Az ionitok szilárd, oldhatatlan anyagok, amelyek képesek ionjaikat a környező oldatból származó ionokra cserélni. Ezek általában szintetikus szerves gyanták , amelyek savas vagy lúgos csoportokat tartalmaznak. Az ioncserélők kationokat abszorbeáló kationcserélőkre , anionokat elnyelő anioncserélőkre és mindkét tulajdonsággal rendelkező amfoter ioncserélőkre oszthatók [1] . Az ioncserélőket széles körben használják víz sótalanítására, az analitikai kémiában az anyagok kromatográfiás elválasztására , valamint a kémiai technológiában. Az ioncserélők gyakoriak a természetben, különösen a talaj tartalmaz kationcserélőket, amelyek megvédik a növények számára szükséges elemek (például kálium) kationjait a víz általi kimosástól, és kicserélik a növények által kiválasztott sav hidrogénionjaira. , ezzel hozzájárulva a növények táplálkozásához [2] . A mátrix jellegétől függően szervetlen és szerves ioncserélőket különböztetünk meg.
1850 -ben Harry Stephen Meysey Thompson cikket közölt egy angol folyóiratban [ 3] , amelyben felvázolta 1845 nyarán végzett kísérleteinek eredményeit. Desztillált vizet , benne oldott ammónium-szulfátot engedett át a talajrétegen. A kilépésnél az ammónium-szulfát mennyisége a vízben jelentősen csökkent, de sok gipszet kezdett tartalmazni , ami arra utalt, hogy az ammóniumionokat a talaj visszatartotta, kicserélve a benne lévő kalciumionokra . A folyóirat ugyanabban a számában közölt egy cikket John Thomas Way [ 4 ] , aki számos olyan kísérletet végzett, amely a talajban zajló ioncseréről tanúskodik. Mindkét szerző hivatkozik Huxtable gazdára is , aki hasonló kísérletet végzett .
R. Hans ( németül: Gans ) 1905. július 26-án kelt cikkében leírta a mesterséges szervetlen ioncserélők - zeolitok - technikai előállításának módszereit [5] , és jelezte ezek alkalmazásának lehetőségét a víz keménységének csökkentésére. Az ioncserélők működését K. K. Gedroits , N. D. Zelinszkij , M. S. Tsvet orosz és szovjet tudósok tanulmányozták [1] . 1935 -ben B. A. Adams ( angol. Basil Albert Adams ) és E. L. Holmes ( angol. Eric Leighton Holmes ) felfedezte az ioncsere tulajdonságát a szintetikus szerves polimerekben [6] , ezzel kiegészítve az ioncserélő gyantákkal működő ismert ioncserélők csoportját. . 1950-1960 között. A szintetikus ioncserélőket M. M. Dubinin , B. P. Nikolsky , B. N. Laskorin [1] tanulmányozta .
Az ioncserélők általában szemcsékből állnak, bár az ioncserélőket membránok, szálak és szövetek formájában is gyártják [1] . A pontosság kedvéért vegyünk egy hidrogénkationokat tartalmazó kationcserélőt . Ha egy ilyen kationcserélőn, például desztillált vízen ionok nélküli anyagot vezetnek át , akkor sem az anyag, sem a kationcserélő nem változik meg. Ha azonban kihagyja a sóoldatot , akkor ez az oldat savvá válik , és a kationcserélő már nem tartalmaz hidrogénkationokat, hanem sókationok - ioncsere történik. A kationcserélő eredeti állapotának visszaállításához savat kell átvezetni rajta - a kationcserélőben lévő sókationokat ismét hidrogénkationok váltják fel -, majd le kell mosni a savmaradékokról. Hasonlóképpen az anioncserélők anionjaikat kicserélik annak a környezetnek az anionjaira, amelyben elhelyezkednek [2] .
Az ioncserélők egy polimer mátrixból és a hozzá kapcsolódó ionogén csoportokból állnak. A disszociáció során az egyes ionogén csoportok a mátrixhoz kapcsolódó fix ionra és egy mobil ionra oszlanak, amely oldat ionokra cserélődik. Általában minél nagyobb a kicserélt ion töltése, az ioncserélő annál jobban cseréli azokat, és ha a töltések azonosak, akkor a nagyobb sugarú ionok cseréje jobban megy végbe. Például az erősen savas kationcserélők szulfocsoportokkal jobban cserélik a K + káliumionokat , mint a Li + [1] lítium ionok, mivel a lítium és a kálium a periódusos rendszer azonos alcsoportjában található, és a kálium atomszáma nagyobb, mint lítium, ezért az ion sugara nagyobb. Egy másik példa: az erősen bázikus anioncserélők az I jódionokat jobban cserélik , mint a klórionok a Cl - [1] , mivel a klór és a jód ugyanabban az alcsoportban található, és a jód atomszáma nagyobb, mint a klóré, ezért az ion sugara nagyobb.
A kicserélt ionok töltése szerint az ioncserélők a következő típusokra oszthatók [1] :
A mátrix jellegétől függően az ioncserélőket szervetlen és szerves anyagokra osztják.
A szerves ioncserélők alapvetően szintetikus ioncserélő gyanták . A szerves mátrixot monomer szerves molekulák, például sztirol , divinil -benzol , akrilamid stb. polikondenzációjával állítják elő. A savas vagy bázikus típusú ionogén csoportokat (fix ionokat) kémiai úton juttatják be ebbe a mátrixba. A hagyományosan bevezetett sav típusú csoportok a -COOH; -S03H ; _ -RO 4 H 2 stb., és a fő típus: ≡N; =NH; -NH2 ; _ -NR 3+ stb. A modern ioncserélő gyanták általában nagy cserekapacitással és működési stabilitással rendelkeznek.
Az ionitok vízben duzzadni képesek, ami a hidratálódni képes hidrofil fix csoportok jelenlétének köszönhető. A korlátlan duzzadást, azaz feloldódást azonban a keresztkötések megakadályozzák. A térhálósodás mértékét az ioncserélők szintézise során a bevitt térhálósító szer, a divinilbenzol (DVB) mennyisége határozza meg. A lágyításhoz használt szabványos gyanták 8% DVB-t tartalmaznak. A jelenleg kapható gyanták 2-20%-ot tartalmazhatnak. Összességében az ioncserélők duzzadási fokát a DVB térhálósodás mértéke, a hidrofil ionogén csoportok koncentrációja az ioncserélő szemcse térfogatában, valamint az határozza meg, hogy az ioncserélőben milyen ellenionok vannak jelen. Általában az egyszeres töltésű ionok, különösen a hidrogén- és hidroxilionok vezetnek a legnagyobb duzzadáshoz; A többszörösen töltött ellenionok némi kompresszióhoz és a szemcsék térfogatának csökkenéséhez vezetnek.
A szervetlen ioncserélők főként természetes eredetű ioncserélők, amelyek alumínium-szilikátokat, hidroxidokat és többértékű fémek sóit tartalmazzák . A víztisztításra leggyakrabban használt szervetlen természetes ioncserélők a zeolitok .
A zeolitok az alkáli- és alkáliföldfém elemek vizes alumínium-szilikátjainak csoportjába tartozó ásványok, amelyekre jellemző a háromdimenziós alumínium-szilikát-oxigén váz jelenléte, amely üreg- és csatornarendszereket alkot, amelyekben alkáli-, alkáliföldfém-kationok és vízmolekulák találhatók. található. A zeolit üregeinek és csatornáinak rendszerének teljes térfogata a zeolitváz térfogatának legfeljebb 50%-a. A kationok és vízmolekulák gyengén kötődnek a vázhoz, és részben vagy teljesen helyettesíthetők ioncserével és dehidratációval. A zeolitok ioncserélő tulajdonságait az ionok kémiai affinitásának jellemzői és a zeolit kristályszerkezete határozzák meg. Ebben az esetben a zeolitváz és a helyettesítő ionok bemeneti nyílásainak méretét össze kell hangolni, mivel a zeolitváz merev kristályszerkezetű, és a szerves gyantákkal ellentétben nem tud megduzzadni térfogatváltozással.
A zeolitok ioncseréje lehetővé teszi az ionok izolálását, amelyek más módszerekkel történő kinyerése gyakran nagyon nehézkes. Megállapították a zeolitok azon képességét, hogy adszorbeálják a radioaktív céziumionokat oldatokból, eltávolítják az NH 4 + -ot , kivonják a réz-, ólom-, cink-, cd-, ba-, co-, Ag- és egyéb fémek ionjait, valamint tisztítják a földgázokat. Az ionozitikus hatás lehetővé teszi a nitrogéngőzök, CO 2 , SO 2 , H 2 S, Cl 2 , NH 3 gáz- és folyadékrendszerekből történő adszorbeálását . Ezenkívül a zeolitok felhasználhatók az oldott vas, a mangán és a keménység eltávolítására.
A szerves gyantákkal ellentétben a zeolitoknak számos jellemzője van. Így a kezelt víz teljes mineralizációja legalább 80 mg/l legyen, mivel alacsonyabb sótartalomnál a zeolit alumínium-szilikát váza feloldódik. Ha a kezelt víz pH-ja 6 alatt van, a kristályrács tönkremenetelének valószínűsége is megnő.
A zeolitok dinamikus cserekapacitása alacsonyabb, mint a szerves gyanták dinamikus cserekapacitása azonos körülmények között, ami a zeolitok lassabb kicserélődési kinetikájával jár együtt. A víz maradványkeménysége zeolitok után körülbelül 0,3 mekv/l, míg szerves gyanták után nem több, mint 0,1 mekv/l.
Az ionitokat a víz keménységének csökkentésére használják azáltal, hogy az azt okozó kalcium- és magnéziumionokat másokkal, például nátriummal helyettesítik . Víz sótalanítására is használják , miközben a kationokat és az anionokat is eltávolítják a víz egymás utáni áthaladásával a kationcserélőn és az anioncserélőn. Az élelmiszeriparban ioncserélőket használnak a cukorrépalé tisztítására a szennyeződésektől a cukorgyártás során, és élesztő , glükóz és zselatin előállítására használják . A kationcserélőket a gyógyászatban a vér tárolási idejének növelésére használják azáltal, hogy a benne lévő kalciumionokat nátriumionokkal helyettesítik. Az ioncserélőket széles körben használják antibiotikumok izolálására az oldatokból a gyártás során. Ioncserélők segítségével ritka és nyomelemeket vonnak ki a polifémes ércekből . A mezőgazdaságban ioncserélőket használnak a növényekhez szükséges elemek szállítására [1] .