Che cos'è uno scambio ionico?
Uno scambio ionico è un processo chimico in cui gli ioni vengono scambiati tra due soluzioni di elettroliti o tra una soluzione di elettroliti e una struttura a matrice solida nota come polimero di scambio ionico. Quando la soluzione elettrolitica reagisce con il polimero, o resina, gli ioni della soluzione vengono intrappolati e attaccati al substrato solido, che a sua volta rilascia diversi ioni della stessa carica. Lo scambio cationico avviene quando vengono scambiate particelle cariche positivamente, mentre lo scambio anionico avviene quando vengono scambiate particelle cariche negativamente.
Lo scambio di ioni può avvenire in ambienti naturali attraverso minerali di alluminosilicato noti come zeoliti, che si trovano nell'argilla. Il livello di scambio cationico che si verifica nel suolo può essere utilizzato 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 a scambio ionico può essere fabbricato per filtrare specificamente determinati ioni da una soluzione. Esistono quattro tipi principali di polimeri a scambio ionico che hanno diverse affinità e proprietà chimiche: resine anioniche a base forte, resine anioniche a base debole, resine cationiche acide forti e resine cationiche acide deboli.
Oltre a questi quattro gruppi, esistono altri tipi di resine a scambio ionico. Le resine chelanti sono importanti per filtrare i cationi di metalli pesanti tossici, come piombo e mercurio. Queste resine sono utilizzate nel trattamento delle acque reflue e sotterranee.
Le resine acide forti possono essere utilizzate per rimuovere i cationi di calcio e magnesio dall'acqua in un processo noto come addolcimento dell'acqua. Gli ioni calcio e magnesio dalla soluzione vengono scambiati con ioni sodio o idrogeno dalla resina. I prodotti domestici come il detersivo per bucato impiegano zeoliti per addolcire l'acqua per prevenire l'interferenza di ioni calcio e magnesio con l'azione detergente del sapone.
La deionizzazione dell'acqua è un'altra applicazione comune dello scambio ionico. Nella deionizzazione, i sali minerali come sodio e calcio vengono rimossi dall'acqua e sostituiti con cationi di idrogeno o anioni di idrossido, a seconda del tipo di resina utilizzata. Questo processo produce una forma purificata di acqua paragonabile all'acqua distillata, che è utile nei processi di laboratorio e industriali in cui è richiesta un'elevata purezza dell'acqua.
Le reazioni di scambio ionico industriale vengono generalmente eseguite mediante colonne. Questi vasi contengono un letto di resina, che contiene la resina a scambio ionico mentre la soluzione viene fatta passare attraverso di essa. Il flusso può essere controllato da valvole e strumenti collegati alla colonna. Quando la soluzione viene fatta passare attraverso la resina, lo scambio di ioni avviene fino a quando tutti i siti di legame nella resina non vengono riempiti, producendo una soluzione purificata.