Gli scambiatori di ioni sono materiali solidi insolubili o liquidi immiscibili nel caso di scambiatori di ioni liquidi contenenti ioni scambiabili. Questi ioni possono essere scambiati con una quantità stechiometrica di altri ioni dello stesso segno al contatto con una soluzione elettrolitica.
A seconda della carica elettrica degli ioni che partecipano al processo di scambio ionico si può parlare di scambiatori di ioni cationici e anionici. Gli scambiatori di ioni che sono in grado di interagire con entrambi i tipi di ioni sono detti anfoteri.
Uno scambiatore cationico è costituito da una matrice con carica negativa mentre uno scambiatore anionico è costituito da una matrice con carica positiva. La carica negativa o positiva sulla matrice è compensata dai controioni con carica opposta, che sono di natura mobile. Gli scambiatori di ioni inorganici, insolubili o polimerici vengono generalmente utilizzati per scopi di purificazione dell’acqua, addolcimento e decontaminazione dell’acqua.
Sebbene il processo di scambio ionico sia comune per scopi di trattamento dell’acqua, ha anche altre applicazioni industriali nella produzione di alimenti e bevande, trattamento acque industriali, finitura di metalli e nell’industria nucleare, energetica ed elettronica.
Efficienza degli scambiatori di ioni
L’effettiva utilità degli scambiatori di ioni dipende principalmente dalle caratteristiche di scambio ionico, quali capacità di scambio ionico, concentrazione, eluizione e comportamento di distribuzione. La capacità di scambio ionico dipende dai raggi ionici idratati e dalla selettività. La selettività di qualsiasi scambiatore ionico, a sua volta, è influenzata dalla natura del suo gruppo funzionale e dal grado della sua reticolazione.
scambio ionico
Gli scambiatori di ioni, avendo gruppi capaci di formare composti di coordinazione con alcuni ioni particolari, adsorbiranno questi ioni più fortemente. All’aumentare del grado di reticolazione, lo scambiatore diventa più selettivo nei confronti di ioni di dimensioni diverse. L’eluizione degli ioni H+ da una colonna di scambiatori di ioni dipende dalla concentrazione dell’eluente mentre una concentrazione ottimale dell’eluente, necessaria per la massima eluizione degli ioni H+ , dipende dalla natura dei gruppi presenti nello scambiatore, che dipende in base ai valori di pKa degli acidi utilizzati nella preparazione.
L’efficienza di uno scambiatore di ioni dipende dalle seguenti reazioni di scambio fondamentali:
In base alla natura della matrice, uno scambiatore ionico può essere di natura organica, inorganica o ibrida. Gli scambiatori di ionici inorganici e organici sono costituiti da una matrice cristallina o polimerica e da gruppi funzionali. A seconda del valore del pH della fase liquida, questi gruppi possono essere protonati o dissociati. In questo modo gli scambiatori sono in grado di interagire con gli ioni della fase liquida.
Scambiatori di ioni organici
Gli scambiatori di ioni organici, comunemente noti come resine a scambio ionico, presentano uniformità, stabilità chimica e meccanica. Sono ottenuti mediante polimerizzazione di monomeri organici in macromolecole che vengono rese insolubili mediante reticolazione con un monomero polifunzionale. Gli scambiatori di ioni organici contengono gruppi funzionali ionizzabili. I gruppi funzionali negli scambiatori cationici sono: -SO3H, -COOH e -OH mentre in quelli anionici sono: -NR3+, -NR 2, -NHR e -NH2
scambiatore anionico
La natura e il livello della reticolazione influenzano l’elasticità, la stabilità dimensionale o la resistenza della particella di copolimero e lo spazio disponibile che circonda il sito ionogeno o catalitico all’interno della fase di gel rigonfiata con solvente.
Le matrici copolimeriche insolubili più diffuse per l’ottenimento di scambiatori di ioni organici sono quelle derivate dalla copolimerizzazione radicalica dello stirene con divinilbenzene. Altre matrici sebbene utilizzate in misura molto minore sono quelle ottenute dalla polimerizzazione per condensazione del fenolo e altri derivati aromatici idrossilati del fenolo come catecolo, resorcinolo e idrochinone con formaldeide e le matrici copolimeriche ottenuto dalla polimerizzazione radicalica dei monomeri di acrilato e metacrilato con divinilbenzene.
Alla matrice polimerica reticolata preformata sono legati i gruppi funzionali che svolgono l’attività catalitica. Per i polimeri aromatici, l’attacco del gruppo funzionale avviene tramite reazioni di sostituzione elettrofila, mentre per le resine acriliche e metacriliche alifatiche, l’attacco del gruppo funzionale avviene tramite reazioni di sostituzione nucleofila al gruppo carbossilico.
Scambiatori di ioni inorganici
Gli scambiatori di ioni inorganici sono in grado di essere stabili a temperature elevate e in presenza di forti radiazioni e, quindi, hanno applicazioni ad ampio raggio nelle ricerche nucleari come separazioni di radioisotopi e trattamenti dei rifiuti nucleari.
trattamento delle acque
Sono utilizzati nella determinazione e rilevamento di metalli in prodotti farmaceutici e biologici, analisi di leghe e rocce, come elettrodi ionoselettivi, come materiali di imballaggio nella cromatografia a scambio ionico e come catalizzatori e trovano applicazione nell’analisi ambientale.
Gli scambiatori di ioni inorganici sono generalmente gli ossidi, idrossidi e sali acidi insolubili di metalli polivalenti, sali eteropoliacidi e ferrocianuri metallici insolubili. Questi materiali vengono generalmente prodotti combinando gli ossidi di elementi dei gruppi 13, 14, 15 e 16 della tavola periodica.
Un gran numero di tali materiali è stato sintetizzato mescolando acido fosforico, acido arsenico, molibdico, antimonico e vanadico con titanio, zirconio, stagno, torio, cerio, ferro, antimonio, cromo, niobio, tantalio, bismuto, nichel e cobalto.
Tuttavia questo tipo di scambiatori di ioni, che sono stati presi come alternativa a quelli organici che risultano instabili a temperature elevate e sotto forti radiazioni, non sono molto riproducibili nel comportamento di scambio ionico e non sono chimicamente e meccanicamente molto stabili
Scambiatori di ioni ibridi
Gli scambiatori di ioni ibridi sono costituiti da scambiatori ionici inorganici a base organica e hanno proprietà non riscontrate nei materiali solamente organici o inorganici e mostrano un’eccellente stabilità chimica, meccanica e termica, compatibile sia con le controparti organiche che inorganiche. Gli scambiatori di ioni ibridi possono essere preparati come materiali porosi tridimensionali in cui gli strati sono reticolati o come composti stratificati contenenti acido solfonico, acido carbossilico o gruppi amminici.
Questa nuova classe di scambiatori di ioni è ottenuta incorporando una specie organica polimerica o monomerica nella matrice inorganica di scambio ionico. Di recente sono state studiate nuove classi di scambiatori ionici combinando tensioattivi e fosfati metallici inorganici.
Sono stati sintetizzati alcuni materiali ibridi a scambio ionico, come i fosfati di zirconio e stagno a base di acrilammide e piridina e il fosfato di zirconio a base di acrilonitrile che mostrano elevata selettività verso ioni metallici diversi