Uno scambio ionico è un processo chimico in cui gli ioni vengono scambiati tra due soluzioni elettrolitiche o tra una soluzione elettrolitica e una struttura a matrice solida nota come polimero a scambio ionico. Quando la soluzione elettrolitica reagisce con il polimero, o resina, gli ioni della soluzione vengono intrappolati e attaccati al substrato solido, che a sua volta rilascia ioni diversi della stessa carica. Lo scambio cationico si verifica quando vengono scambiate particelle con carica positiva, mentre lo scambio anionico avviene quando vengono scambiate particelle con carica negativa.
Lo scambio ionico può avvenire in ambienti naturali attraverso minerali alluminosilicati noti come zeoliti, che si trovano nell’argilla. Il livello di scambio cationico che si verifica nel suolo può essere utilizzato come indicatore della capacità del suolo di trattenere i nutrienti. È anche un fattore importante nel determinare la purezza delle acque sotterranee.
Negli ambienti industriali, lo scambio ionico avviene attraverso l’uso di polimeri organici sintetici. Un polimero a scambio ionico può essere fabbricato per filtrare in modo specifico determinati ioni da una soluzione. Esistono quattro tipi principali di polimeri a scambio ionico che hanno diverse affinità ioniche e proprietà chimiche: resine anioniche a base forte, resine anioniche a base debole, resine cationiche acide forti e resine cationiche acide deboli.
Oltre a questi quattro gruppi, esistono altri tipi di resine a scambio ionico. Le resine chelanti sono importanti per filtrare i cationi di metalli pesanti tossici, come piombo e mercurio. Queste resine sono utilizzate nel trattamento delle acque reflue e delle acque sotterranee.
Le resine acide forti possono essere utilizzate per rimuovere i cationi di calcio e magnesio dall’acqua in un processo noto come addolcimento dell’acqua. Gli ioni calcio e magnesio della soluzione vengono scambiati con ioni sodio o idrogeno dalla resina. I prodotti per la casa come i detersivi per il bucato utilizzano zeoliti per addolcire l’acqua per evitare l’interferenza degli ioni calcio e magnesio con l’azione pulente del sapone.
La deionizzazione dell’acqua è un’altra applicazione comune dello scambio ionico. Nella deionizzazione, i sali minerali come sodio e calcio vengono rimossi dall’acqua e sostituiti con cationi idrogeno o anioni idrossido, a seconda del tipo di resina utilizzata. Questo processo produce una forma purificata di acqua paragonabile all’acqua distillata, utile nei processi di laboratorio e industriali dove è richiesta un’elevata purezza dell’acqua.
Le reazioni di scambio ionico industriale vengono solitamente eseguite utilizzando colonne. Questi recipienti contengono un letto di resina, che trattiene la resina a scambio ionico mentre la soluzione viene fatta passare attraverso di essa. Il flusso può essere controllato da valvole e strumentazione collegata alla colonna. Quando la soluzione viene fatta passare attraverso la resina, avviene lo scambio ionico fino a quando tutti i siti di legame nella resina sono riempiti, producendo una soluzione purificata.