Scambio ionico

Lo scambio ionico è un'operazione unitaria in cui si manifesta il trasferimento di ioni tra due elettroliti oppure tra un elettrolita e un complesso. Spesso il termine è utilizzato per denotare il processo di purificazione, separazione e decontaminazione di soluzioni acquose (o altre soluzioni contenenti ioni) ad opera di solidi polimerici o "scambiatori di ioni" di origine minerale.

Tipici scambiatori di ioni sono:

resine a scambio ionico, che sono costituite da polimeri ad alta porosità ricchi di gruppi funzionali^[1], talvolta sotto forma di gel
zeoliti naturali e permutiti (o "setacci molecolari")
montmorillonite
argilla
humus.

Gli scambiatori ionici si distinguono in cationici, anionici, e anfoteri, a seconda che scambino rispettivamente ioni caricati positivamente, ioni caricati negativamente, o entrambi. Gli scambiatori anfoteri sono poco utilizzati, in quanto si ottiene una maggiore efficienza rispetto alle resine anfotere in letti misti dove siano presenti scambiatori anionici e cationici contemporaneamente, oppure in un trattamento in due stadi attraverso un letto di scambiatori anionici seguito da un letto di scambiatori cationici (o viceversa).

Tipici gruppi che possono legarsi agli scambiatori ionici sono:

ioni H⁺(idrogenione) e OH^-(ossidrile)
ioni di atomi con una carica singola, come Na⁺, K⁺ e Cl^-
ioni di atomi con doppia carica, come Ca²⁺ e Mg²⁺
ioni poliatomici inorganici, come SO₄^2- e PO₄^3-
basi di natura organica, ad esempio contenenti il gruppo funzionale -NR₂H⁺
acidi organici, ad esempio contenenti il gruppo funzionale -COO⁻
biomolecole ionizzabili, ad esempio amminoacidi, peptidi e proteine

Lo scambio ionico è un processo reversibile, e lo scambiatore ionico può essere "rigenerato", ovvero "caricato" di ioni tramite lavaggio con soluzioni contenenti gli ioni stessi.

Applicazioni

Lo scambio ionico trova applicazione in svariati campi, tra i quali: alimentare, idrometallurgico, petrolchimico, farmaceutico, nucleare, e nella produzione dei semiconduttori.

Le applicazioni dello scambio ionico riguardano l'ottenimento di acqua ad alto valore di purezza^[2] da utilizzare in centrali di potenza, in elettronica e nell'industria nucleare. In particolare si utilizza lo scambio ionico per l'addolcimento e la depurazione delle acque.

I processi di scambio ionico sono impiegati nella depurazione delle acque contaminate da composti inorganici, metalli pesanti e radionuclidi, nel caso in cui non sia possibile rimuoverli adeguatamente attraverso la filtrazione e la sedimentazione. La selettività del processo viene regolata mediante il controllo dell'acidità e della composizione della soluzione, oltre che scegliendo opportunamente la resina. Tra i contaminanti rimovibili vi sono arsenico, cadmio, cromo, eccessi di fluoruri, nitrati, ammoniaca, rodio e uranio.

Il meccanismo dello scambio ionico viene anche sfruttato in ambito domestico per addolcire l'acqua. In questo caso si scambiano ioni calcio (Ca²⁺) e ioni magnesio (Mg²⁺) con ioni idrogeno (H⁺) e ioni sodio (Na⁺).

La cromatografia a scambio ionico è una tecnica cromatografica ampiamente utilizzata nelle analisi chimiche e per la separazione di ioni. Ad esempio viene utilizzata in biochimica per separare molecole elettricamente cariche come le proteine.

Il processo di scambio ionico è anche utilizzato nella separazione e purificazione dei metalli, ad esempio per separare l'uranio dal plutonio e altri attinidi (incluso il torio) e per separare fra loro lantanidi (quali lantanio, neodimio, itterbio, samario e lutezio). Gli elementi delle terre rare (lantanidi e attinidi) presentano proprietà chimico-fisiche simili tra loro, per cui la loro separazione è difficoltosa, e lo scambio ionico è essenzialmente il metodo utilizzato per separarli in grandi quantità. Un caso notevole è il processo PUREX, con il quale vengono estratti l'uranio e il plutonio dal combustibile spento dei reattori nucleari, in modo da agevolare lo smaltimento delle scorie radioattive. L'uranio e il plutonio estratti sono quindi resi disponibile per un successivo utilizzo come combustibile per reattori nucleari o nella costruzione di armi nucleari.

Utilizzando il processo di scambio ionico vengono anche separati altri elementi chimici con proprietà chimico-fisiche simili, ad esempio viene effettuata la separazione dello zirconio dall'afnio. Questa separazione è anch'essa sfruttata nel campo dell'industria nucleare: l'afnio infatti assorbe molto bene i neutroni liberi, per cui viene utilizzato nella costruzione delle barre di controllo, mentre lo zirconio è pressoché trasparente agli stessi.

Scambiatori ionici sotto forma di sottili membrane sono impiegati nel processo cloro-alcali, nelle celle a combustibile, e nelle batterie redox al vanadio.

Resine per la depurazione delle acque

Le resine impiegate nella depurazione a scambio ionico si classificano in base a due criteri principali.

In base al tipo di ione scambiato:

Resine a scambio cationico: sostituiscono cationi indesiderati con ioni di pari carica — come ioni sodio (Na⁺) o potassio (K⁺) — per rimuoverli dall'acqua.
Resine a scambio anionico: rimuovono anioni come ClO₄^- dalle acque contaminate di falda o di superficie.

In base al tipo d'azione svolta:

Addolcimento delle acque: è uno dei metodi più comuni per il trattamento di acque ad elevata durezza, causata dalla presenza di ioni calcio (Ca²⁺) e magnesio (Mg²⁺). Gli agenti addolcenti sostituiscono tali ioni con altri più solubili e quindi meno incrostanti, mantenendo inalterato il carico salino complessivo.
Demineralizzazione/deionizzazione: i deionizzatori a scambio ionico (DI) impiegano resine sintetiche simili a quelle usate nell'addolcimento. Generalmente adottati per acque già prefiltrate, utilizzano un processo a due stadi per rimuovere, almeno teoricamente, tutti i costituenti ionici. Le due configurazioni di base sono quella a due letti — con vasche separate per cationi e anioni — e quella a letto misto, in cui le resine anioniche e cationiche sono miscelate in un unico recipiente.

Si tratta di una tecnologia consolidata e in evoluzione grazie allo sviluppo di resine a granulometria omogenea.

Note

↑ Si dice che la resina è "funzionalizzata".
↑ (EN) Yazan Ibrahim, Elham Abdulkarem e Vincenzo Naddeo, Synthesis of super hydrophilic cellulose-alpha zirconium phosphate ion exchange membrane via surface coating for the removal of heavy metals from wastewater, in Science of The Total Environment, vol. 690, 2019-11, pp. 167-180, DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.07.009. URL consultato il 4 febbraio 2020.

Bibliografia

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C. E. Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
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(EN) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering, 6ª ed., Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 839-845, ISBN 0-07-060082-1.
Parte dei contenuti sulla depurazione a scambio ionico proviene dalla relativa scheda del sito novambiente.it Archiviato il 9 dicembre 2010 in Internet Archive. disponibile sotto licenza Creative Commons CC-BY-3.0

Voci correlate

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Collegamenti esterni

(EN) Harold F. Walton, ion-exchange reaction, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) ion exchanger, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) cation exchange, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) ion-exchange capacity, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
Illustrated and well defined chemistry lab practical on ion exchange from Dartmouth College, su dartmouth.edu. URL consultato il 13 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 20 luglio 2006).
Some applets illustrating ion exchange processes, su ionexchange.books.kth.se. URL consultato il 13 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale il 28 aprile 2007).
A simple explanation of deionization, su veoliawaterst.com (archiviato dall'url originale il 27 agosto 2007).
Ion exchange, BioMineWiki, su wiki.biomine.skelleftea.se. URL consultato il 13 ottobre 2008 (archiviato dall'url originale l'11 agosto 2020).
(EN) IUPAC Gold Book, "ion exchange", su goldbook.iupac.org.
(EN) IUPAC Gold Book, "ion exchanger", su goldbook.iupac.org.

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[1] Si dice che la resina è "funzionalizzata".

[2] (EN) Yazan Ibrahim, Elham Abdulkarem e Vincenzo Naddeo, Synthesis of super hydrophilic cellulose-alpha zirconium phosphate ion exchange membrane via surface coating for the removal of heavy metals from wastewater, in Science of The Total Environment, vol. 690, 2019-11, pp. 167-180, DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.07.009. URL consultato il 4 febbraio 2020.

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