Le resine a scambio ionico

Lo scambio ionico è un processo reversibile che avviene tra una soluzione e una sostanza scambiatrice, generalmente una resina sintetica. Le resine sono polimeri insolubili di forma sferica, con diametri generalmente compresi tra 0,5 e 1 mm, che hanno la capacità di scambiare ioni con la soluzione che le attraversa. Se si indica con R la resina e con “a” e “b” i due ioni che intervengono nel processo di scambio ionico, allora lo stesso può sinteticamente rappresentarsi con la seguente reazione:

Ra + b ⇔ Rb + a

La doppia freccia indica che la reazione è reversibile, e l’equilibrio chimico sarà spostato a destra o a sinistra a seconda delle concentrazioni delle specie ioniche che intervengono nello scambio.

Catalogazione delle resine

Le resine di scambio ionico, impiegate per il trattamento dell’acqua, possono essere ti tipo cationico o anionico a seconda del tipo di ioni che vengono scambiati tra l’acqua e le resine stesse. Entrambi i tipi poi possono avere le varianti denominate “forti” e “deboli”.

Resine cationiche, anioniche, forti o deboli

Le resine forti sono operative in tutto l’intervallo di pH, mentre quelle deboli sono in grado di scambiare solo in un range ristretto: le cationiche deboli lavorano in campo neutro o basico, mentre le anioniche deboli in campo neutro o acido. Lo scambio tra la resina e la soluzione è condizionato dall’equilibrio chimico, ovvero dalle concentrazioni ioniche: quando la concentrazione di un determinato ione sulla resina è inferiore rispetto alla soluzione lo ione migrerà sulla resina, se no avverrà il contrario. Molto importanti sono anche le dimensioni dello ione e la sua carica elettrica, quelli più grossi e con maggiore valenza presentano più affinità e vengono scambiati più facilmente. Vediamo di seguito alcuni tra i più comuni ioni presenti nell’acqua ordinati per affinità decrescente: principali cationi:

Fe²⁺ > Ni²⁺ > Ca²⁺ > Cu²⁺ > Zn²⁺ > Mg²⁺ > Ag²⁺ > K⁺ > Na+ > H⁺

principali anioni:

SO₄^2- > CrO₄^2- > HSO₄^- > NO₃^- > Br^- > Cl^- > HCO₃^- > F^-

 Non esiste una resina assolutamente selettiva, la diversa affinità nei confronti dei vari ioni implica necessariamente la rimozione non soltanto di uno ione specifico, ma anche degli altri presenti nella soluzione con lo stesso segno, seppur in percentuali differenti.

Funzionamento delle resine

Le resine a scambio ionico sono contenute in una colonna dove avvengono le operazioni di scambio, sopra la quale viene installata una valvola preposta al controllo automatico delle fasi di lavaggio e rigenerazione. La rigenerazione può essere a tempo (grazie ad un temporizzatore le fasi vengono programmate in determinati giorni e orari), oppure a volume (il processo si attiva solo dopo il passaggio, attraverso la valvola munita di un contalitri, di un determinato flusso d’acqua stabilito a priori). 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. 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.

Dimensionamento di un impianto a resine

Il dimensionamento di un impianto a resine, ovvero la capacità di lavoro in termini di acqua trattabile, può essere stabilito con la seguente relazione:

Vat = (Cs × Vr)/D

dove:

Vat = volume di acqua trattabile; C_S = capacità di scambio (una caratteristica intrinseca della resina); V_r = volume della resina; D = concentrazione degli ioni da rimuovere (es. durezza dell’acqua nel caso di un addolcitore).

Affinché il processo di scambio avvenga con successo occorre garantire un tempo di contatto sufficiente tra acqua e resine, un parametro che può essere stabilito dalla velocità di passaggio, ovvero dal rapporto tra la portata d’acqua da trattare (m³/h) e la sezione della colonna di resina (m²), che dovrebbe essere compreso tra i 10 i 20 m/h. Anche la forma del letto di resine è importante, esso dovrebbe avere un’altezza non inferiore ai 60-75 cm, proprio per garantire un certo tempo di contatto, senza eccedere (non oltre i 2 metri) per non aumentare troppo le perdite di carico.

Utilizzi delle resine a scambio ionico

Addolcimento delle acque

Tra i principali usi delle resine a scambio ionico c’è l’addolcimento delle acque, che avviene attraverso lo scambio di ioni calcio e magnesio con il sodio, che in soluzione da origine a sali non incrostanti. Le resine utilizzate negli addolcitori d’acqua sono cationiche forti, rigenerabili attraverso lavaggi con soluzioni di acqua e cloruro di sodio.

Demineralizzazione

Esistono molti altri impieghi per le resine, come la demineralizzazione, che avviene attraverso un doppio passaggio: l’acqua viene prima trattata con resine cationiche per la rimozione degli ioni positivi, quindi con resine anioniche per la rimozione di quelli negativi, il risultato è un’acqua demineralizzata. Queste diverse resine sono contenute in bombole separate e per ognuna di esse è prevista una rigenerazione differente: per le resine cationiche acido cloridrico e per quelle anioniche soda caustica. Se si vuole ottenere un grado di purezza elevatissimo è possibile trattare ulteriormente l’acqua demineralizzata con una resina a letto misto, costituita da un mix di entrambe le tipologie di resine.

Rimozione dei nitrati

La rimozione dei nitrati può avvenire utilizzando resine anioniche forti, rigenerabili con soluzioni di cloruro di sodio. La rigenerazione delle resine fa parte della manutenzione ordinaria dell’impianto, tuttavia con il tempo si può avere una perdita di efficienza dell’apparecchiatura tale da richiedere l’intervento straordinario da parte del tecnico. I motivi per i quali un dispositivo a resine lavora male possono essere svariati:

• l’usura meccanica (polverizzazione e conseguente perdita di una parte della resina nell’ordine del 4-5% all’anno);
• l’avvelenamento chimico (dovuto al cloro libero che ossida o alla presenza di alcuni ioni, come il ferro, che sono molto affini e si legano alla resina in modo irreversibile);
• la mancanza di un’adeguata prefiltrazione, che può causare lo sporcamento delle resine a scambio ionico (ad es. l’impacchettamento, che costringe l’acqua a seguire vie preferenziali impedendone il corretto trattamento).

Va infine ricordato che la presenza di materia organica di cui sono costituite le resine può favorire la proliferazione batterica, pertanto nei casi in cui l’acqua così trattata venga utilizzata per il consumo umano si raccomanda l’installazione di un sistema di disinfezione, classicamente una lampada UV a valle dell’impianto o un sistema a ultrafiltrazione al punto d'uso. [ratingwidget] Scopri i prodotti con ultrafiltrazione Culligan >>