Ионный обмен — это обратимый обмен одного вида ионов, присутствующих в нерастворимом твердом веществе, на другой вид ионов того же заряда, присутствующий в растворе, окружающем твердое вещество. Ионный обмен используется при умягчении или деминерализации воды, очистке химикатов и разделении веществ.
Ионным обменом обычно называют процесс очистки водных растворов с использованием твердой полимерной ионообменной смолы . Точнее, этот термин охватывает большое разнообразие процессов, в которых происходит обмен ионов между двумя электролитами . [1] Помимо использования для очистки питьевой воды, этот метод широко применяется для очистки и разделения различных промышленных и медицинских химикатов. Хотя этот термин обычно относится к применению синтетических (искусственных) смол, он может включать в себя многие другие материалы, такие как почва.
Типичными ионообменниками являются ионообменные смолы (функционализированный пористый или гелеобразный полимер), цеолиты , монтмориллонит , глины , почвенный перегной . Ионообменники — это либо катиониты , обменивающие положительно заряженные ионы ( катионы ), либо анионообменники , обменивающие отрицательно заряженные ионы ( анионы ). Существуют также амфотерные обменники , способные обменивать как катионы, так и анионы одновременно. Однако одновременный обмен катионов и анионов часто осуществляют в смешанных слоях , содержащих смесь анионо- и катионообменных смол, или пропуская раствор через несколько различных ионообменных материалов.
Ионообменники могут иметь предпочтения связывания определенных ионов или классов ионов, в зависимости от физических свойств и химической структуры как ионита, так и иона. Это может зависеть от размера, заряда или структуры ионов. Типичными примерами ионов, которые могут связываться с ионообменниками, являются:
Наряду с абсорбцией и адсорбцией , формой сорбции является ионный обмен .
Ионный обмен является обратимым процессом , и ионообменник можно регенерировать или наполнить желаемыми ионами путем промывки избытком этих ионов.
Ионный обмен широко используется в пищевой промышленности и производстве напитков, гидрометаллургии, отделке металлов, химической, нефтехимической, фармацевтической технологии, производстве сахара и подсластителей, очистке грунтовых и питьевых вод, атомной энергетике, умягчении, промышленной очистке воды, полупроводниках, энергетике и многие другие отрасли. [ нужна цитата ]
Типичный пример применения – подготовка воды высокой чистоты для энергетики , электронной и атомной промышленности; т.е. полимерные или неорганические нерастворимые ионообменники широко используются для умягчения воды , очистки воды , [2] [3] обеззараживания воды и т. д.
Ионный обмен — это метод, широко используемый в бытовых фильтрах для производства мягкой воды для использования в стиральных порошках, мыле и водонагревателях. Это достигается путем замены двухвалентных катионов (таких как кальций Ca 2+ и магний Mg 2+ ) на хорошо растворимые одновалентные катионы (например, Na + или H + ) (см. умягчение воды ). Еще одним применением ионного обмена при очистке бытовой воды является удаление нитратов и природных органических веществ . В бытовых системах фильтрации ионообмен является одной из альтернатив умягчения воды в быту наряду с мембранами обратного осмоса (RO). По сравнению с мембранами обратного осмоса, ионный обмен требует повторяющейся регенерации, когда вода на входе жесткая (имеет высокое содержание минералов). [ нужна цитата ]
Еще одним направлением, о котором следует упомянуть, является промышленная и аналитическая ионообменная хроматография . Ионообменная хроматография — хроматографический метод, широко используемый для химического анализа и разделения ионов. Например, в биохимии его широко используют для разделения заряженных молекул, таких как белки . Важной областью применения является извлечение и очистка биологически производимых веществ, таких как белки ( аминокислоты ) и ДНК / РНК .
Процессы ионного обмена используются для разделения и очистки металлов , включая отделение урана от плутония и других актинидов , включая торий , нептуний и америций . Этот процесс также используется для отделения лантаноидов , таких как лантан , церий , неодим , празеодим , европий и иттербий , друг от друга. Разделение неодима и празеодима было особенно трудным, и раньше считалось, что это всего лишь один элемент дидим , но это сплав этих двух элементов. [ нужна цитата ]
Существует две серии редкоземельных металлов : лантаноиды и актиниды, оба семейства которых имеют очень схожие химические и физические свойства. Использование методов, разработанных Фрэнком Спеддингом в 1940-х годах, ионообменные процессы раньше были единственным практическим способом разделения их в больших количествах, пока не были разработаны методы «экстракции растворителем», которые можно масштабировать в огромных масштабах.
Очень важным случаем ионного обмена является процесс экстракции плутония-урана ( ПУРЕКС ), который используется для отделения плутония (в основном239
Pu ) и уран (в данном случае известный как переработанный уран ), содержащийся в отработавшем топливе из америция , кюрия , нептуния ( второстепенных актинидов ) и продуктов деления , поступающих из ядерных реакторов . Таким образом, отходы можно отделить и отправить на утилизацию. Далее, плутоний и уран доступны для производства материалов для ядерной энергетики, таких как новое реакторное топливо ( МОКС-топливо ) и ядерное оружие (на основе плутония). Исторически некоторые продукты деления, такие как стронций-90 или цезий-137, также отделялись для использования в качестве радионуклидов , используемых в промышленности или медицине.
Процесс ионного обмена также используется для разделения других наборов очень похожих химических элементов, таких как цирконий и гафний , что также очень важно для атомной промышленности. Физически цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используемых в строительстве ядерных реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в стержнях управления реакторами . Так, ионный обмен используется при ядерной переработке и обращении с радиоактивными отходами .
Ионообменные смолы в виде тонких мембран также используются в хлорщелочных процессах , топливных элементах и ванадиевых окислительно-восстановительных батареях .
Ионный обмен также можно использовать для устранения жесткости воды путем замены ионов кальция и магния на ионы натрия в ионообменной колонке. Продемонстрировано жидкофазное (водное) ионообменное опреснение . [5] В этом методе анионы и катионы в соленой воде заменяются на карбонат-анионы и катионы кальция соответственно с помощью электрофореза . Ионы кальция и карбоната затем реагируют с образованием карбоната кальция , который затем выпадает в осадок, оставляя после себя пресную воду. Опреснение происходит при температуре и давлении окружающей среды и не требует использования мембран или твердых ионообменников. Теоретическая энергетическая эффективность этого метода находится на одном уровне с электродиализом и обратным осмосом .
В большинстве ионообменных систем используются колонки с ионообменной смолой , работающие на циклической основе.
В процессе фильтрации вода протекает через столб смолы до тех пор, пока смола не будет считаться исчерпанной. Это происходит только тогда, когда вода, выходящая из колонки, содержит концентрацию удаляемых ионов, превышающую максимальную желаемую. Затем смолу регенерируют путем последовательной обратной промывки слоя смолы для удаления накопленных взвешенных частиц, промывки удаленных ионов из смолы концентрированным раствором замещающих ионов и промывания промывочного раствора со смолы. Производство обратной промывки, промывки и промывки сточных вод при регенерации ионообменных сред ограничивает полезность ионного обмена для очистки сточных вод . [6]
Умягчители воды обычно регенерируются рассолом , содержащим 10% хлорида натрия . [7] Помимо растворимых хлоридных солей двухвалентных катионов, удаленных из умягченной воды, сточные воды регенерации умягчителя содержат неиспользованные 50–70% промывочного раствора хлорида натрия, необходимого для изменения равновесия ионообменных смол. Регенерация деионизирующей смолы серной кислотой и гидроксидом натрия имеет эффективность примерно 20–40%. Сточные воды регенерации нейтрализованного деионизатора содержат все удаленные ионы плюс концентрацию сульфата натрия, в 2,5–5 раз превышающую их эквивалентную концентрацию . [8]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )