Le resine a scambio ionico sono dei polimeri insolubili che al loro interno hanno deboli legami con ioni, che possono essere scambiati con gli ioni contenuti in una soluzione acquosa che vi entra in contatto.

Tale scambio è reversibile e non comporta alcun cambiamento strutturale all'interno della resina. Uno dei principali punti di forza di questo metodo è nella capacità della resina di essere riutilizzata. L'applicazione principale delle resine a scambio ionico è il trattamento delle acque, soprattutto la demineralizzazione o l'addolcimento. Se la resina scambia ioni positivi si parla di scambiatori cationici, se invece vengono scambiati ioni negativi le resine vengono definite scambiatori anionici.

Le resine a scambio ionico sono generalmente preparate nella forma di piccole sfere con un diametro tra i 0.5 e 1.0 mm, di consistenza solida. Esse sono formate da polimeri con una matrice a legami incrociati con una distribuzione uniforme di siti ionici attivi. Tale struttura è abbastanza aperta e la soluzione che attraversa la resina passa tra i legami incrociati dei polimeri, venendo in contatto con i siti di scambio. Le resine a scambio cationico nei siti attivi hanno gruppi sulfonati , mentre quelle a scambio anionico contengono gruppi amminici.

L'affinità delle resine per gli ioni, quindi la capacità di legarsi a loro in modo stabile e forte, dipende dalle dimensioni degli ioni e dalla loro valenza. Solitamente l'affinità è maggiore per gli ioni di grandi dimensioni e con alta valenza.
Per soluzioni diluite l'ordine di affinità per i cationi più comuni è il seguente:
Hg²⁺ + + + + ≈ NH₄⁺ < Cd²⁺ < Cs⁺ < Ag⁺ < Mn²⁺ < Mg²⁺< Zn²⁺ < Cu²⁺ < Ni²⁺ < Co²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Pb²⁺ < Al³⁺ < Fe³⁺

Una lista analoga per le resine a scambio anionico è la seguente:
OH^- ≈ F^- < HCO₃^- < Cl^-< Br^- < NO₃^- < HSO₄^- < PO₄^3- < CrO₄^2-< SO₄^2-
Supponiamo che una resina abbia una maggiore affinità per lo ione A che per lo ione B. Se la resina contiene lo ione B e viene in contatto con una soluzione contenente lo ione A, allora essa rilascerà B per trattenere A.

Le resine si differenziano tra loro per diverse proprietà:

• Capacità. Si definisce capacità totale il numero totale di siti che sono disponibili per lo scambio ionico. Viene determinata misurando analiticamente il quantitativo di un dato ione contenuto nella soluzione di scarto dopo la rigenerazione della resina. La capacità operativa è la misura di quanto è performante una resina nelle condizioni in cui si trova ad operare.
• Rigonfiamento. Il rigonfiamento è dovuto all'idratazione dei gruppi ionici fissi e cresce al crescere della capacità, fino al limite imposto dalla rete di polimeri. In sostanza il volume delle resine cambia in seguito alla conversione a forme ioniche con diversi gradi di idratazione.
• Selettività. Viene così definita la preferenza relativa per lo scambio di uno ione rispetto a un altro, è influenzata dal grado di reticolazione.
• Cinetica. È la velocità con cui avviene uno scambio di ione, che è determinata dalla diffusione nel film della soluzione che è in stretto contatto con le resine e dalla diffusione all'interno della resina tra le sue particelle. A basse concentrazioni il flusso viene determinato dalla diffusione nel film della soluzione, ad alte concentrazioni il meccanismo dominante è invece la diffusione tra le particelle. Un altro fattore importante è la dimensione delle particelle della resina.
• Stabilità. Le resine a scambio ionico vengono rapidamente degradate dagli agenti fortemente ossidanti, quali gli acidi nitrici o cromici. Se catalizzati anche l'ossigeno o il cloro possono portare ad un danneggiamento delle resina. Per questo motivo alcuni ioni metallici, come ad esempio il ferro, il manganese ed il rame devono essere ridotti al minimo nelle soluzioni ossidanti. Negli scambiatori cationici vengono principalmente attaccate le strutture dei polimeri. Le resine cationiche con legami incrociati hanno quindi una lunga durata perché contengono un gran numero di siti che possono essere attaccati prima che le loro proprietà vengano sensibilmente alterate. Negli scambiatori anionici gli attacchi coinvolgono invece i gruppi funzionali e quindi vengono subito alterate le caratteristiche della resina.
  I limite della stabilità termica delle resine anioniche è determinata dalla forza dei legami carbonio-azoto. Questi legami sono influenzati anche dal pH, in particolare bassi livelli di pH rendono questi legami più forti. Le resine cationiche sono anch'esse influenzate dal pH e la stabilità del legame carbone-solfuri diminuisce con bassi livelli di pH, tuttavia queste resine sono molto più stabili e posso essere operative anche a temperature di 150° C.

Applicazioni delle resine a scambio ionico

Le più comuni applicazioni delle resine a scambio ionico sono:

• addolcimento;
• demineralizzazione;
• produzione di acqua ultra pura (Ultra Pure Water – UPW), che è necessaria alla produzione dei semiconduttori;
• rimozione dei nitrati;
• rimozione di nuclidi radioattivi;
• catalizzatori di processi chimici quali l'idrolisi, l'inversione, l'esterificazione, l'idratazione e la disidratazione.

Le prime applicazioni delle resine a scambio ionico in campo industriale risalgono circa al 1910, con l'utilizzo degli zeoliti naturali. I primi materiali sintetici utilizzati come scambiatori di ioni basati sul carbone e sulle resine fenoliche vennero introdotti negli anni '30. Alcuni anni dopo vennero sviluppate resine formate da polistirene con gruppi sulfonati per lo scambio cationico o gruppi amminici per lo scambio anionico. Questi due tipi di resine sono tutt'oggi tra i più utilizzati.
L'addolcimento dell'acqua avviene utilizzando una resina che contiene cationi Na⁺, ma ha affinità per Ca²⁺ e Mg ²⁺. Quando si fa passare l'acqua attraverso tale resina, il solido assorbe Ca²⁺ e Mg²⁺ e rilascia ioni Na⁺, addolcendo l'acqua. Poiché gli ioni vengono rimpiazzati, il contenuto totale di solidi dissolti non varia, così come il contenuto anionico ed il pH. La resina utilizzata per l'addolcimento viene rigenerata in intervalli di tempo regolari trattandola con una soluzione di cloruro di sodio ad alta concentrazione. La demineralizzazione dell'acqua viene effettuata utilizzando due resine: l'acqua passa inizialmente su una resina a scambio cationico che contiene ioni H⁺, che rimpiazzano tutti i cationi.

La soluzione risultante è una debole miscela di acidi. Successivamente l'acqua passa attraverso un secondo contenitore che contiene resina anionica con ioni OH^- che sostituiscono tutti gli anioni dell'acqua. Gli ioni H⁺ e OH^- reagiscono tra loro per formare molecole di acqua. La resina cationica viene rigenerata con una forte soluzione acida (cloridrica o solforica). La resina a scambio anionico invece viene rigenerata utilizzando una soluzione di idrossido di sodio.

La rimozione dei nitrati viene effettuata invece con resine a scambio anionico con cloruri.

Nelle unità di maggiori dimensioni solitamente l'acqua uscendo dall'unità cationica passa attraverso una torre di degassificazione, al fine di rimuovere la maggior parte dell'acido carbonico e degli anioni presenti. L'acido carbonico verrebbe altrimenti catturato dalla resina anionica dopo la conversione in carbonato, occupando siti utili alla rimozione di altri ioni. Se è necessaria una completa demineralizzazione l'acqua deve passare in un terzo stadio in cui può essere contenuta resine cationica ad idrogeno o una miscela di resina anioniche e cationiche. Una resina viene considerata esausta quando la maggior parte degli ioni al suo interno sono stati sostituiti dagli ioni rimossi dalla soluzione e per continuare a funzione deve essere rigenerata.

Nei demineralizzatori tale condizione viene controllata con un sensore della conduttività all'uscita del dispositivo. Quando la conduttività raggiunge un determinato livello viene attivato un ciclo di rigenerazione. Altri dispositivi sono dotati di sensori del pH. Solitamente le resine industriali vengono rigenerate con intervalli che variano tra le 12 e le 48 ore, a seconda di quanto vengono utilizzate.

Il vantaggio principale nell'utilizzo delle resine a scambio ionico è rappresentato dai bassi costi di manutenzione. Infatti per il loro funzionamento è necessaria poca energia elettrica, i rigeneranti chimici sono economici e, se viene mantenuto con accuratezza, un dispositivo può durare anche diversi anni prima di dover essere sostituito.
È necessario tuttavia prestare attenzione ad alcune limitazioni di questi dispositivi, che possono essere arginate grazie a degli accorgimenti. L'acido solforico è il rigenerante per demineralizzatori più economico e viene quindi utilizzato in tutti i casi in cui è possibile, ma in alcune acque vi è una grande concentrazione di calcio e con questo acido esso precipita come solfato di calcio. Questo precipitato rovina la resina e blocca i tubi dell'impianto. In questi casi il rigenerante da utilizzare è l'acido cloridrico. Le sorgenti di acqua anaerobica sotterranea contengono spesso ferro allo stato Fe²⁺ che può essere rimosso dalle resine cationiche con sodio, ma bisogna prestare attenzione a non far entrare l'acqua in contatto con l'aria. Infatti a contatto con l'ossigeno il ferro si ossida passando alla sua forma Fe³⁺ che precipita come idrossido ferrico che può danneggiare l'impianto.

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