflue e nel trattamento delle acque sotterranee.
Resine acide forti possono essere utilizzate per rimuovere i cationi di calcio e magnesio dall'acqua in un processo noto come ammorbidimento dell'acqua. Gli ioni di calcio e magnesio dalla soluzione vengono scambiati con ioni di sodio o idrogeno dalla resina. Prodotti domestici come il detersivo per il bucato impiegano zeoliti per l'ammorbidimento dell'acqua per prevenire l'interferenza degli ioni di calcio e magnesiocon l'azione di pulizia del sapone.
La deonizzazione dell'acqua è un'altra applicazione comune dello scambio di ioni. Nella dionizzazione, sali minerali come sodio e calcio vengono rimossi dall'acqua e sostituiti con cationi idrogeno o anioni idrossido, a seconda del tipo di resina utilizzata. Questo processo produce una forma di acqua purificata paragonabile all'acqua distillata, che è utile nei processi di laboratorio e industriale in cui è richiesta un'alta purezza dell'acqua.
Le reazioni di scambio di ioni industriali vengono generalmente eseguite utilizzando colonne. Queste navi contengono un letto in resina, che contiene la resina di scambio ionico mentre la soluzione viene passata attraverso di essa. Il flusso può essere controllato da valvole e strumentazione collegata alla colonna. Poiché la soluzione viene passata attraverso la resina, lo scambio di ioni si verifica fino a quando tutti i siti di legame nella resina non vengono riempiti, producendo una soluzione purificata.