Lo scambio ionico è un'operazione unitaria in cui si manifesta il trasferimento di ioni tra due elettroliti oppure tra un elettrolita e un complesso.
Spesso il termine è utilizzato per denotare il processo di purificazione, separazione e decontaminazione di soluzioni acquose (o altre soluzioni contenenti ioni) ad opera di solidi polimerici o "scambiatori di ioni" di origine minerale.
Gli scambiatori ionici si distinguono in cationici, anionici, e anfoteri, a seconda che scambino rispettivamente ioni caricati positivamente, ioni caricati negativamente, o entrambi. Gli scambiatori anfoteri sono poco utilizzati, in quanto si ottiene una maggiore efficienza rispetto alle resine anfotere in letti misti dove siano presenti scambiatori anionici e cationici contemporaneamente, oppure in un trattamento in due stadi attraverso un letto di scambiatori anionici seguito da un letto di scambiatori cationici (o viceversa).
Tipici gruppi che possono legarsi agli scambiatori ionici sono:
Lo scambio ionico è un processo reversibile, e lo scambiatore ionico può essere "rigenerato", ovvero "caricato" di ioni tramite lavaggio con soluzioni contenenti gli ioni stessi.
Lo scambio ionico trova applicazione in svariati campi, tra i quali: alimentare, idrometallurgico, petrolchimico, farmaceutico, nucleare, e nella produzione dei semiconduttori.
Il meccanismo dello scambio ionico viene anche sfruttato in ambito domestico per addolcire l'acqua. In questo caso si scambiano ioni calcio (Ca2+) e ioni magnesio (Mg2+) con ioni idrogeno (H+) e ioni sodio (Na+).
Il processo di scambio ionico è anche utilizzato nella separazione e purificazione dei metalli, ad esempio per separare l'uranio dal plutonio e altri attinidi (incluso il torio) e per separare fra loro lantanidi (quali lantanio, neodimio, itterbio, samario e lutezio). Gli elementi delle terre rare (lantanidi e attinidi) presentano proprietà chimico-fisiche simili tra loro, per cui la loro separazione è difficoltosa, e lo scambio ionico è essenzialmente il metodo utilizzato per separarli in grandi quantità.
Un caso notevole è il processo PUREX, con il quale vengono estratti l'uranio e il plutonio dal combustibile spento dei reattori nucleari, in modo da agevolare lo smaltimento delle scorie radioattive. L'uranio e il plutonio estratti sono quindi resi disponibile per un successivo utilizzo come combustibile per reattori nucleari o nella costruzione di armi nucleari.
Utilizzando il processo di scambio ionico vengono anche separati altri elementi chimici con proprietà chimico-fisiche simili, ad esempio viene effettuata la separazione dello zirconio dall'afnio. Questa separazione è anch'essa sfruttata nel campo dell'industria nucleare: l'afnio infatti assorbe molto bene i neutroni liberi, per cui viene utilizzato nella costruzione delle barre di controllo, mentre lo zirconio è pressoché trasparente agli stessi.
(EN) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering, 6ª ed., Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 839-845, ISBN0-07-060082-1.