Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гранулы ионообменной смолы
Ионообменная колонка для очистки белка

Ионный обмен обычно описывает процессы 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 множества 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 катионами и анионами может быть более эффективен всмешанные слои , которые содержат смесь анионо- и катионообменных смол, или пропускание обработанного раствора через несколько различных ионообменных материалов.

Ионный обменник. Это устройство заполнено ионообменной смолой.

Ионный обмен может быть неселективным или иметь предпочтение связывания для определенных ионов или классов ионов, в зависимости от их химической структуры . Это может зависеть от размера ионов, их заряда или их структуры. Типичными примерами ионов, которые могут связываться с ионообменниками, являются:

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.

Приложения [ править ]

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, 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 mineralic нерастворимые иониты широко используются для умягчения воды , очистки воды , [2] воды обеззараживания и т.д.

Ионный обмен - это метод, широко используемый в быту ( стиральные порошки и фильтры для воды ) для производства мягкой воды . Это достигается за счет обмена катионов кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ на катионы 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 извлечение 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 два ряда 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 ранее 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 доступны 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 - очень сильный поглотитель нейтронов, используемый 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 замену ионов кальция в воде ионами натрия, отданными катионообменной смолой.
Катионо-анионо-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 загрязнений и инженерно-геологической инженерии ионообменная способность определяет способность набухания 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 ]

Большинство ионообменных систем содержат емкости с ионообменной смолой , которые работают циклически.

Во время процесса фильтрации вода течет через контейнер со смолой, пока смола не будет исчерпана. Это происходит только тогда, когда вода, выходящая из теплообменника, содержит больше, чем максимально желаемую концентрацию удаляемых ионов. Затем смолу регенерируют путем последовательной обратной промывки слоя смолы для удаления накопленных твердых частиц, смывания удаленных ионов из смолы концентрированным раствором замещающих ионов и смыванием промывочного раствора от смолы. Производство обратной промывки, промывки и промывки сточных вод во время регенерации ионообменных сред 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% промывочного 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 изд.). Betz Laboratories.
  • Ионообменники (под ред. К. Дорфнера), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
  • CE Harland, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
  • Фридрих Г. Гельферих (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.
  • Иллюстрированный и четко определенный 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 ]

  • Щелочная 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 из целлюлозы-альфа-циркония фосфата 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. ^ Mischissin, Стивен Г. (7 февраля 2012). "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. ^ Kemmer, стр. 12 - 18.


Внешние ссылки [ править ]

Этот метод также называется permutit (или)

{Сточные Воды}}