Applicazione delle resine a scambio ionico nei sistemi di trattamento delle acque

1. Definizione di ione Resina di scambio

Le resine a scambio ionico sono composti polimerici insolubili caratterizzati da gruppi funzionali e una struttura reticolare, che si presentano tipicamente come sfere. Il nome completo di una resina a scambio ionico è composto dal nome della classificazione, dal nome della matrice (scheletro) e dal nome della base. Attualmente, le resine a scambio ionico sono ampiamente utilizzate in numerosi settori, tra cui il trattamento delle acque, l'industria chimica, la metallurgia, l'industria alimentare, la concia e la produzione farmaceutica ultrapura.

2. Classificazione delle resine a scambio ionico in base alla qualità dell'acqua

Le resine a scambio ionico possono essere classificate in base al tipo di matrice in resine a base di stirene e resine a base acrilica. Il tipo di gruppi funzionali chimicamente attivi sulla resina ne determina le proprietà primarie e la categoria. Principalmente, si dividono in due gruppi principali: resine a scambio cationico e resine a scambio anionico, che possono scambiare rispettivamente cationi e anioni in soluzione. Le resine cationiche sono ulteriormente suddivise in cationi acidi forti (SAC) e cationi acidi deboli (WAC). Analogamente, le resine anioniche sono suddivise in anioni basici forti (SBA) e anioni basici deboli (WBA).

3. Applicazione delle resine a scambio ionico nel settore del trattamento delle acque

Il settore del trattamento delle acque è uno dei primi campi di applicazione delle resine a scambio ionico e ne rappresenta una domanda significativa, rappresentando circa il 90% della produzione totale. Nella purificazione dell'acqua, queste resine vengono utilizzate per l'addolcimento, la desalinizzazione e la produzione di acqua addolcita, pura e ultrapura. Nel trattamento delle acque reflue, vengono utilizzate principalmente per ridurre la concentrazione di ioni di metalli pesanti attraverso una reazione di scambio tra gli ioni scambiabili della resina e gli ioni di metalli pesanti presenti nelle acque reflue, ottenendo così una purificazione avanzata.

3.1 Applicazione delle resine a scambio ionico nell'addolcimento dell'acqua

a. Composizione e funzione dei filtri addolcitori:

Gli addolcitori d'acqua completamente automatici sono costituiti principalmente da tre componenti chiave: il serbatoio della resina, la valvola di controllo multiporta automatica e il serbatoio della salamoia. Il serbatoio della resina è riempito con resina a scambio ionico responsabile dell'assorbimento degli ioni di calcio (Ca²⁺) e magnesio (Mg²⁺) dall'acqua. La valvola di controllo multiporta funge da controller per l'apparecchiatura di addolcimento, gestendo i cicli automatici di funzionamento, rigenerazione, risciacquo, controlavaggio e riempimento del serbatoio della salamoia. Il serbatoio della salamoia immagazzina il sale (NaCl) utilizzato durante il processo di rigenerazione delle resine.

b. Principio di funzionamento delle resine addolcenti:

Le resine addolcitrici rimuovono principalmente gli ioni di durezza dall'acqua tramite scambio ionico. Questi ioni di durezza, principalmente calcio (Ca²⁺) e magnesio (Mg²⁺), sono i principali responsabili della durezza dell'acqua. La resina addolcitrice contiene abbondanti ioni di sodio (Na⁺). Quando l'acqua attraversa il letto di resina, gli ioni di sodio presenti sulla resina si scambiano con gli ioni di calcio e magnesio presenti nell'acqua, rimuovendo così gli ioni di durezza.

c. Applicazioni dei filtri addolcitori:

Le applicazioni includono l'acqua di alimentazione delle caldaie, l'acqua di reintegro per i sistemi di condizionamento dell'aria, gli scambiatori di calore, la fabbricazione della carta, la stampa e la tintura, i tessili, l'acqua per i processi petrolchimici, i prodotti biofarmaceutici, l'elettronica, il pretrattamento per i sistemi di acqua pura e i sistemi industriali a scarico zero di liquidi (ZLD).

3.2 Applicazione delle resine a scambio ionico nella produzione di acqua pura e ultrapura

a. Definizione di vasi di scambio cationico/anionico (CAB):

I recipienti a scambio cationico/anionico, noti anche come scambiatori ionici o demineralizzatori, sono apparecchiature per il trattamento dell'acqua che sfruttano la capacità di scambio ionico delle resine per rimuovere gli ioni dall'acqua. Il loro funzionamento si basa sulla caratteristica di scambio ionico delle resine, in cui gli ioni presenti sulla resina vengono scambiati con i corrispondenti ioni presenti nell'acqua, ottenendo la rimozione degli ioni.

b. Principio di funzionamento dei recipienti per lo scambio cationico/anionico:

Un tipico sistema di demineralizzazione a due letti è costituito da un recipiente a scambio cationico (scambiatore cationico acido) e un recipiente a scambio anionico (scambiatore anionico basico) collegati in serie. L'acqua grezza passa prima attraverso l'unità cationica. Qui, la resina a scambio cationico adsorbe le impurità cationiche dall'acqua, rilasciando simultaneamente ioni idrogeno (H⁺) nell'acqua, rendendola acida. Successivamente, l'acqua passa attraverso un decarbonatore (o degassificatore) per rimuovere l'anidride carbonica (CO₂) liberata sotto forma di gas, garantendo uno scambio efficiente nell'unità anionica in condizioni acide. Infine, l'acqua passa attraverso l'unità anionica, dove la resina a scambio anionico rimuove le impurità anioniche.

c. Aree di applicazione dei recipienti per lo scambio cationico/anionico:

In settori come quello chimico, energetico e metallurgico, sono comunemente utilizzati per addolcire l'acqua di alimentazione delle caldaie, prevenendo la formazione di calcare e problemi di corrosione. Nell'irrigazione agricola, l'utilizzo di acqua trattata con questi sistemi può contribuire a ridurre la salinizzazione del suolo. Svolgono inoltre un ruolo significativo nelle fasi di pretrattamento per la desalinizzazione dell'acqua di mare, fornendo condizioni favorevoli per i successivi processi di trattamento avanzato.

3.3 Applicazione di letti misti lucidati nella produzione di acqua pura e ultrapura

a. Definizione di letti misti lucidati:

La resina lucidante viene solitamente utilizzata nella fase finale (fase di lucidatura) dei sistemi di trattamento delle acque ultrapure per garantire che la qualità dell'effluente soddisfi gli standard richiesti, spesso raggiungendo una resistività di 18 MΩ·cm o superiore. Si tratta di un tipo di resina a scambio ionico, in particolare una miscela di resina a scambio cationico acido forte nella forma di idrogeno (H⁺) e resina a scambio anionico basico forte nella forma di idrossido (OH⁻).

b. Principio di funzionamento delle resine lucidanti:

Un letto misto lucidato contiene resine a scambio ionico e cationico accuratamente miscelate all'interno dello stesso contenitore. In questo letto misto, le resine cationiche e anioniche sono intimamente miscelate, consentendo alle reazioni di scambio cationico e anionico di procedere quasi simultaneamente. Gli ioni idrogeno (H⁺) prodotti dallo scambio cationico di tipo H e gli ioni idrossido (OH⁻) prodotti dallo scambio anionico di tipo OH non possono accumularsi e si combinano immediatamente per formare molecole d'acqua debolmente dissociate. Questo elimina essenzialmente l'effetto dei contro-ioni, consentendo alla reazione di scambio ionico di procedere in modo molto accurato, con conseguente effluente ad elevata purezza. Quando gli ioni all'interno della resina lucidante si esauriscono, la resina viene rigenerata utilizzando soluzioni acide e alcaline per ripristinare efficacemente gli ioni idrogeno e idrossido, rinnovando la capacità di lavoro della resina.

c. Aree di applicazione:

Industria elettronica: produzione di acqua ad alta purezza necessaria per semiconduttori e altri componenti elettronici.

Centrali elettriche: ampio utilizzo nei sistemi di trattamento dell'acqua pura per centrali termoelettriche.

Chimica sintetica e industria petrolchimica: le resine a scambio ionico possono agire come catalizzatori, sostituendo acidi e basi inorganici in reazioni quali esterificazione, idrolisi e idratazione.

Industria farmaceutica: le resine a scambio ionico svolgono un ruolo importante nello sviluppo di antibiotici di nuova generazione e nel miglioramento della qualità degli antibiotici esistenti.