Ионный обмен — это обратимый обмен одного вида ионов, присутствующих в нерастворимом твердом веществе, на другой вид ионов с таким же зарядом, присутствующий в растворе, окружающем твердое вещество. Ионный обмен используется для смягчения или деминерализации воды, очистки химикатов и разделения веществ.
Ионный обмен обычно описывает процесс очистки водных растворов с использованием твердой полимерной ионообменной смолы . Точнее, этот термин охватывает большое разнообразие процессов, в которых происходит обмен ионами между двумя электролитами . [1] Помимо его использования для очистки питьевой воды, этот метод широко применяется для очистки и разделения различных промышленных и медицинских важных химикатов. Хотя этот термин обычно относится к применению синтетических (искусственных) смол, он может включать в себя множество других материалов, таких как почва.
Типичными ионообменниками являются ионообменные смолы (функционализированный пористый или гель- полимер), цеолиты , монтмориллонит , глина и почвенный гумус . Ионообменники — это либо катионообменники , которые обменивают положительно заряженные ионы ( катионы ), либо аниониты , которые обменивают отрицательно заряженные ионы ( анионы ). Существуют также амфотерные обменники , которые способны обменивать как катионы, так и анионы одновременно. Однако одновременный обмен катионов и анионов часто выполняется в смешанных слоях , которые содержат смесь анионообменных и катионообменных смол, или пропуская раствор через несколько различных ионообменных материалов.
Ионообменники могут иметь предпочтения в связывании определенных ионов или классов ионов в зависимости от физических свойств и химической структуры как ионообменника, так и иона. Это может зависеть от размера, заряда или структуры ионов. Распространенными примерами ионов, которые могут связываться с ионообменниками, являются:
Наряду с абсорбцией и адсорбцией , ионный обмен является формой сорбции .
Ионный обмен — обратимый процесс , и ионообменник можно регенерировать или наполнить нужными ионами путем промывки избытком этих ионов.
Ионообменные смолы являются физической средой, которая облегчает реакции ионного обмена. Смола состоит из сшитых органических полимеров, как правило, полистирольной матрицы и функциональных групп, где происходит процесс ионного обмена.
Используется для обмена тяжелых металлов из растворов щелочноземельных и щелочных металлов.
Используется для удаления органических соединений.
Ионный обмен широко используется в пищевой промышленности и производстве напитков, гидрометаллургии, обработке металлов, химической, нефтехимической, фармацевтической промышленности, производстве сахара и подсластителей, очистке грунтовых и питьевых вод, ядерной промышленности, умягчении, очистке промышленных вод, полупроводниковой промышленности, энергетике и многих других отраслях. [ необходима ссылка ]
Типичным примером применения является получение особо чистой воды для нужд энергетики , электронной и атомной промышленности; т. е. полимерные или неорганические нерастворимые ионообменники широко используются для умягчения воды , водоочистки , [2] [3] обеззараживания воды и т. д.
Ионный обмен — это метод, широко используемый в бытовых фильтрах для получения мягкой воды для стиральных порошков, мыла и водонагревателей. Это достигается путем обмена двухвалентных катионов (таких как кальций Ca 2+ и магний Mg 2+ ) на хорошо растворимые одновалентные катионы (например, Na + или H + ) (см. умягчение воды ). Другое применение ионного обмена в бытовой очистке воды — удаление нитратов и природных органических веществ . В бытовых системах фильтрации ионный обмен является одной из альтернатив для умягчения воды в домохозяйствах наряду с мембранами обратного осмоса (RO). По сравнению с мембранами обратного осмоса, ионный обмен требует повторной регенерации, когда входящая вода жесткая (имеет высокое содержание минералов). [ необходима цитата ]
Промышленная и аналитическая ионообменная хроматография — еще одна область, которую следует упомянуть. Ионообменная хроматография — это хроматографический метод, который широко используется для химического анализа и разделения ионов. Например, в биохимии он широко используется для разделения заряженных молекул, таких как белки . Важной областью применения является извлечение и очистка биологически продуцируемых 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 разделения лантаноидов , таких как лантан , церий , неодим , празеодим , европий и иттербий , друг от друга. Разделение неодима и празеодима было особенно сложным, и ранее считалось, что это всего лишь один элемент дидим , но это сплав двух. [ требуется цитата ]
Существует две серии редкоземельных металлов , лантаноиды и актиноиды, оба семейства которых имеют очень похожие химические и физические свойства. Используя методы, разработанные Фрэнком Спеддингом в 1940-х годах, ионообменные процессы ранее были единственным практическим способом их разделения в больших количествах, пока не были разработаны методы «экстракции растворителем», которые можно масштабировать в огромных масштабах.
Очень важным случаем ионного обмена является процесс извлечения плутония из урана ( PUREX ), который используется для разделения плутония (в основном239
Pu ) и уран (в этом случае известный как переработанный уран ), содержащийся в отработанном топливе из америция , кюрия , нептуния ( второстепенные актиниды ), и продукты деления , которые поступают из ядерных реакторов . Таким образом, отходы могут быть отделены для утилизации. Далее, плутоний и уран доступны для изготовления ядерно-энергетических материалов, таких как новое реакторное топливо ( МОКС-топливо ) и (на основе плутония) ядерного оружия . Исторически некоторые продукты деления, такие как стронций-90 или цезий-137, также были отделены 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 ядерной промышленности. Физически цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используемых при строительстве ядерных реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в стержнях управления реактора . Таким образом, ионный обмен используется при ядерной переработке и обработке радиоактивных отходов .
Ионообменные смолы в виде тонких мембран также используются в хлорщелочных процессах , топливных элементах и ванадиевых окислительно-восстановительных батареях .
Ионный обмен также может быть использован для удаления жесткости из воды путем обмена ионов кальция и магния на ионы натрия в ионообменной колонне. Было продемонстрировано жидкофазное (водное) ионообменное опреснение . [5] В этой технике анионы и катионы в соленой воде обмениваются на анионы карбоната и катионы кальция соответственно с помощью электрофореза . Затем ионы кальция и карбоната реагируют, образуя карбонат кальция , который затем выпадает в осадок, оставляя пресную воду. Опреснение происходит при температуре и давлении окружающей среды и не требует мембран или твердых ионообменников. Теоретическая энергоэффективность этого метода сопоставима с электродиализом и обратным осмосом .
Большинство ионообменных систем используют колонки с ионообменной смолой , которые работают циклически.
В процессе фильтрации вода протекает через колонну смолы до тех пор, пока смола не будет считаться истощенной. Это происходит только тогда, когда вода, выходящая из колонны, содержит больше, чем максимально желаемая концентрация удаляемых ионов. Затем смола регенерируется путем последовательной обратной промывки слоя смолы для удаления накопленных взвешенных твердых частиц, промывки удаленных ионов из смолы концентрированным раствором замещающих ионов и промывки промывочного раствора из смолы. Производство промывочных, промывочных и промывочных сточных вод во время 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 рассола регенерации хлорида натрия, необходимого для обращения равновесия ионообменной смолы. Регенерация деионизирующей смолы серной кислотой и гидроксидом натрия эффективна примерно на 20–40%. Нейтрализованные сточные воды регенерации деионизатора содержат все удаленные ионы плюс 2,5–5-кратную их эквивалентную концентрацию в виде сульфата натрия . [8]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )