Un échange d’ions est un processus chimique dans lequel des ions sont échangés entre deux solutions d’électrolyte ou entre une solution d’électrolyte et une structure matricielle solide connue sous le nom de polymère échangeur d’ions. Lorsque la solution d’électrolyte réagit avec le polymère ou la résine, les ions de la solution sont piégés et attachés au substrat solide, qui à son tour libère différents ions de la même charge. L’échange de cations se produit lorsque des particules chargées positivement sont échangées, tandis que l’échange d’anions se produit lorsque des particules chargées négativement sont échangées.
L’échange d’ions peut se produire dans des milieux naturels à travers des minéraux d’aluminosilicate connus sous le nom de zéolites, qui se trouvent dans l’argile. Le niveau d’échange de cations qui se produit dans le sol peut être utilisé comme indicateur de la capacité du sol à retenir les nutriments. C’est également un facteur important dans la détermination de la pureté des eaux souterraines.
Dans les milieux industriels, l’échange d’ions a lieu grâce à l’utilisation de polymères organiques synthétiques. Un polymère échangeur d’ions peut être fabriqué pour filtrer spécifiquement certains ions d’une solution. Il existe quatre principaux types de polymères échangeurs d’ions qui ont des affinités ioniques et des propriétés chimiques différentes : les résines anioniques à base forte, les résines à anion à base faible, les résines à cations acides fortes et les résines à cations acides faibles.
En plus de ces quatre groupes, d’autres types de résines échangeuses d’ions existent. Les résines chélatantes sont importantes pour filtrer les cations de métaux lourds toxiques, tels que le plomb et le mercure. Ces résines sont utilisées dans le traitement des eaux usées et des eaux souterraines.
Les résines acides fortes peuvent être utilisées pour éliminer les cations calcium et magnésium de l’eau dans un processus connu sous le nom d’adoucissement de l’eau. Les ions calcium et magnésium de la solution sont échangés contre des ions sodium ou hydrogène de la résine. Les produits ménagers tels que les détergents à lessive utilisent des zéolites pour adoucir l’eau afin d’éviter l’interférence des ions calcium et magnésium avec l’action nettoyante du savon.
La déionisation de l’eau est une autre application courante de l’échange d’ions. Lors de la désionisation, les sels minéraux tels que le sodium et le calcium sont retirés de l’eau et remplacés par des cations hydrogène ou des anions hydroxyde, selon le type de résine utilisée. Ce processus produit une forme d’eau purifiée comparable à l’eau distillée, ce qui est utile dans les processus de laboratoire et industriels où une eau de haute pureté est requise.
Les réactions industrielles d’échange d’ions sont généralement réalisées à l’aide de colonnes. Ces récipients contiennent un lit de résine, qui contient la résine échangeuse d’ions pendant que la solution la traverse. Le débit peut être contrôlé par des vannes et des instruments attachés à la colonne. Au fur et à mesure que la solution traverse la résine, un échange d’ions se produit jusqu’à ce que tous les sites de liaison dans la résine soient remplis, produisant une solution purifiée.