Con lo scambio ionico è possibile sostituire solo determinati ioni che sono indesiderati nell’acqua o in una soluzione (come il caso degli ioni Ca²⁺ e Mg ²⁺ presenti nell’acqua responsabili della durezza temporanea) oppure togliere dall’acqua o da una soluzione tutti gli ioni che essa contiene. Un esempio classico di trattamento che sfrutta questo principio è l’addolcimento, ovvero l’eliminazione o la riduzione della durezza, un altro trattamento molto comune è la cosiddetta demineralizzazione, ovvero la rimozione di tutti gli elettroliti contenuti nell’acqua, compresi anidride carbonica e silice, per ottenere acqua purissima.

Il principio dello scambio ionico

Il trattamento dell’acqua a scambio ionico è basato sulla proprietà degli scambiatori di ioni (generalmente resine di polimerizzazione) di togliere dall’acqua gli ioni indesiderati, sostituendoli con altri.
Introducendo uno scambiatore di ioni carico di cationi A in una soluzione contenente cationi B, avviene uno scambio di cationi, nel senso che lo scambiatore cede alla soluzione cationi A in cambio di cationi B, fino al raggiungimento dello stato di equilibrio.

Le resine a scambio ionico

Le resine utilizzate per questo processo vengono chiamate “a scambio ionico” e si presentano in forma di perline di materia plastica, costituita ad esempio da stirolo reticolato con divinilbenzolo. La macromolecola risultante dal processo di reticolazione contiene un elevato numero di gruppi funzionali, in grado di fissare ioni a carica positiva nelle resine cationiche e ioni a carica negativa nelle resine anioniche.
Questa cosiddetta “matrice” ha il carattere di un gel: il termine gel deriva da gelatina e viene usato per definire sistemi in cui un componente solido è disperso in un componente liquido.
Nel caso delle resine a scambio ionico il componente solido è la macromolecola, che può essere paragonata ad un gomitolo di lana in grado di assorbire acqua come una spugna, il componente liquido è l’acqua e la coerenza del sistema è dovuta alla reticolazione della macromolecola, che può essere immaginata come una formazione di ponti che collegano il filo di lana a vari livelli, formando una specie di ragnatela (Fig.1).
È la reticolazione che rende la resina insolubile in acqua.

Fig.1 Rappresentazione schematica di una resina a scambio ionico

Il processo a scambio ionico

Nel campo del trattamento dell’acqua, lo scambio ionico consiste nel far passare la soluzione da trattare attraverso una colonna contenente una resina a scambio ionico, dall’alto verso il basso. Prima della rigenerazione viene effettuato normalmente un lavaggio in controcorrente, cioè dal basso verso l’alto, per togliere dal letto di resina le eventuali sostanze depositate meccanicamente nello stesso durante la fase di esaurimento, per ripristinare la facilità di attraversamento del letto di resina in ogni sua parte.
Una volta sature, le resine vengono rigenerate automaticamente mediante un flussaggio temporizzato con una soluzione rigenerante che ricarica la matrice delle resine di ioni “nuovi”.

L’addolcimento

Gli impianti di addolcimento usano resine scambiatrici (ovvero resine a scambio ionico) in grado di sostituire gli ioni calcio e magnesio presenti nell’acqua (durezza temporanea) con ioni sodio, eliminando così la possibilità di formazione di carbonati facilmente precipitabili e responsabili di incrostazioni carbonatiche (calcare), che, oltre a ridurre l’efficienza di trasmissione del calore nei generatori di calore, boiler, ecc, con conseguente maggior dispendio di energia, riducono nel tempo la vita delle apparecchiature.
Le resine, in partenza cariche di ioni sodio, “legano” progressivamente al proprio reticolo gli ioni calcio e magnesio presenti nell’acqua da trattare, cedendo gli ioni sodio fissati inizialmente sulla matrice. Una volta sature di ioni calcio e magnesio, le resine vengono rigenerate automaticamente mediante un flussaggio temporizzato con una soluzione salina a base di cloruro di sodio (NaCl) che ricarica la matrice delle resine di ioni sodio.
Un altro trattamento molto comune che sfrutta il principio a scambio ionico è la cosiddetta demineralizzazione.

La demineralizzazione

Le acque sottoposte ai processi di addolcimento poiché conservano comunque una parte del loro contenuto salino, sono idonee per molti scopi, ma non possono essere impiegate per caldaie ad alta pressione o per talune lavorazioni industriali, che esigono inveve acque completamente prive di sali.
La demineralizzazione per scambio ionico su resine è il processo particolarmente adatto per acque grezze di salinità modesta.
In questo tipo di trattamento tutti i cationi vengono dapprima scambiati con ioni idrogeno (H+) e tutti gli anioni vengono scambiati poi con ioni ossidrile (OH-).
Questi scambi vengono realizzati in due fasi, dapprima lo scambio dei cationi, poi lo scambio degli anioni. In luogo dei sali, nell’acqua rimangono solo gli ioni idrogeno e ossidrile, che si combinano per formare acqua.
In altre parole, durante i passaggi successivi, i sali vengono trasformati in acqua, e pertanto dall’acqua grezza si ottiene acqua purissima.

La rigenerazione delle resine a scambio ionico

La rigenerazione è un’operazione periodica necessaria al mantenimento della capacità di scambio della resina, che tende ad esaurirsi dopo il passaggio di un certo volume d’acqua; prima che ciò accada la resina deve essere trattata, con le modalità a tempo o a volume, con una soluzione rigenerante ricca dello stesso tipo di ioni che ha perso durante lo scambio.
Per esempio una resina per addolcimento, che acquista ioni calcio e magnesio e cede ioni sodio, dovrà essere rigenerata con una soluzione di cloruro di sodio: il sodio andrà a fissarsi sulla resina, mentre i cloruri di calcio e magnesio vengono eliminati con l’acqua di scarto.
Nel caso della demineralizzazione, per le resine cationiche viene utilizzata una soluzione di acido cloridrico e per quelle anioniche soda caustica.
Quando l’apparecchio è in rigenerazione non può erogare acqua trattata, pertanto nei casi in cui sia necessario garantire la continuità del servizio occorre prevedere almeno due colonne di scambio che lavorino in parallelo e con rigenerazioni alternate.

Gli impianti con resine a scambio ionico possono essere utilizzati singolarmente o in combinazione con altre tecnologie per il trattamento delle acque primarie o per il trattamento dei reflui.

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