Una resina a scambio ionico è una resina o un polimero che agisce come mezzo per lo scambio di ioni . È una struttura di supporto, o matrice, che il più delle volte si presenta sotto forma di microsfere insolubili da 0,25 a 0,5 mm di diametro, di colore da bianco a giallo pallido, prodotte da composti organici polimerizzati. Queste microsfere sono generalmente porose , quindi un'elevata area superficiale specifica , distribuita sia sulla superficie che all'interno di ciascuna microsfere. Esistono diversi tipi di resine a scambio ionico, con la maggior parte delle resine commerciali a base di poli (stirene solfonato) ( PSS ).
Le resine a scambio ionico sono utilizzate in diversi processi di separazione , purificazione e decontaminazione . L' addolcimento dell'acqua e la purificazione dell'acqua sono gli usi più noti di tali esempi di resine. In molti casi, questi processi utilizzano queste resine come alternative più flessibili alle zeoliti naturali o sintetiche.
Le resine a scambio ionico più comuni sono a base di polistirene reticolato . I siti di scambio ionico si formano dopo la polimerizzazione . Inoltre, nel caso del polistirene, la reticolazione avviene per copolimerizzazione dello stirene con una piccola percentuale di divinilbenzene . La reticolazione ha l'effetto di ridurre sia la capacità che la velocità di scambio ionico ma ne aumenta la resistenza meccanica . La dimensione delle perle influenza anche i parametri delle resine: più piccole sono queste perle, maggiore è la loro superficie esterna; perline troppo piccole possono tuttavia aumentare significativamente la perdita di carico nella colonna di processo.
Oltre alle microsfere, le resine a scambio ionico possono essere prodotte anche sotto forma di membrane. Queste membrane a scambio ionico (en) possono essere attraversate da ioni ma non dall'acqua, utile ad esempio per l' elettrodialisi .
Esistono quattro tipi di resine a scambio ionico, distinte per i gruppi funzionali che portano:
Esistono anche resine a scambio ionico specializzate, come le resine chelanti a base di acido imminodiacetico o tiourea .
La maggior parte delle resine a scambio ionico sono resine anioniche o resine cationiche . I primi si legano a ioni con carica negativa mentre i secondi si legano a ioni con carica positiva.
Le resine anioniche possono essere forti o debolmente basiche . Le resine anioniche fortemente basiche mantengono la loro carica negativa in un ampio intervallo di pH mentre le resine anioniche debolmente basiche vengono neutralizzate a pH elevato (fortemente basico) perché lì vengono deprotonate . Tuttavia, mostrano un'ottima stabilità meccanica e chimica, nonché un elevato tasso di scambio ionico, che li rende adatti ai sali organici. La rigenerazione delle resine anioniche prevede generalmente una soluzione fortemente basica, ad esempio una soluzione di idrossido di sodio . Il rigenerante circola attraverso la resina e rimuove gli anioni ad essa legati, ripristinando la sua capacità di scambio ionico.
L' addolcimento dell'acqua mediante resine scambiatrici di cationi che sostituiscono i cationi di magnesio Mg 2+ e calcio Ca 2+ con il catione sodio Na + . Questi ultimi occupano inizialmente i siti attivi della resina e vengono spostati dai cationi Mg 2+ e Ca 2+ della soluzione acquosa , che si legano alla resina liberando i cationi Na + . È possibile rigenerare la resina pulendola con una soluzione ricca di cationi Na + , che poi spostano i cationi Mg 2+ e Ca 2+ che ha fissato; può essere una soluzione concentrata di cloruro di sodio .
La depurazione dell'acqua coinvolge élminer cationi tossici o nocivi come quelli del rame Cu 2+ , del piombo Pb 2+ o del cadmio Cd 2+ per sostituirli con cationi naturalmente presenti nell'acqua come quelli del sodio Na + o del potassio + . Il cloro o i contaminanti organici vengono generalmente rimossi utilizzando un filtro a carbone attivo miscelato alla resina piuttosto che una singola resina, quest'ultima generalmente abbastanza efficace in questo uso - le resine a scambio ionico magnetico ( MIEX ) sono comunque in grado di rimuovere la materia organica naturale. Le resine per la depurazione delle acque domestiche di solito non vengono rigenerate: vengono gettate via dopo l'uso.
L'acqua pura è necessario per l' industria dei semiconduttori nel settore nucleare e la ricerca scientifica , tra gli altri. Si ottiene utilizzando processi di scambio ionico o combinando membrane e trattamenti di scambio ionico.
I processi di separazione a scambio ionico permettono di separare e purificare metalli, ad esempio l' uranio dal plutonio e altri attinidi come il torio o diversi lantanidi , come il lantanio , il neodimio , l' itterbio , il samario o il lutezio , e altre terre rare come lo scandio e ittrio . I lantanidi e gli attinidi formano famiglie di elementi con proprietà fisiche e chimiche molto simili che li rendono difficili da separare, i processi a scambio ionico sono stati per molti anni gli unici in grado di raggiungere questo obiettivo industrialmente prima di essere soppiantati dai processi di estrazione liquido-liquido ; il metodo PUREX è stato sviluppato specificamente da un'estrazione liquido-liquido per il ritrattamento nucleare per separare il plutonio, l'uranio e alcuni attinidi minori dei prodotti di fissione .
Le microsfere a scambio ionico sono anche una parte essenziale dell'estrazione dell'uranio mediante lisciviazione in situ . Il recupero in situ prevede l'estrazione per perforazione di acqua di uranio con un contenuto di ottaossido di triuranio U 3 O 8non può superare lo 0,03%. La soluzione di uranio estratta viene poi filtrata attraverso microsfere di resina che, attraverso il processo di scambio ionico, trattengono l'uranio nella soluzione. Queste microsfere cariche di uranio vengono poi trasportate in un impianto di lavorazione, dove l'U 3 O 8viene separato per produrre yellowcake , prima di essere riutilizzato dopo la rigenerazione per riprendere l'estrazione dell'uranio. Altri elementi possono essere estratti da soluzioni di uranio, in particolare terre rare.
I processi di scambio ionico separano anche altri elementi chimici con proprietà simili, come zirconio e afnio , che si rivelano utili anche per l' industria nucleare . Lo zirconio ha una sezione d'urto particolarmente bassa per l'assorbimento dei neutroni , sia termici che veloci , il che rende interessanti diverse formulazioni di zirconio per il condizionamento del combustibile nucleare , mentre è invece piuttosto elevata la sezione d' urto dell'afnio , che, associato a buone proprietà in un ambiente radioattivo , lo rende interessante per le barre di controllo .
Resine a scambio ionico sono utilizzati in sintesi organica, per esempio, per catalizzare esterificazione e idrolisi reazioni . La loro natura insolubile e la loro elevata superficie specifica li rendono utili per reazioni in fase liquida e in fase gassosa. Questa può essere la neutralizzazione di sali di ammonio e la conversione di alogenuri di ammonio quaternario in idrossidi con resine basiche a scambio ionico. Le resine acide possono essere impiegate come calalizzatori acidi solidi per la scissione di gruppi protettivi eterei e per reazioni di riarrangiamento .
Le resine a scambio ionico sono utilizzate nell'industria farmaceutica per catalizzare determinate reazioni e per isolare e purificare i principi attivi dei farmaci . Alcuni principi attivi, come il poli (stirene solfonato) sodico , il colestipolo (en) e la colestiramina . Il sodio poli (stirene solfonato) è una resina fortemente acida usata contro l' iperkaliemia , mentre il colestipolo è una resina debolmente basica usata contro l' ipercolesterolemia , così come la colestiramina, che è una resina fortemente basica; queste due resine sono leganti degli acidi biliari .
Le resine a scambio ionico possono essere utilizzate anche come eccipienti in alcune formulazioni per compresse , capsule , paste e sospensioni , dove possono migliorare il gusto, prolungare il rilascio del farmaco, aumentare la biodisponibilità o addirittura stabilizzare le sostanze attive.
Delle resine chelanti sono stati studiati a supporto dei trattamenti contro alcune condizioni patologiche caratterizzate dall'accumulo cronico di ioni metallici , come la malattia di Wilson ( accumulo di rame (in) ) e l' emocromatosi di tipo 1 ( emosiderosi ereditaria ). Questi polimeri agiscono formando complessi stabili con ioni ferrosi Fe 2+ e ferrici Fe 3+ nell'apparato digerente , il che limita l'assorbimento di questi ioni, e quindi il loro accumulo nell'organismo. Sebbene questo metodo abbia un'efficacia più limitata rispetto a quello dei trattamenti chelanti come deferasirox , deferiprone e deferoxamina , questo approccio ha solo effetti collaterali minori dal punto di vista della sua tossicità cronica . È interessante notare che la chelazione simultanea del ferro ferroso Fe 2+ e del ferro ferrico Fe 3+ aumenta l'efficacia del trattamento.