Wymiana jonów -Ion exchange

Koraliki z żywicy jonowymiennej
Kolumna jonowymienna używana do oczyszczania białek

Wymiana jonowa to odwracalna wymiana jednego rodzaju jonu obecnego w nierozpuszczalnym ciele stałym z innym o podobnym ładunku obecnym w roztworze otaczającym ciało stałe, przy czym reakcja jest stosowana zwłaszcza do zmiękczania lub demineralizacji wody, oczyszczania chemikaliów i oddzielania substancji.

Wymiana jonowa zazwyczaj opisuje proces oczyszczania roztworów wodnych za pomocą stałej polimerowej żywicy jonowymiennej . Dokładniej, termin ten obejmuje wiele różnych procesów, w których jony są wymieniane między dwoma elektrolitami . Oprócz zastosowania do oczyszczania wody pitnej, technika ta jest szeroko stosowana do oczyszczania i oddzielania różnych chemikaliów o znaczeniu przemysłowym i medycznym. Chociaż termin ten zwykle odnosi się do zastosowań żywic syntetycznych (wytworzonych przez człowieka), może obejmować wiele innych materiałów, takich jak gleba.

Typowymi wymieniaczami jonowymi są żywice jonowymienne ( polimer porowaty funkcjonalizowany lub żelowy ), zeolity , montmorylonit , glina i próchnica glebowa . Wymieniacze jonowe to albo wymieniacze kationowe , które wymieniają dodatnio naładowane jony ( kationy ), albo wymieniacze anionowe , które wymieniają jony naładowane ujemnie ( aniony ). Istnieją również wymienniki amfoteryczne , które są w stanie wymieniać jednocześnie zarówno kationy, jak i aniony. Jednak jednoczesna wymiana kationów i anionów często odbywa się w złożach mieszanych , które zawierają mieszaninę żywic anionowymiennych i kationowymiennych, lub przepuszcza się roztwór przez kilka różnych materiałów jonowymiennych.

Wymiennik jonowy. To urządzenie jest wypełnione żywicą jonowymienną.

Wymieniacze jonowe mogą mieć preferencje wiązania dla pewnych jonów lub klas jonów, w zależności od właściwości fizycznych i struktury chemicznej zarówno wymieniacza jonowego, jak i jonu. Może to zależeć od wielkości, ładunku lub struktury jonów. Typowe przykłady jonów, które mogą wiązać się z wymieniaczami jonowymi to:

Wymiana jonowa jest obok absorpcji i adsorpcji formą sorpcji .

Wymiana jonowa jest procesem odwracalnym , a wymieniacz jonowy można zregenerować lub naładować pożądanymi jonami poprzez przemycie nadmiarem tych jonów.

Rodzaje

Wymiana kationów

  1. CM (grupa karboksymetylowa, słaba wymiana kationów)
  2. SP (grupa sulfopropylowa, silna wymiana kationowa)

Wymiana anionów

Aplikacje

Wymiana jonowa jest szeroko stosowana w przemyśle spożywczym i napojów, hydrometalurgii, wykańczaniu metali, technologii chemicznej, petrochemicznej, farmaceutycznej, produkcji cukru i słodzików, uzdatnianiu wody gruntowej i pitnej, nuklearnej, zmiękczaniu, uzdatnianiu wody przemysłowej, półprzewodnikach, energetyce i wiele innych branż.

Typowym przykładem zastosowania jest przygotowanie wody o wysokiej czystości dla przemysłu energetycznego , elektronicznego i jądrowego; tj . polimerowe lub nieorganiczne nierozpuszczalne wymieniacze jonowe są szeroko stosowane do zmiękczania wody , oczyszczania wody, odkażania wody itp.

Wymiana jonowa to metoda szeroko stosowana w filtrach domowych do produkcji miękkiej wody na korzyść detergentów do prania, mydeł i podgrzewaczy wody. Odbywa się to poprzez wymianę kationów dwuwartościowych (takich jak wapń Ca 2+ i magnez Mg 2+ ) z wysoko rozpuszczalnymi kationami jednowartościowymi (np. Na + lub H + ) (patrz zmiękczanie wody ). Innym zastosowaniem wymiany jonowej w uzdatnianiu wody w gospodarstwie domowym jest usuwanie azotanów i naturalnej materii organicznej .

Inną dziedziną, o której należy wspomnieć, jest przemysłowa i analityczna chromatografia jonowymienna . Chromatografia jonowymienna to metoda chromatograficzna szeroko stosowana do analizy chemicznej i rozdzielania jonów. Na przykład w biochemii jest szeroko stosowany do oddzielania naładowanych cząsteczek, takich jak białka . Ważnym obszarem zastosowania jest ekstrakcja i oczyszczanie substancji wytworzonych biologicznie, takich jak białka ( aminokwasy ) oraz DNA / RNA .

Procesy wymiany jonowej służą do oddzielania i oczyszczania metali , w tym do oddzielania uranu od plutonu i innych aktynowców , w tym toru , neptunu i ameryku . Proces ten jest również używany do oddzielania od siebie lantanowców , takich jak lantan , cer , neodym , prazeodym , europ i iterb . Oddzielenie neodymu i prazeodymu było szczególnie trudne, a dawniej uważano, że jest to tylko jeden pierwiastek didymu – ale jest to stop tych dwóch.

Istnieją dwie serie metali ziem rzadkich , lantanowce i aktynowce, których rodziny mają bardzo podobne właściwości chemiczne i fizyczne. Stosując metody opracowane przez Franka Speddinga w latach 40. XX wieku, procesy wymiany jonowej były dawniej jedynym praktycznym sposobem rozdzielenia ich w dużych ilościach, aż do opracowania technik „ekstrakcji rozpuszczalnikowej”, które można było na ogromną skalę zwiększyć.

Bardzo ważnym przypadkiem wymiany jonowej jest proces ekstrakcji plutonu i uranu ( PUREX ), który służy do oddzielania plutonu-239 i uranu od ameryku , kiru , neptunu , radioaktywnych produktów rozszczepienia pochodzących z reaktorów jądrowych . W ten sposób produkty odpadowe można oddzielić do usunięcia. Następnie pluton i uran są dostępne do produkcji materiałów energii jądrowej, takich jak nowe paliwo do reaktorów i broń jądrowa .

Proces wymiany jonowej służy również do oddzielania innych zestawów bardzo podobnych pierwiastków chemicznych, takich jak cyrkon i hafn , co jest również bardzo ważne dla przemysłu jądrowego. Fizycznie cyrkon jest praktycznie przezroczysty dla wolnych neutronów, stosowanych w budowie reaktorów jądrowych, ale hafn jest bardzo silnym absorberem neutronów, stosowanym w prętach sterujących reaktora . W związku z tym wymiana jonowa jest stosowana w przetwarzaniu materiałów jądrowych i przetwarzaniu odpadów radioaktywnych .

Żywice jonowymienne w postaci cienkich membran stosuje się również w procesie chloroalkalicznym , ogniwach paliwowych i akumulatorach wanadowo-redoks .

Wyidealizowany obraz procesu zmiękczania wody, polegający na wymianie jonów wapnia w wodzie na jony sodu z żywicy kationowymiennej na równoważnej podstawie.
Duże kationowo-anionowe wymienniki jonowe stosowane w uzdatnianiu wody zasilającej kotły

Wymiana jonowa może być również stosowana do usuwania twardości z wody poprzez wymianę jonów wapnia i magnezu na jony sodu w kolumnie jonowymiennej. Wykazano odsalanie jonowymienne w fazie ciekłej (wodnej) . W tej technice aniony i kationy w słonej wodzie są wymieniane odpowiednio na aniony węglanowe i kationy wapnia za pomocą elektroforezy . Jony wapnia i węglanu reagują następnie tworząc węglan wapnia , który następnie wytrąca się, pozostawiając świeżą wodę. Odsalanie odbywa się w temperaturze i ciśnieniu otoczenia i nie wymaga membran ani stałych jonitów. Teoretyczna wydajność energetyczna tej metody jest porównywalna z elektrodializą i odwróconą osmozą .

Inne aplikacje

Ścieki wytwarzane przez regenerację żywicy

Większość systemów jonowymiennych wykorzystuje kolumny z żywicą jonowymienną , które działają cyklicznie.

Podczas procesu filtracji woda przepływa przez kolumnę żywicy, aż żywica zostanie uznana za wyczerpaną. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy woda opuszczająca kolumnę zawiera więcej niż maksymalne pożądane stężenie usuwanych jonów. Żywica jest następnie regenerowana przez kolejne płukanie wsteczne złoża żywicy w celu usunięcia nagromadzonych zawieszonych ciał stałych, wypłukanie usuniętych jonów z żywicy stężonym roztworem jonów zastępczych i spłukanie roztworu płuczącego z żywicy. Produkcja ścieków z płukania wstecznego, płukania i płukania podczas regeneracji mediów jonowymiennych ogranicza przydatność wymiany jonowej do oczyszczania ścieków .

Zmiękczacze wody są zwykle regenerowane solanką zawierającą 10% chlorku sodu . Oprócz rozpuszczalnych soli chlorkowych dwuwartościowych kationów usuwanych ze zmiękczonej wody, ścieki z regeneracji zmiękczaczy zawierają niewykorzystane 50–70% solanki płuczącej z regeneracji chlorku sodu, wymaganej do odwrócenia równowagi żywicy jonowymiennej. Regeneracja żywicy dejonizującej kwasem siarkowym i wodorotlenkiem sodu jest skuteczna w około 20-40%. Zneutralizowane ścieki z regeneracji dejonizatora zawierają wszystkie usunięte jony plus 2,5-5-krotność ich równoważnego stężenia w przeliczeniu na siarczan sodu .

Dalsza informacja

  • Laboratoria Betza (1976). Podręcznik uzdatniania wody przemysłowej (wyd. 7). Laboratoria Betza.
  • Wymienniki jonowe (K. Dorfner, red.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991.
  • CE Harland, Wymiana jonowa: teoria i praktyka, Królewskie Towarzystwo Chemiczne, Cambridge, 1994.
  • Friedricha G. Helffericha (1962). Wymiana jonowa . Publikacje kurierskie Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Kemmer, Frank N. (1979). Podręcznik wody NALCO . McGraw-Hill.
  • Wymiana jonowa (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
  • AA Zagorodni, Materiały jonowymienne: właściwości i zastosowania , Elsevier, Amsterdam, 2006.
  • SenGupta, Arup K. Wymiana jonowa w procesach środowiskowych: podstawy, zastosowania i zrównoważona technologia . Wiley, 2017.
  • Ilustrowane i dobrze zdefiniowane laboratorium chemiczne dotyczące wymiany jonowej z Dartmouth College
  • Niektóre aplety ilustrujące procesy wymiany jonowej
  • Proste wyjaśnienie dejonizacji
  • Wymiana jonowa, BioMineWiki

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Ta metoda jest również nazywana permutit (lub)