Applicazioni

Due sono le tecniche impiegate per il trattamento pratico dello scambio ionico in laboratorio: il metodo batch, e il metodo su colonna.

Metodo batch

Il processo batch mediante scambio ionico è vantaggioso quando le reazioni devono essere eseguite in un sistema chiuso ed è tecnicamente impossibile l'afflusso di nuove sostanze attraverso la resina, ad esempio per scopi di catalisi. In questa tecnica, la resina a scambio ionico e la soluzione vengono miscelatein un vaso batch, lo scambio viene lasciato proseguire fino all'equilibrio, quindi la resina viene filtrata dalla soluzione, lavata e rigenerata in uno speciale sistema.

Metodo su colonna

Sia durante l’analisi che il processo, il passaggio di una soluzione attraverso una colonna contenente un letto di resina a scambio ionico è analogo al trattamento della soluzione in una serie infinita di vasi batch. Per questo, la separazione è equivalente a quella ottenuta in un processo in batch. }Il riempimento della colonna è agevole e richiede solo pochi passaggi pratici. Innanzitutto, la resina a scambio ionico viene mescolata con acqua distillata in un becher. In generale, sono sufficienti due ore per il rigonfiamento. Successivamente, la resina a scambio ionico viene messa in sospensionenella colonna finché quest’ultima non mostra un riempimento uniforme. A questo proposito, la resina a scambio ionico deve essere completamente coperta da uno strato acquoso per evitare la formazione di bolle d'aria, e l'acqua in eccesso deve essere continuamente rimossa. Un tampone di cotone viene posto sulla parte superiore della colonna e quest’ultima viene lavata più volte con acqua distillata.

Fasi dei cicli di lavorazione per lo scambio ionico

• Scambio ionico
• Lavaggio del riempimento della colonna a scambio ionico
• Eluizione di rigenerazione o separata

Per rimuovere la soluzione di alimentazione in eccesso sono necessari vari passaggi di lavaggio. La rigenerazione porta la resina a scambio ionico alla forma ionica precedente. Ciò significa che la resina viene liberata dagli ioni appena scambiati e miscelata con una soluzione di ioni per sostituirli. In alternativa, è anche possibile eluire e raccogliere lo ione scambiato.

Campi di applicazione

• Resine a scambio ionico chelanti per arricchimento di tracce di ioni metallici
• Determinazione del contenuto totale di sale di soluzioni e acqua mediante scambio di ioni idrogeno
• Rimozione di cationi interferenti o di anioni
• Separazione cromatografica
• Disintegrazione di composti difficili da sciogliere
• Resine a scambio ionico come catalizzatori

Resine a scambio ionico chelanti per arricchimento di tracce di ioni metallici

Soprattutto nel campo dell’analisi delle tracce inorganiche, è possibile concentrare le tracce di ioni metallici partendo da soluzioni fortemente diluite. Chelex® -100 è una resina a scambio ionico chelante basata su un copolimero stirene-divinilbenzene contenente gruppi acido imminodiacetico. La resina a scambio ionico tende a chelare i cationi divalenti e polivalenti. La sua capacità di legare gli ioni metallici è governata dal valore di pH. I risultati sono ottimali nell’intervallo di pH da 4 a 7. Dopo aver concentrato gli ioni metallici sulla resina a scambio ionico, questi vengono eluiti dalla resina con acido nitrico al 5%, che protona i gruppi imminodiacetato. Per questo tipo di cromatografia di chelazione ionica è raccomandata la tecnica su colonna.

Determinazione del contenuto totale di sale di soluzioni e acqua mediante scambio di ioni idrogeno

Per la determinazione del contenuto totale di sale, la soluzione salina viene applicata su una resina a scambio cationico fortemente acida e si titola l'acido generato nell'eluato. Il prerequisito è che i cationi siano scambiati quantitativamente con ioni H+, e che l'acido generato possa essere titolato dal punto di vista alcalimetrico. Questa tecnica può essere applicata a tutte le soluzioni contenenti ioni cloruro, bromuro, ioduro, nitrato, perclorato, solfato, fosfato, bromato, iodato, periodato, borato, acetato, od ossalato.

Rimozione di cationi interferenti o di anioni

Occasionalmente, la presenza di cationi interferisce con la determinazione degli anioni. Questi cationi possono essere rimossi mediante una resina a scambio cationico fortemente acida. Successivamente, si possono determinare gli anioni nell'eluato.

Determinazione quantitativa del solfato in acqua conforme a DIN

I cationi vengono scambiati con ioni H+ con una resina a scambio cationico fortemente acida. Si aggiunge in eccesso una soluzione di cloruro di bario standard perché reagisca con il solfato, e la quantità di cloruro di bario non consumata viene retrotitolata in modo complessometrico. Questo test può essere utilizzato per la determinazione del solfato in acqua potabile, acque di scarico e acque superficiali, con concentrazioni >5 mg solfato/l. I campioni con concentrazione di solfato inferiore devono essere fatte evaporare.

Determinazione quantitativa del nitrato in acqua, conforme a DIN

La determinazione colorimetrica del nitrato con il metodo tedesco del salicilato di sodio è disturbata dal ferro. In questo caso, l'utilizzo di una resina a scambio cationico fortemente acida rimuove il catione prima dell'analisi.

Determinazione fotometrica dei fluoruri in acqua potabile utilizzando lantanio-alizarina-complessone, dopo separazione mediante scambio ionico degli ioni interferenti

Gli ioni fluoruro tendono a formare complessi stabili. Per questa ragione, i cationi devono essere rimossi in acqua di rubinetto prima dell'analisi. Secondo una tecnica di KEMPF, gli ioni interferenti vengono scambiati con una resina a scambio cationico fortemente acida. Successivamente, i fluoruri vengono mescolati con il reagente, e si determina fotometricamente il "complesso fluoro-blu di alizarina" generato.

Separazioni cromatografiche

Le resine a scambio ionico permettono di separare cromatograficamente i cationi o gli anioni disciolti. Il principio di separazione è determinato dall’affinità degli ioni alla resina a scambio ionico. Questa selettività dipende dal tipo di carica, dalla carica, dalle dimensioni, e dalla forma degli ioni da scambiare. L’eluizione ha luogo grazie a un gradiente progressivo di eluenti acidi o basici. Molto spesso, per migliorare l'efficienza di separazione, si utilizzano come eluenti agenti complessanti, quali acido etilendiamminotetracetico (Titriplex III), acido tartarico o acido citrico.

Resine a scambio ionico per la disintegrazione dei sali difficili da sciogliere

Le sospensioni acquose dei sali difficilmente solubili possono essere sciolte mediante resine a scambio ionico solide in modalità batch, purché il prodotto di solubilità dei sali non sia troppo basso. Data la velocità di reazione maggiore, sono particolarmente idonee per questo scopo le resine a scambio cationico fornite di ioni H⁺ Durante il processo di scambio ionico, vengono generati costantemente protoni, aumentando così la solubilità. Questa tecnica è applicabile per lo scioglimento dei fosfati di calcio, stronzio, bario, manganese, zinco, cobalto e nichel, nonché dei solfati di calcio, stronzio, bario e piombo a temperature elevate.

Resine a scambio ionico come catalizzatori acidi/basici

È noto che gli acidi o le basi sono utilizzati come catalizzatori per molte reazioni organiche, come ad esempio esterificazioni, idrolisi, condensazioni, polimerizzazioni, disidratazioni, ciclizzazioni, e trasposizioni. Le resine fortemente acide fornite come ioni H⁺ sono spesso utilizzate come catalizzatori acidi forti, al posto degli acidi solubili. Esse mostrano attività catalitica simile all'acido solforico nelle esterificazioni, epossidazioni, idrolisi, alchilazioni del fenolo e altre reazioni catalizzate acide. Le resine a scambio cationico debolmente acide non sono applicabili ai fini catalitici perché il sito ionico funzionale non è fortemente dissociato. Per le reazioni catalizzate basiche, si possono applicare resine a scambio anionico fortemente basiche e mediamente basiche fornite come ioni OH-.

Vantaggi delle resine a scambio ionico rispetto ai catalizzatori disciolti nella fase di reazione omogenea

• }Facile separazione del catalizzatore dalla miscela di reazione mediante semplice filtrazione dal prodotto/miscela di reazione. I catalizzatori per resine utilizzati nella modalità su colonna, facilitano l’adozione di un processo più continuativo.
• Molto spesso, i catalizzatori per resine possono essere riutilizzati direttamente più volte senza rigenerazione.
• Le resine a scambio ionico utilizzate come catalizzatori consentono spesso una maggiore selettività della direzione di reazione. Le reazioni secondarie sono talvolta ridotte o eliminate. In alcuni casi, si possono isolare intermedi di reazione non ottenibili con i catalizzatori solubili.
• In generale, i catalizzatori per resine prevengono la contaminazione del prodotto di reazione con ioni contaminanti. Inoltre, prevengono le reazioni secondarie interferenti consentendo ai prodotti di reazione di mostrare una purezza unica. Essi aumentano la resa rispetto alla reazione con catalizzatori solubili in fase omogenea.
• Le resine a scambio ionico sono più facili da maneggiare rispetto alla loro controparte solubile.
• Anche la contaminazione delle acque di scarico viene drasticamente ridotta.

Principali reazioni catalizzate con resina a scambio ionico

• Esterificazioni
• Condensazioni
• Condensazioni aldoliche
• Oligomerizzazione
• Sintesi di cianidrina
• Nitrazione
• Inversione degli zuccheri
• Idrolisi
• Idratazioni
• Polimerizzazioni
• Alchilazioni
• Formazione di acetati
• Epossidazioni
• Reazioni di trasposizione

Gamma di prodotti

• Resina a scambio ionico I
• Resina a scambio ionico II
• Resina a scambio ionico III
• Resina a scambio ionico IV
• Resina a scambio ionico V
• Resina a scambio ionico Amberjet® 4200
• Resina a scambio ionico Amberlite® IR-120 (gruppo H+)
• Resina a scambio ionico Amberlite® IR-120 (gruppo Na+)
• Resina a scambio ionico Amberlite® IRA-67
• Resina a scambio ionico Amberlite® IRA-402
• Resina a scambio ionico Amberlite® IRA-410
• Resina a scambio ionico Amberlite® IRN-150
• Resina a scambio ionico Amberlite® MB-3
• Resina a scambio ionico Amberlite® MB-6113
• Resina a scambio ionico Amberlyst® 15
• Resina a scambio ionico Dowex® 50 WX 4
• Resina a scambio ionico Dowex® 50W-X8
• Resina a scambio ionico Dowex® 1-X8
• Resina assorbente Amberlite® XAD-4