Ionbytte -Ion exchange

Ionebytterharpikskuler
Ionebytterkolonne brukt til proteinrensing

Ionebytte er en reversibel utveksling av en type ion som er tilstede i et uløselig fast stoff med et annet med lignende ladning som er tilstede i en løsning som omgir det faste stoffet, og reaksjonen brukes spesielt til å myke eller gjøre vann demineralisert, rensing av kjemikalier og separering av stoffer.

Ionebytting beskriver vanligvis en prosess for rensing av vandige løsninger ved bruk av fast polymer ionebytterharpiks . Mer presist omfatter begrepet et stort utvalg av prosesser der ioner utveksles mellom to elektrolytter . Bortsett fra bruken til å rense drikkevann, er teknikken mye brukt for rensing og separasjon av en rekke industrielt og medisinsk viktige kjemikalier. Selv om begrepet vanligvis refererer til anvendelser av syntetiske (menneskeskapte) harpikser, kan det inkludere mange andre materialer som jord.

Typiske ionebyttere er ionebytterharpikser (funksjonalisert porøs eller gelpolymer ) , zeolitter , montmorillonitt , leire og jordhumus . Ionebyttere er enten kationbyttere , som utveksler positivt ladede ioner ( kationer ), eller anionbyttere , som bytter negativt ladede ioner ( anioner ). Det finnes også amfotere utvekslere som er i stand til å utveksle både kationer og anioner samtidig. Imidlertid utføres den samtidige utvekslingen av kationer og anioner ofte i blandede lag , som inneholder en blanding av anion- og kationbytterharpikser, eller passerer løsningen gjennom flere forskjellige ionebyttermaterialer.

Ioneveksler. Denne enheten er pakket med ionebytterharpiks.

Ionebyttere kan ha bindende preferanser for visse ioner eller klasser av ioner, avhengig av de fysiske egenskapene og den kjemiske strukturen til både ionebytteren og ionet. Dette kan være avhengig av størrelsen, ladningen eller strukturen til ionene. Vanlige eksempler på ioner som kan binde seg til ionebyttere er:

Sammen med absorpsjon og adsorpsjon er ionebytting en form for sorpsjon .

Ionebytte er en reversibel prosess , og ionebytteren kan regenereres eller fylles med ønskede ioner ved å vaske med et overskudd av disse ionene.

Typer

Kationbytte

  1. CM (karboksymetylgruppe, svak kationbytte)
  2. SP (sulfopropylgruppe, sterk kationbytter)

Anionbytte

applikasjoner

Ionebytting er mye brukt i mat- og drikkeindustrien, hydrometallurgi, metallbehandling, kjemisk, petrokjemisk, farmasøytisk teknologi, sukker- og søtningsmiddelproduksjon, grunn- og drikkevannsbehandling, kjernekraft, mykgjøring, industriell vannbehandling, halvledere, kraft og mange andre bransjer.

Et typisk eksempel på bruk er tilberedning av høyrent vann for kraftteknikk , elektronisk og kjernefysisk industri; dvs. polymere eller uorganiske uløselige ionebyttere er mye brukt til mykning av vann , vannrensing , vanndekontaminering , etc.

Ionebytting er en metode som er mye brukt i husholdningsfiltre for å produsere mykt vann til fordel for vaskemidler, såper og varmtvannsberedere. Dette oppnås ved å bytte ut toverdige kationer (som kalsium Ca 2+ og magnesium Mg 2+ ) med svært løselige monovalente kationer (f.eks. Na + eller H + ) (se vannmykning ). En annen applikasjon for ionebytting i husholdningsvannbehandling er fjerning av nitrat og naturlig organisk materiale .

Industriell og analytisk ionebytterkromatografi er et annet område å nevne. Ionebytterkromatografi er en kromatografisk metode som er mye brukt for kjemisk analyse og separasjon av ioner. For eksempel, i biokjemi er det mye brukt til å skille ladede molekyler som proteiner . Et viktig bruksområde er utvinning og rensing av biologisk produserte stoffer som proteiner ( aminosyrer ) og DNA / RNA .

Ionebytteprosesser brukes til å separere og rense metaller , inkludert separering av uran fra plutonium og de andre aktinidene , inkludert thorium , neptunium og americium . Denne prosessen brukes også til å skille lantanidene , som lantan , cerium , neodym , praseodym , europium og ytterbium , fra hverandre. Separasjonen av neodym og praseodym var spesielt vanskelig, og de ble tidligere antatt å være bare ett element didymium - men det er en legering av de to.

Det er to serier av sjeldne jordartsmetaller , lantanidene og aktinidene, hvis familier alle har svært like kjemiske og fysiske egenskaper. Ved å bruke metoder utviklet av Frank Spedding på 1940-tallet, var ionebytteprosesser tidligere den eneste praktiske måten å skille dem i store mengder, inntil utviklingen av «løsningsmiddelekstraksjon»-teknikkene som kan skaleres enormt opp.

Et svært viktig tilfelle av ionebytting er plutonium-uran-ekstraksjonsprosessen ( PUREX ), som brukes til å skille plutonium-239 og uran fra americium , curium , neptunium , de radioaktive fisjonsproduktene som kommer fra atomreaktorer . Dermed kan avfallsproduktene skilles ut for deponering. Deretter er plutonium og uran tilgjengelig for å lage kjernefysiske materialer, for eksempel nytt reaktorbrensel og atomvåpen .

Ionebytteprosessen brukes også til å skille andre sett med svært like kjemiske elementer, som zirkonium og hafnium , som også er svært viktig for kjernefysisk industri. Fysisk er zirkonium praktisk talt gjennomsiktig for frie nøytroner, brukt til å bygge atomreaktorer, men hafnium er en veldig sterk absorber av nøytroner, brukt i reaktorkontrollstaver . Ionebytting brukes derfor i kjernefysisk reprosessering og behandling av radioaktivt avfall .

Ionebytterharpikser i form av tynne membraner brukes også i kloralkali-prosessen , brenselceller og vanadiumredoksbatterier .

Idealisert bilde av vannmykningsprosess, som involverer utveksling av kalsiumioner i vann med natriumioner fra en kationbytterharpiks på tilsvarende basis.
Store kation/anion-ionebyttere som brukes i vannrensing av kjelefødevann

Ionebytte kan også brukes til å fjerne hardhet fra vann ved å bytte ut kalsium- og magnesiumioner mot natriumioner i en ionebytterkolonne. Væskefase (vandig) ionebytteravsalting er påvist. I denne teknikken blir anioner og kationer i saltvann byttet ut med henholdsvis karbonatanioner og kalsiumkationer ved hjelp av elektroforese . Kalsium- og karbonationer reagerer deretter og danner kalsiumkarbonat , som deretter utfelles og etterlater ferskvann. Avsaltingen skjer ved omgivelsestemperatur og trykk og krever ingen membraner eller faste ionebyttere. Den teoretiske energieffektiviteten til denne metoden er på nivå med elektrodialyse og omvendt osmose .

Andre applikasjoner

Avløpsvann produsert ved harpiksregenerering

De fleste ionebyttersystemer bruker kolonner av ionebytterharpiks som drives på syklisk basis.

Under filtreringsprosessen strømmer vann gjennom harpikskolonnen til harpiksen anses som oppbrukt. Det skjer bare når vann som forlater kolonnen inneholder mer enn den maksimale ønsket konsentrasjon av ionene som fjernes. Harpiks regenereres deretter ved sekvensiell tilbakevasking av harpikssjiktet for å fjerne akkumulerte suspenderte faste stoffer, spyling av fjernede ioner fra harpiksen med en konsentrert løsning av erstatningsioner, og skylling av spyleløsningen fra harpiksen. Produksjon av tilbakespyling, spyling og skylling av avløpsvann under regenerering av ionebyttermedier begrenser nytten av ionebytte for avløpsvannbehandling .

Vannmyknere regenereres vanligvis med saltlake som inneholder 10 % natriumklorid . Bortsett fra de løselige kloridsaltene av toverdige kationer fjernet fra det myknede vannet, inneholder avløpsvann for regenerering av mykner de ubrukte 50–70 % av natriumkloridregenereringsspylingslaken som kreves for å reversere ionebytterharpikslikevekter. Avioniserende harpiksregenerering med svovelsyre og natriumhydroksid er omtrent 20–40 % effektiv. Nøytralisert avionisatorregenereringsavløpsvann inneholder alle de fjernede ionene pluss 2,5–5 ganger deres ekvivalente konsentrasjon som natriumsulfat .

Mer informasjon

  • Betz Laboratories (1976). Handbook of Industrial Water Conditioning (7. utgave). Betz Laboratories.
  • Ionevekslere (K. Dorfner, red.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991.
  • CE Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
  • Friedrich G. Helfferich (1962). Ionebytte . Courier Dover-publikasjoner. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Kemmer, Frank N. (1979). NALCO Water Handbook . McGraw-Hill.
  • Ionebytte (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
  • AA Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications , Elsevier, Amsterdam, 2006.
  • SenGupta, Arup K. Ion Exchange in Environmental Processes: Fundamentals, Applications and Sustainable Technology . Wiley, 2017.
  • Illustrert og veldefinert kjemi lab praktisk om ionebytte fra Dartmouth College
  • Noen appleter som illustrerer ionebytteprosesser
  • En enkel forklaring på avionisering
  • Ionebytte, BioMineWiki

Se også

Referanser

Eksterne linker

Denne metoden er også kalt permutit (eller)