Scambiatori di ioni

Gli scambiatori di ioni sono materiali che consentono agli ioni disciolti di essere sostituiti da altri ioni della stessa carica (vale a dire, positivi o negativi); avviene uno scambio ionico. Gli scambiatori di ioni sono disponibili in commercio come colonne riempite con un materiale a scambio ionico o come membrane attraverso le quali scorre la soluzione da trattare. Gli ioni da scambiare sono legati al materiale di scambio ionico, che a sua volta rilascia nella soluzione una quantità equivalente di carica dagli ioni precedentemente legati.

Ad esempio, uno scambiatore di cationi può sostituire i cationi di calcio disciolti nell'acqua di rubinetto normale con cationi di sodio legati allo scambiatore di ioni. Tali scambiatori cationici sono presenti anche nelle lavastoviglie. Prepara l'acqua per i processi di risciacquo priva di cationi di calcio, che altrimenti porterebbero alla formazione di incrostazioni bianche (calcare) sulle stoviglie durante l'asciugatura e incrostazioni sulle resistenze e nei tubi della macchina (calcificazione). Quando questo scambiatore di cationi è esaurito e completamente saturo di cationi di calcio, deve essere rigenerato. Questo viene fatto spostando nuovamente i cationi di calcio legati offrendo una soluzione altamente concentrata di cloruro di sodio (sale da cucina). Questo processo è chiamato rigenerazione dello scambiatore.

Gli scambiatori di ioni cationici sono di importanza naturale, soprattutto per la capacità di scambio cationico nel suolo. Assicurano che i cationi rimangano a disposizione delle piante e non vengano lavati via dalla pioggia. Per la bonifica di luoghi contaminati nell'acqua e nel suolo, possono essere realizzati speciali scambiatori di cationi in grado di rimuovere in modo mirato cationi di metalli pesanti specifici dall'acqua e dal suolo.

Il principio dello scambio ionico si basa sul fatto che gli ioni sono più fortemente legati allo scambiatore ionico, maggiore è la loro carica e, a parità di carica, maggiore è il loro raggio ionico. Ad esempio, nello scambiatore di ioni Na+ è sostituito da Ca2+, ma anche Ca2+ da Al3+. Lo ione di legame più forte sposta lo ione di legame più debole dai siti di legame del materiale di scambio ionico. Bisogna quindi fare attenzione che lo ione indesiderato da rimuovere dalla soluzione sia legato più fortemente dello ione legato allo scambiatore di ioni. Altri importanti fattori che influenzano ciò sono: il valore del pH della soluzione in relazione al tipo e al numero di siti di legame del materiale scambiatore di ioni e anche la rispettiva concentrazione molare. Il seguente elenco di ioni metallici bivalenti mostra quanto fortemente il raggio ionico influenzi la selettività di una resina a scambio ionico. I valori si applicano a una soluzione con pH 4,0 e calcio come base con 1,0 per KM/Ca e una resina scambiatrice di cationi debolmente acida con struttura in poliacrilico.

Oltre alla selettività, gli ioni assorbiti possono anche essere spostati dal materiale scambiatore di ioni aumentando la concentrazione di una sostanza. Quest'ultimo viene eseguito durante una rigenerazione. Le reazioni sono riportate di seguito dall'esempio degli ioni sodio, che sono presenti come sale da cucina (NaCl) in una soluzione acquosa. Uno scambiatore cationico fortemente acido viene utilizzato per l'aspirazione (= carico/funzione) e il distacco (= rigenerazione). Il rigenerante è acido cloridrico.

Struttura di base di uno scambiatore cationico, ad es. B. polistirene solfonato
Una volta caricato, la reazione procede da sinistra a destra. Quando la concentrazione dello ione H3O+ nella parte destra dell'equazione aumenta, la reazione torna a sinistra e lo scambiatore viene riconvertito alla forma acida e rigenerato. Se il liquido da dissalare e la soluzione rigenerante attraversano lo scambiatore nella stessa direzione durante la carica/funzionamento e la rigenerazione, si parla di scambiatore di co-corrente; se la direzione del flusso è opposta si parla di scambiatore in controcorrente. La concentrazione del rigenerante è tipicamente 3-10% HCl.

Nell'esempio riportato, durante la carica si forma un acido cloridrico diluito nell'acqua di scarico. A causa di un effetto di controione, a seconda della concentrazione di sale nell'acqua grezza e dello stato di carica della resina scambiatrice di ioni, durante la carica si verifica uno scorrimento di sodio. C'è quindi ancora un piccolo contenuto di sodio nell'acqua pura che fuoriesce dopo lo scambiatore. Questo può raggiungere valori di 1 mg Na+/l e superiori, soprattutto con uno scambiatore di calore DC. Con scambiatore in controcorrente sono ≤ 0,1 mg Na+/l.