نگاه کلی

روشهای تبادل یونی ، بر اساس تبادل برگشت پذیر یونها بین محلول و یک فاز جامد استوار است. فاز جامد در آب ، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزاء تشکیل دهندۀ فاز جامد ممکن است از ترکیبات معدنی شبیه زئولیتها باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده است. این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.

ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO₂ ساخته شده اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند و برای جداسازی فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از هم ، مفید هستند.

رزین‌های تبادلگر یونی

رزین‌های تبادلگر یونی ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای با وزن ملکولی زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها براساس پلیمریزاسیون پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا سولفوریک اسید ترکیب تبادلگر یونی آنیونی و کاتیونی را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آب‌گیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.

تقسیم‌بندی رزین‌ها

تبادلگرهای یونی ، شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO₃H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان ، به دو دسته تبادلگرهای زیر تقسیم کرد:

بازی

• تبادلگر بازی قوی
• تبادلگر بازی ضعیف

اسیدی

• تبادلگر اسیدی قوی به صورت R-SO₃H
• تبادلگر اسیدی ضعیف به صورت R-COOH

ستون تبادل یون

آزمایشهای تبادل یون را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یعنی عبور مقدار معینی محلول از ستون حاوی رزین یا به‌صورت جریان پیوسته محلول از بالا به پائین ستون انجام داد. ستون همیشه باید از آب مقطر پر باشد و حبابهای هوا در قسمت رزین وجود نداشته باشند. دانه‌های رزین ، آب را جذب کرده ، متورم می‌شوند. اگر منظور ، جدا کردن و بدست آوردن یونهای موجود در یک محلول باشد، پس از عبور نمونه از ستون توسط جریان مداومی از محلول شستشو دهنده ، جزء یا اجزا مورد نظر از ستون خارج می‌شوند. بعد از خاتمه آزمایش باید ستون را با آب مقطر پر کرد.

محلولی که وارد ستون می‌شود، جریان ورودی و محلولی که از ستون خارج می‌شود، جریان خروجی نام دارد.

تعادل تبادل یونی

برای روشن‌تر شدن واکنشهای تبادل یونی ، رزین‌های اسیدی و بازی را به‌صورت R-H و ROH نشان می‌دهیم؛ طبق واکنشهای زیر:

R-H + NaCl ----> R-Na + HCl

R-OH + HCl ----> R-Cl + H₂O

یونهای سدیم و کلرید با یونهای هیدروژن و هیدروکسیل مبادله می‌شوند. در صورتی‌که رزین تبادلگر یونی به‌صورت R-Na با محلول سدیم کلرید در تعادل باشد، می‌توان گفت که حاصلضرب فعالیت یونهای سدیم و کلرید در سطح رزین و محلول نمک در حال تعادل با رزین برابر است. این مفهوم از تعادل دانن نتیجه می‌شود.

ظرفیت تبادل یون

این کمیت عبارت است از وزن یونهایی که در واحد حجم یا واحد وزن رزین قابل تعویض است. بنابراین هر رزین دارای ظرفیت حجمی یا ظرفیت وزنی است. ظرفیت حجمی براساس حجم رزین آب گرفته تعیین می‌شود.

ضریب توزیع

نسبت یونها در هر گرم رزین خشک به مقدار آنها در هر میلی لیتر محلول را ضریب توزیع می‌گویند.

برای تبادل کننده‌های یونی یونهای با بار مخالف ، ضریب توزیع به غلظت محلول خارجی بستگی دارد. مثلا˝ هنگامی که رزین اشباع شده با کلسیم با محلول سدیم کلرید تماس داده شود، ازدیاد غلظت نمک ، سبب تعویض سدیم با کلسیم می‌گردد. ولی هنگامی که رزین یونهای کلسیم را دریافت می‌کند، نیروهای جذبی نقش اساسی دارد.

کاربرد رزینها

در صنعت ، برای گرفتن یا کاهش سختی آب و یون‌زدایی آن ، از تبادلگرهای یونی استفاده می‌شود. آب یون‌زدایی شده فاقد ناخالصی‌های کربن دی‌اکسید و سیلیس است که در آب مقطر وجود دارد. یکی دیگر از کاربردهای تبادلگرهای یونی رزینی ، شیرین کردن آب دریا با جداسازی نمکهای سدیم و پتاسیم و منیزیم بوسیله رزینها می‌باشد و برای جدا کردن یونهای فلزی به‌صورت ترکیبات آنیونی هم از رزین‌ها استفاده می‌شود. یک مورد دیگر ، تعیین غلظت کل نمکهای محلول درآب است.

احیاء رزین

پس از مدتی ظرفیت رزین‌ها از نظر تبادل یونی تکمیل می‌شود. در نتیجه ، باید تبادلگرهای کاتیونی و آنیونی را با افزایش اسید یا باز رقیق فعال کرد این عمل را احیا یا بازسازی می‌نامند. در کارخانه‌هایی که فقط از زئولیت استفاده می‌شود، فعال کردن و بازسازی آن با افزایش محلول ده درصد سدیم کلرید انجام می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

• آنیون و کاتیون
• اسید
• باز
• تبادلگر یونی
• تعادل شیمیایی
• رزین‌های مبادله کننده یون
• زئولیت