Ионный обмен

Ионный обмен — это обратимый обмен одного вида ионов, присутствующих в нерастворимом твердом веществе, на другой вид ионов того же заряда, присутствующий в растворе, окружающем твердое вещество. Ионный обмен используется при умягчении или деминерализации воды, очистке химикатов и разделении веществ.

Ионным обменом обычно называют процесс очистки водных растворов с использованием твердой полимерной ионообменной смолы . Точнее, этот термин охватывает большое разнообразие процессов, в которых происходит обмен ионов между двумя электролитами . ^{[ 1 ]} Помимо использования для очистки питьевой воды, этот метод широко применяется для очистки и разделения различных промышленных и медицинских химикатов. Хотя этот термин обычно относится к применению синтетических (искусственных) смол, он может включать в себя многие другие материалы, такие как почва.

Типичными ионообменниками являются ионообменные смолы (функционализированный пористый или гелеобразный полимер), цеолиты , монтмориллонит , глины , почвенный перегной . Ионообменники — это либо катиониты , которые обменивают положительно заряженные ионы ( катионы ), либо аниониты , которые обменивают отрицательно заряженные ионы ( анионы ). Существуют также амфотерные обменники , способные обменивать как катионы, так и анионы одновременно. Однако одновременный обмен катионов и анионов часто осуществляют в смешанных слоях , содержащих смесь анионо- и катионообменных смол, или пропуская раствор через несколько различных ионообменных материалов.

Ионообменник. Это устройство заполнено ионообменной смолой.

Ионообменники могут иметь предпочтения связывания определенных ионов или классов ионов, в зависимости от физических свойств и химической структуры как ионита, так и иона. Это может зависеть от размера, заряда или структуры ионов. Типичными примерами ионов, которые могут связываться с ионообменниками, являются:

ЧАС ⁺ ( протон ) и ОН ⁻ ( гидроксид ).
Однозарядные одноатомные (т. е. одновалентные) ионы, такие как Na . ⁺, К ⁺и Cl ⁻.
Двухзарядные одноатомные (т.е. двухвалентные) ионы, такие как Ca. ²⁺ и мг ²⁺.
Многоатомные неорганические ионы, такие как SO ²⁻
₄ и ПО ³⁻
₄.
Органические основания , обычно молекулы , содержащие функциональную аминную группу −NR ₂ H. ⁺.
Органические кислоты , часто молекулы, содержащие −COO. ⁻ ( карбоновая кислота ) функциональные группы.
Биомолекулы , которые можно ионизировать: аминокислоты , пептиды , белки и т. д.

Наряду с абсорбцией и адсорбцией , формой сорбции является ионный обмен .

Ионный обмен является обратимым процессом , и ионообменник можно регенерировать или наполнить желаемыми ионами путем промывки избытком этих ионов.

Типы

Катионный обмен

CM (карбоксиметильная группа, слабый катионообменник)
SP (сульфопропильная группа, сильный катионообменник)

Анионный обмен

Ионообменные смолы

Ионообменные смолы представляют собой физическую среду, которая облегчает реакции ионного обмена. Смола состоит из сшитых органических полимеров, обычно полистироловой матрицы и функциональных групп, в которых происходит процесс ионного обмена.

Катионообменные смолы

Сильнокислотные катионитные смолы (SAC): состоят из полистироловой матрицы с сульфонатом (SO ₃^-) функциональная группа. Используется в процессах умягчения или деминерализации.
Слабокислотные катионитные смолы (WAC): состоят из акрилового полимера и функциональных групп карбоновой кислоты. Используется для избирательного удаления катионов, связанных с щелочностью.

Анионообменные смолы

Сильноосновные анионные смолы (SBA):
- Смолы SBA типа 1: имеют наибольшее сродство к слабым кислотам и обычно присутствуют в процессе деминерализации воды.
- Смолы SBA типа 3: более низкая химическая стабильность, чем у типа 1, но более высокая эффективность регенерации.
Слабоосновные анионные смолы (WBA): действуют как поглотители кислот; способны с высокой емкостью сорбировать сильные кислоты и легко регенерируются щелочью.

Хелатирующие смолы

Используется для обмена тяжелых металлов из растворов щелочноземельных и щелочных металлов.

Адсорбенты

Используется для удаления органических соединений.

Приложения

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, атомной энергетике, умягчении, промышленной очистке воды, производстве полупроводников, энергетике и т.д. многие другие отрасли. ^{[ нужна ссылка ]}

Типичный пример применения – подготовка воды высокой чистоты для энергетики , электронной и атомной промышленности; т.е. полимерные или неорганические нерастворимые ионообменники широко используются для умягчения воды , очистки воды , ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} воды обеззараживание 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 (таких как кальций Ca ²⁺ и магний Mg ²⁺) с хорошо растворимыми одновалентными катионами (например, Na ⁺ или Ч ⁺) (см. умягчение воды ). Еще одним применением ионного обмена при очистке бытовой воды является удаление нитратов и природных органических веществ . В бытовых системах фильтрации ионный обмен является одной из альтернатив умягчения воды в быту наряду с мембранами обратного осмоса (RO). По сравнению с мембранами обратного осмоса, ионный обмен требует повторяющейся регенерации, когда вода на входе жесткая (имеет высокое содержание минералов). ^{[ нужна ссылка ]}

промышленная и аналитическая ионообменная хроматография Еще одним направлением, о котором следует упомянуть, является . Ионообменная хроматография — хроматографический метод, широко используемый для химического анализа и разделения ионов. Например, в биохимии его широко используют для разделения заряженных молекул, таких как белки . Важной областью применения является экстракция и очистка биологически производимых 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 отделения лантаноидов , таких как лантан , церий , неодим , празеодим , европий и иттербий , друг от друга. Разделение неодима и празеодима было особенно трудным, и раньше считалось, что это всего лишь один элемент дидим , но это сплав этих двух элементов. ^{[ нужна ссылка ]}

Существует две серии редкоземельных металлов : лантаноиды и актиниды, оба семейства которых имеют очень схожие химические и физические свойства. Используя методы, разработанные Фрэнком Спеддингом в 1940-х годах, процессы ионного обмена раньше были единственным практическим способом разделения их в больших количествах, пока не были разработаны методы «экстракции растворителем», которые можно масштабировать в огромных масштабах.

Очень важным случаем ионного обмена является процесс экстракции плутония-урана ( ПУРЕКС ), который используется для отделения плутония (в основном ²³⁹
Pu ) и уран (в данном случае известный как переработанный уран ), содержащийся в отработавшем топливе из америция , кюрия , нептуния ( второстепенных актинидов ) и продуктов деления , поступающих из ядерных реакторов . Таким образом, отходы можно отделить и отправить на утилизацию. Далее, плутоний и уран доступны для производства материалов для ядерной энергетики, таких как новое реакторное топливо ( МОКС-топливо (на основе плутония) ) и ядерное оружие . Исторически некоторые продукты деления, такие как стронций-90 или цезий-137, также отделялись 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 атомной промышленности. Физически цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используемых при строительстве ядерных реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в стержнях управления реакторами . Так, ионный обмен используется при ядерной переработке и обращении с радиоактивными отходами .

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

Идеализированное изображение процесса умягчения воды, заключающегося в обмене ионов кальция в воде на ионы натрия из катионообменной смолы на эквивалентной основе.

Ионный обмен также можно использовать для устранения жесткости воды путем замены ионов кальция и магния на ионы натрия в ионообменной колонке. жидкофазное (водное) ионообменное опреснение . Продемонстрировано ^{[ 5 ]} В этом методе анионы и катионы в соленой воде заменяются на карбонат-анионы и катионы кальция соответственно с помощью электрофореза . Ионы кальция и карбоната затем реагируют 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 использования мембран или твердых ионообменников. Теоретическая энергетическая эффективность этого метода находится на одном уровне с электродиализом и обратным осмосом .

Другие приложения

В почвоведении — катионообменная емкость это ионообменная способность почвы для положительно заряженных ионов. Почвы можно рассматривать как естественные слабые катиониты.
При устранении загрязнений и геотехнической инженерии ионообменная способность определяет способность набухания набухающей или расширяющейся глины, такой как монтмориллонит , которую можно использовать для «захвата» загрязняющих веществ и заряженных ионов.
В производстве плоских волноводов ионный обмен используется для создания направляющего слоя с более высоким показателем преломления .
Деалкализация , удаление ионов щелочей с поверхности стекла .
Химически упрочненное стекло , полученное путем обмена K ⁺ для На ⁺ на поверхностях натриевого стекла с использованием расплавов KNO ₃ .

Преимущества и ограничения

Преимущества

Селективное удаление: ионообменные смолы могут быть разработаны для избирательного удаления определенных ионов из воды.
Высокая эффективность: процессы ионного обмена позволяют достичь высокой эффективности удаления целевых ионов.
Регенерируемость: ионообменные смолы можно регенерировать несколько раз, промывая их регенерирующим раствором, что продлевает срок их службы и снижает эксплуатационные расходы.
Универсальность: ионный обмен можно применять в различных целях очистки воды.
Стабильная производительность: ионообменные системы обеспечивают стабильную и предсказуемую производительность, обеспечивая надежную очистку воды с течением времени.
Масштабируемость: ионообменные системы можно легко масштабировать в зависимости от производительности и требований очистки.

Ограничения

Ограничения по удалению: Если целевые ионы присутствуют в сложных смесях или в низких концентрациях, может потребоваться дополнительная предварительная или последующая обработка.
Требования к регенерации: Регенерация ионообменных смол требует использования химикатов и приводит к образованию сточных вод, содержащих концентрированные загрязняющие вещества, что может потребовать соответствующих мер по обращению и утилизации.
Ограниченная емкость: ионообменные смолы имеют ограниченную способность адсорбировать ионы, и после насыщения их необходимо регенерировать или заменять, что может ограничить их эффективность при обработке потоков высокой концентрации или большого объема.
Сложность: Ионообменные системы могут быть сложными в проектировании, эксплуатации и обслуживании и требуют специальных знаний и опыта.

Сточные воды, образующиеся при регенерации смолы

В большинстве ионообменных систем используются колонки с ионообменной смолой , работающие на циклической основе.

В процессе фильтрации вода протекает через столб смолы до тех пор, пока смола не будет считаться исчерпанной. Это происходит только тогда, когда вода, выходящая из колонки, содержит концентрацию удаляемых ионов, превышающую максимальную желаемую. Затем смолу регенерируют путем последовательной обратной промывки слоя смолы для удаления накопленных взвешенных частиц, промывки удаленных ионов из смолы концентрированным раствором замещающих ионов и промывания промывочного раствора со смолы. Производство обратной промывки, промывки и промывки сточных вод при 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 раствора хлорида натрия, необходимого для изменения равновесия ионообменных смол. Регенерация деионизирующей смолы серной кислотой и гидроксидом натрия имеет эффективность примерно 20–40%. Сточные воды регенерации нейтрализованного деионизатора содержат все удаленные ионы плюс в 2,5–5 раз превышающую их эквивалентную концентрацию концентрацию сульфата натрия, . ^{[ 8 ]}

См. также

Ссылки

^ Дардель, Франсуа; Арден, Томас В. (2008). «Ионообменники». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_393.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
^ Ибрагим, Язан; Наддео, Винченцо; Банат, Фаузи; Хасан, Шади В. (1 ноября 2020 г.). «Получение новых ионообменных смешанных матричных мембран из поливинилиденфторида (ПВДФ)-оксида олова(IV) (SnO ₂ ) для удаления тяжелых металлов из водных растворов». Технология разделения и очистки . 250 : 117250. doi : 10.1016/j.seppur.2020.117250 . S2CID 224880249 .
^ Ибрагим, Язан; Абдулкарем, Эльхам; Наддео, Винченцо; Банат, Фаузи; Хасан, Шади В. (ноябрь 2019 г.). «Синтез супергидрофильной целлюлозно-альфа-цирконий-фосфатной ионообменной мембраны путем нанесения поверхностного покрытия для удаления тяжелых металлов из сточных вод». Наука об общей окружающей среде . 690 : 167–180. Бибкод : 2019ScTEn.690..167I . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.009 . ПМИД 31288108 . S2CID 195870880 .
^ Мишиссин, Стивен Г. (7 февраля 2012 г.). «Университет Рочестера - Исследование отказов линии отбора паровой турбины» (PDF) . Арлингтон, Вирджиния. стр. 25–26. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 23 февраля 2015 г.
^ Школьников Виктор; Бахга, Супреет С.; Сантьяго, Хуан Г. (28 августа 2012 г.). «Опреснение и производство водорода, хлора и гидроксида натрия посредством электрофоретического ионного обмена и осаждения» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . 14 (32). Физ. хим. Химическая физика: 11534–45. Бибкод : 2012PCCP...1411534S . дои : 10.1039/c2cp42121f . ПМИД 22806549 . Архивировано из оригинала (PDF) 8 декабря 2021 года . Проверено 9 июля 2013 г.
^ Кеммер, стр. 12–17, 12–25.
^ Betz Laboratories Inc. (1980). Справочник Betz по промышленной водоподготовке – 8-е издание . Бетц. п. 52 . Архивировано из оригинала 20 июня 2012 г.
^ Кеммер, стр. 12–18.

Дополнительная информация

Лаборатории Бетца (1976). Справочник по промышленной водоподготовке (7-е изд.). Лаборатории Бетц.
Ионообменники (К. Дорфнер, ред.), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
К. Э. Харланд, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
Фридрих Г. Хельферих (1962). Ионный обмен . Публикации Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1 .
Кеммер, Фрэнк Н. (1979). Справочник NALCO по водным ресурсам . МакГроу-Хилл.
Ion exchange (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
А.А. Загородний, Ионообменные материалы: свойства и применение , Elsevier, Амстердам, 2006.
СенГупта, Аруп К. (2017). Ионный обмен в экологических процессах: основы, применение и устойчивые технологии . Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-1-119-42125-2 . OCLC 1001290476 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
Доктор И. и Лукман М. (2012). Технология ионного обмена I: теория и материалы. Спрингер Нидерланды.
Харланд, CE (1994). Ионный обмен: теория и практика (2-е изд.) . Королевское химическое общество.

Внешние ссылки

[Ullmann-1] Дардель, Франсуа; Арден, Томас В. (2008). «Ионообменники». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a14_393.pub2 . ISBN 978-3527306732 .

[2] Ибрагим, Язан; Наддео, Винченцо; Банат, Фаузи; Хасан, Шади В. (1 ноября 2020 г.). «Получение новых ионообменных смешанных матричных мембран из поливинилиденфторида (ПВДФ)-оксида олова(IV) (SnO ₂ ) для удаления тяжелых металлов из водных растворов». Технология разделения и очистки . 250 : 117250. doi : 10.1016/j.seppur.2020.117250 . S2CID 224880249 .

[3] Ибрагим, Язан; Абдулкарем, Эльхам; Наддео, Винченцо; Банат, Фаузи; Хасан, Шади В. (ноябрь 2019 г.). «Синтез супергидрофильной целлюлозно-альфа-цирконий-фосфатной ионообменной мембраны путем нанесения поверхностного покрытия для удаления тяжелых металлов из сточных вод». Наука об общей окружающей среде . 690 : 167–180. Бибкод : 2019ScTEn.690..167I . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.009 . ПМИД 31288108 . S2CID 195870880 .

[4] Мишиссин, Стивен Г. (7 февраля 2012 г.). «Университет Рочестера - Исследование отказов линии отбора паровой турбины» (PDF) . Арлингтон, Вирджиния. стр. 25–26. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 23 февраля 2015 г.

[5] Школьников Виктор; Бахга, Супреет С.; Сантьяго, Хуан Г. (28 августа 2012 г.). «Опреснение и производство водорода, хлора и гидроксида натрия посредством электрофоретического ионного обмена и осаждения» (PDF) . Физическая химия Химическая физика . 14 (32). Физ. хим. Химическая физика: 11534–45. Бибкод : 2012PCCP...1411534S . дои : 10.1039/c2cp42121f . ПМИД 22806549 . Архивировано из оригинала (PDF) 8 декабря 2021 года . Проверено 9 июля 2013 г.

[6] Кеммер, стр. 12–17, 12–25.

[Betz_1980_p.52-7] Betz Laboratories Inc. (1980). Справочник Betz по промышленной водоподготовке – 8-е издание . Бетц. п. 52 . Архивировано из оригинала 20 июня 2012 г.

[8] Кеммер, стр. 12–18.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

v т и Сточные воды
Источники и виды	Кислотный дренаж шахт Балластная вода Ванная комната Блэкуотер (уголь) Блэкуотер (отходы) Продувка котла Рассол Комбинированная канализация Градирня Охлаждающая вода Фекальный осадок серая вода Проникновение/приток Промышленные сточные воды Ионный обмен Фильтрат Навоз Производство бумаги Пластовая вода Обратный поток Обратный осмос Сантехническая канализация Септаж Сточные воды Осадок сточных вод Туалет Городской сток
Показатели качества	Адсорбируемые органические галогениды Биохимическая потребность в кислороде Химическая потребность в кислороде Колиформный индекс Насыщение кислородом Тяжелые металлы рН Соленость Температура Общее количество растворенных твердых веществ Всего взвешенных веществ Мутность Надзор за сточными водами
Варианты лечения	Активный ил Газированная лагуна Очистка сельскохозяйственных сточных вод Сепаратор нефти и воды API Угольная фильтрация Хлорирование Осветлитель Построенные водно-болотные угодья Децентрализованная система сточных вод Расширенная аэрация Факультативная лагуна Управление фекальным осадком Фильтрация Танк Имхоффа Очистка промышленных сточных вод Ионный обмен Мембранный биореактор Обратный осмос Вращающийся биологический контактор Вторичное лечение Седиментация Септик Отстойник Очистка осадка сточных вод Очистка сточных вод Канализационная добыча Стабилизационный пруд Капельный фильтр Ультрафиолетовое бактерицидное облучение УАСБ Вермифильтр Станция очистки сточных вод
Варианты утилизации	Комбинированная канализация Испарительный пруд Пополнение подземных вод Инфильтрационный бассейн Нагнетательная скважина Орошение Морской сброс Морской водосток Восстановленная вода Сантехническая канализация Поле септика Канализационная ферма Ливневая канализация Поверхностный сток Вакуумная канализация
Категория: Канализация