Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с Ion Exchange )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Шарики ионообменной смолы
Ионообменная колонка для очистки белка

Ионный обмен обычно описывает процесс очистки водных растворов с использованием твердой полимерной ионообменной смолы . Точнее, этот термин охватывает большое количество процессов, при которых происходит обмен ионами между двумя электролитами . [1] Помимо использования для очистки питьевой воды, этот метод широко применяется для очистки и разделения ряда важных в промышленном и медицинском отношении химических веществ. Хотя этот термин обычно относится к применению синтетических (искусственных) смол, он может включать многие другие материалы, такие как почва.

Типичными ионообменниками являются ионообменные смолы (функционализированный пористый или гелевый полимер), цеолиты , монтмориллонит , глина и почвенный гумус . Ионообменники представляют собой катиониты , обменивающие положительно заряженные ионы ( катионы ), или аниониты , обменивающие отрицательно заряженные ионы ( анионы ). Существуют также амфотерные обменники , способные обменивать и катионы, и анионы одновременно. Однако одновременный обмен катионов и анионов часто осуществляется в смешанных слоях., которые содержат смесь анионо- и катионообменных смол, или пропускают раствор через несколько различных ионообменных материалов.

Ионный обменник. Это устройство набито ионообменной смолой.

Ионообменники могут иметь предпочтения по связыванию 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. Типичные примеры ионов, которые могут связываться с ионообменниками:

Наряду с абсорбцией и адсорбцией ионный обмен является формой сорбции .

Ионный обмен - это обратимый процесс , и ионообменник можно регенерировать или наполнить желаемыми ионами путем промывки избытком этих ионов.

Типы [ править ]

Катионный обмен [ править ]

Анионный обмен [ править ]

  • DEAE-Сефароза
  • QFF

Приложения [ править ]

Ионный обмен широко используется в пищевой промышленности, гидрометаллургии, отделке металлов, химической, нефтехимической, фармацевтической технологии, производстве сахара и подсластителей, очистке грунтовых и питьевых вод, ядерной энергии, умягчении, очистке промышленных вод, полупроводниках, энергетике и многие другие отрасли.

Типичный пример применения - подготовка особо чистой воды для энергетики , электронной и атомной промышленности; то есть полимерные или неорганические нерастворимые иониты широко используются для умягчения воды , очистки воды , [2] воды обеззараживания 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 обмена двухвалентных катионов (например, кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ ) на хорошо растворимые одновалентные катионы (например, Na + или H + ) (см. Умягчение воды ). Еще одно применение ионного обмена при очистке воды в домашних условиях - удаление нитратов и природных органических веществ .

Еще одна область, о которой следует упомянуть, - это промышленная и аналитическая ионообменная хроматография . 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 экстракция и очистка биологически продуцируемых веществ, таких как белки ( аминокислоты ) и ДНК / РНК .

Ионообменные процессы 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 друг от друга лантаноидов , таких как лантан , церий , неодим , празеодим , европий и иттербий . Разделение неодима и празеодима было особенно трудным, и раньше считалось, что это всего лишь один элемент дидимий. - но это сплав двух.

Есть две группы редкоземельных металлов , лантаноиды и актиниды, оба семейства которых имеют очень похожие химические и физические свойства. Используя методы, разработанные Фрэнком Спеддингом в 1940-х годах, процессы ионного обмена раньше были единственным практическим способом их разделения в больших количествах, пока не были разработаны методы «экстракции растворителем», которые можно было значительно расширить.

Очень важным случаем ионного обмена является процесс PUREX (процесс извлечения плутония-урана), который используется для отделения плутония-239 и урана от америция , кюрия , нептуния , радиоактивных продуктов деления, которые поступают из ядерных реакторов . Таким образом, отходы могут быть отделены для утилизации. Затем плутоний и уран используются для производства материалов для ядерной энергии, таких как топливо для новых реакторов и ядерное оружие .

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 в строительстве ядерных реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в управляющих стержнях реактора . Таким образом, ионный обмен используется при ядерной переработке и обращении с радиоактивными отходами .

Ионообменные смолы в виде тонких мембран также используются в хлорно-щелочных процессах , топливных элементах и ванадиевых окислительно-восстановительных батареях .

Идеальное изображение процесса умягчения воды, включающего обмен ионов кальция в воде на ионы натрия из катионообменной смолы на эквивалентной основе.
Катионо-анионно-ионные теплообменники большого размера, используемые при очистке питательной воды котлов [3]

Ионный обмен можно также использовать для уменьшения жесткости воды путем обмена ионов кальция и магния на ионы натрия в ионообменной колонке. Продемонстрировано жидкофазное (водное) ионообменное опреснение . [4] В этом методе анионы и катионы в соленой воде заменяются на карбонатные анионы и катионы кальция соответственно с помощью электрофореза . Затем ионы кальция и карбоната вступают в реакцию 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 мембран или твердых ионообменников. Теоретическая энергоэффективность этого метода сопоставима с электродиализом и обратным осмосом .

Другие приложения [ править ]

  • В почвоведении , катионообменная емкость является ионообменной емкостью почвы для положительно заряженных ионов. Почвы можно рассматривать как природные слабые катиониты.
  • При очистке от загрязнения и инженерно-геологической инженерии ионообменная способность определяет способность набухать набухающей или расширяющейся глины, такой как монтмориллонит , которая может использоваться для «захвата» загрязняющих веществ и заряженных ионов.
  • При производстве планарных волноводов ионный обмен используется для создания направляющего слоя с более высоким показателем преломления .
  • Дещелачивание , удаление ионов щелочных металлов с поверхности стекла .
  • Химически упрочненное стекло , полученное путем обмена K + на Na + в поверхностях натриевого стекла с использованием расплавов KNO 3 .

Сточные воды, полученные при регенерации смолы [ править ]

В большинстве ионообменных систем используются циклические колонки с ионообменной смолой .

В процессе фильтрации вода протекает через колонку со смолой, пока смола не будет считаться исчерпанной. Это происходит только тогда, когда вода, выходящая из колонки, содержит больше, чем максимально желаемую концентрацию удаляемых ионов. Затем смолу регенерируют путем последовательной обратной промывки слоя смолы для удаления накопленных взвешенных твердых частиц, смывания удаленных ионов из смолы концентрированным раствором замещающих ионов и смывания промывочного раствора от смолы. Производство обратной промывки, промывки и промывки сточных вод во время регенерации ионообменной среды ограничивает применимость ионного обмена для очистки сточных вод . [5]

Умягчители воды обычно регенерируют рассолом, содержащим 10% хлорида натрия . [6] Помимо растворимых хлоридных солей двухвалентных катионов, удаленных из умягченной воды, сточные воды регенерации умягчителя содержат неиспользованные 50-70% промывного солевого раствора регенерации хлорида натрия, необходимого для восстановления равновесия ионообменной смолы. Эффективность регенерации деионизирующей смолы серной кислотой и гидроксидом натрия составляет примерно 20-40%. Нейтрализованной сточных вод регенерации деионизатор содержит все удалены ионы плюс 2,5-5 раза их эквивалентной концентрации , как сульфат натрия . [7]

Дополнительная информация [ править ]

  • Betz Laboratories (1976). Справочник по промышленному водоподготовке (7-е изд.). Betz Laboratories.
  • Ионные обменники (К. Дорфнер, ред.), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
  • CE Harland, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
  • Фридрих Г. Гельфферих (1962). Ионный обмен . Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Кеммер, Франк Н. (1979). Справочник NALCO по воде . Макгроу-Хилл.
  • Ионный обмен (Д. Муравьев, В. Горшков, А. Варшавский), М. Деккер, Нью-Йорк, 2000.
  • Загородний А.А., Ионообменные материалы: свойства и применение , Elsevier, Амстердам, 2006.
  • СенГупта, Аруп К. Ионный обмен в экологических процессах: основы, приложения и устойчивые технологии . Wiley, 2017. [8]
  • Иллюстрированный и хорошо продуманный практический курс химической лаборатории по ионному обмену от Дартмутского колледжа
  • Некоторые апплеты, иллюстрирующие процессы ионного обмена
  • Простое объяснение деионизации
  • Ионный обмен, BioMineWiki

См. Также [ править ]

  • Щелочно-анионообменная мембрана
  • Ион
  • Ионная хроматография
  • Ионообменные мембраны
  • Ионообменная смола
  • Опреснение

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дардель, Франсуа; Арден, Томас В. (2008). «Ионообменники». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a14_393.pub2 .
  2. ^ Ибрагим, Язан; Абдулкарем, Эльхам; Наддео, Винченцо; Банат, Фаузи; Хасан, Шади В. (ноябрь 2019 г.). «Синтез супергидрофильной ионообменной мембраны целлюлоза-альфа-цирконий-фосфат через поверхностное покрытие для удаления тяжелых металлов из сточных вод». Наука об окружающей среде в целом . 690 : 167–180. Bibcode : 2019ScTEn.690..167I . DOI : 10.1016 / j.scitotenv.2019.07.009 . PMID 31288108 . 
  3. ^ Мишиссин, Стивен Г. (7 февраля 2012 г.). «Университет Рочестера - Расследование отказов линии отбора паровых турбин» (PDF) . Арлингтон, Вирджиния. С. 25–26. Архивировано из оригинального (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 23 февраля 2015 года .
  4. ^ Школьников, Виктор; Bahga, Supreet S .; Сантьяго, Хуан Г. (28 августа 2012 г.). «Опреснение и производство водорода, хлора и гидроксида натрия с помощью электрофоретического ионного обмена и осаждения» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . Phys. Chem. Chem Phys. 14 (32): 11534–45. Bibcode : 2012PCCP ... 1411534S . DOI : 10.1039 / c2cp42121f . PMID 22806549 .  
  5. ^ . Kemmer, стр 12-17, 12 - 25.
  6. Перейти ↑ Betz Laboratories Inc. (1980). Справочник Бец по промышленному водоподготовке - 8-е издание . Бец. п. 52 . Архивировано из оригинала на 2012-06-20.
  7. ^ Кеммер, стр. 12 - 18.
  8. ^ Сенгупта, Аруп К. (2017). Ионный обмен в экологических процессах: основы, приложения и устойчивые технологии . Хобокен, штат Нью-Джерси. ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC  1001290476 .


Внешние ссылки [ править ]

Этот метод также называется permutit (или)

{Сточные Воды}}