Mentre molti di noi hanno sentito parlare di resine a scambio ionico (IX), pochi di noi sanno come funziona effettivamente questa tecnologia. Sia che stiate valutando potenziali strategie di trattamento, sia che stiate cercando modi per ottenere il massimo dalle vostre resine IX esistenti, o che siate semplicemente curiosi della chimica IX, vi starete chiedendo “Cos’è la resina a scambio ionico e come funziona?”

Non importa quale sia il tuo obiettivo, questo articolo ti aiuterà a prendere decisioni migliori sulle giuste strategie di trattamento delle acque per il tuo impianto, aiutandoti a capire meglio la tecnologia delle resine IX e come serve una varietà di esigenze di trattamento e separazione delle acque.

Cosa sono le resine a scambio ionico?

Lo scambio ionico è una reazione chimica reversibile in cui gli ioni dissolti vengono rimossi dalla soluzione e sostituiti con altri ioni della stessa carica elettrica o simili. Non è un reagente chimico di per sé, la resina IX è invece un mezzo fisico che facilita le reazioni di scambio ionico. La resina stessa è composta da polimeri organici che formano una rete di idrocarburi. In tutta la matrice polimerica ci sono siti di scambio ionico, dove i cosiddetti “gruppi funzionali” di ioni a carica positiva (cationi) o di ioni a carica negativa (anioni) sono fissati alla rete polimerica. Questi gruppi funzionali attraggono facilmente gli ioni di carica opposta.

Quali sono le proprietà fisiche delle resine IX?

La forma geometrica, le dimensioni e la struttura delle resine IX possono variare da un tipo all’altro. La maggior parte dei sistemi di scambio IX impiega un letto di resina costituito da microsfere minuscole e porose, anche se alcuni sistemi, come quelli usati per l’elettrodialisi, usano una resina a maglia simile a un foglio. Le microsfere di resina IX sono solitamente piccole e sferiche, con un raggio di appena 0,25-1,25 millimetri. A seconda dell’applicazione e del design del sistema, le perle di resina possono avere una dimensione uniforme delle particelle o una distribuzione gaussiana delle dimensioni. La maggior parte delle applicazioni utilizza perle di resina gel, che hanno un aspetto traslucido e offrono un’alta capacità ed efficienza chimica. Le resine macroporose, che sono riconoscibili per il loro aspetto bianco opaco o giallo, sono in genere riservate a condizioni impegnative, poiché hanno una stabilità e una resistenza chimica relativamente maggiori.

Di cosa sono fatte le resine IX?

La matrice della resina IX è formata da catene di idrocarburi reticolati tra loro in un processo chiamato polimerizzazione. La reticolazione conferisce al polimero della resina una struttura più forte e resiliente e una maggiore capacità (in volume). Mentre la composizione chimica della maggior parte delle resine IX è il polistirene, alcuni tipi sono fabbricati da acrilico (acrilonitrile o acrilato di metile). Il polimero della resina viene poi sottoposto a uno o più trattamenti chimici per legare gruppi funzionali ai siti di scambio ionico situati in tutta la matrice. Questi gruppi funzionali sono quelli che danno alla resina IX le sue capacità di separazione, e variano significativamente da un tipo di resina all’altro. Le composizioni più comuni includono:

• Resine a scambio cationico acido forte (SAC). Le resine SAC sono composte da una matrice di polistirene con un gruppo funzionale di solfonato (SO3-) che viene caricato con ioni di sodio (Na2+) per applicazioni di ammorbidimento, o ioni di idrogeno (H+) per la demineralizzazione
• Resine a scambio di cationi acidi deboli (WAC). Le resine WAC sono composte da un polimero acrilico che è stato idrolizzato con acido solforico o soda caustica per produrre gruppi funzionali di acido carbossilico. A causa della loro alta affinità per gli ioni idrogeno (H+), le resine WAC sono tipicamente usate per rimuovere selettivamente i cationi associati all’alcalinità.
• Resine di scambio anionico a base forte (SBA). Le resine SBA sono tipicamente composte da una matrice di polistirene che ha subito clorometilazione e aminazione per fissare gli anioni ai siti di scambio. Le resine SBA di tipo 1 sono prodotte dall’applicazione della trimetilammina, che produce ioni cloruro (Cl-), mentre le resine SBA di tipo 2 sono prodotte dall’applicazione della dimetiletanolammina, che produce ioni idrossido (OH-).
• Resine a scambio ionico a base debole (WBA). Le resine WBA sono tipicamente composte da una matrice di polistirene che è stata sottoposta a clorometilazione, seguita da amminazione con dimetilammina. Le resine WBA sono uniche in quanto non hanno ioni scambiabili, e sono quindi utilizzate come assorbitori di acido per rimuovere gli anioni associati a forti acidi minerali.
• Resine chelanti. Le resine chelanti sono il tipo più comune di resina speciale e sono utilizzate per la rimozione selettiva di alcuni metalli e altre sostanze. Nella maggior parte dei casi la matrice della resina è composta da polistirene, anche se una varietà di sostanze sono utilizzate per i gruppi funzionali, tra cui tiolo, trietilammonio e aminofosfonico, tra molti altri.

Come funziona la resina a scambio ionico?

Per capire pienamente come funzionano le resine IX, è importante prima capire i principi della reazione di scambio ionico. In parole povere, lo scambio ionico è uno scambio reversibile di particelle cariche – o ioni – con quelle di carica simile. Ciò avviene quando gli ioni presenti su una matrice di resina IX insolubile si scambiano efficacemente di posto con ioni di carica simile presenti in una soluzione circostante.

La resina IX funziona in questo modo a causa dei suoi gruppi funzionali, che sono essenzialmente ioni fissi che sono permanentemente legati nella matrice polimerica della resina. Questi ioni carichi si legano facilmente con ioni di carica opposta, che vengono forniti attraverso l’applicazione di una soluzione di controioni. Questi controioni continueranno a legarsi con i gruppi funzionali fino al raggiungimento dell’equilibrio.

Durante un ciclo IX, la soluzione da trattare viene aggiunta al letto di resina IX e lasciata fluire attraverso le perline. Mentre la soluzione si muove attraverso la resina IX, i gruppi funzionali della resina attirano eventuali controioni presenti nella soluzione. Se i gruppi funzionali hanno una maggiore affinità per i nuovi controioni rispetto a quelli già presenti, allora gli ioni in soluzione sloggeranno gli ioni esistenti e prenderanno il loro posto, legandosi ai gruppi funzionali attraverso un’attrazione elettrostatica condivisa. In generale, maggiore è la dimensione e/o la valenza di uno ione, maggiore sarà la sua affinità con gli ioni di carica opposta.

Applichiamo questi concetti a un tipico sistema di addolcimento dell’acqua IX. In questo esempio, il meccanismo di addolcimento consiste in una resina a scambio cationico in cui i gruppi funzionali dell’anione solfonato (SO3-) sono fissati alla matrice della resina IX. Una soluzione di controione contenente cationi di sodio (Na+) viene poi applicata alla resina. I Na+ sono trattenuti dagli anioni SO3- fissati per attrazione elettrostatica, dando luogo a una carica neutra netta nella resina. Durante un ciclo attivo IX, un flusso contenente ioni di durezza (Ca2+ o Mg2+) viene aggiunto alla resina a scambio cationico. Poiché i gruppi funzionali SO3- hanno una maggiore affinità per i cationi di durezza rispetto agli ioni Na+, gli ioni di durezza spostano gli ioni Na+, che poi escono dall’unità IX come parte del flusso trattato. Gli ioni di durezza (Ca2+ o Mg2+), invece, vengono trattenuti dalla resina IX.

Cos’è la rigenerazione della resina?

Con il tempo, gli ioni contaminanti si legano a tutti i siti di scambio disponibili nella resina IX. Una volta che la resina è esaurita, deve essere ripristinata per un ulteriore utilizzo attraverso quello che è noto come un ciclo di rigenerazione. Durante un ciclo di rigenerazione, la reazione IX viene essenzialmente invertita attraverso l’applicazione di una soluzione rigenerante concentrata. A seconda del tipo di resina e dell’applicazione, il rigenerante può essere una soluzione salina, acida o caustica. Mentre il ciclo di rigenerazione procede, la resina IX rilascia ioni contaminanti, scambiandoli con gli ioni presenti nella soluzione rigenerante. Gli ioni contaminanti escono dal sistema IX come parte del flusso di effluente rigenerante e devono essere scaricati correttamente. Nella maggior parte dei casi, la resina viene risciacquata per rimuovere qualsiasi residuo di rigenerante prima del successivo ciclo IX attivo.

Come SAMCO può aiutare

SAMCO ha oltre 40 anni di esperienza nell’identificazione di tecnologie appropriate per le resine IX per aiutare a ridurre i costi e i volumi di scarto, aumentando al contempo la qualità del prodotto. Per ulteriori informazioni o per entrare in contatto, contattateci qui per impostare una consultazione con un ingegnere o richiedere un preventivo. Possiamo guidarvi attraverso i passi per sviluppare la soluzione adeguata e il costo realistico per il vostro sistema di trattamento IX needs.

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