Co to jest wymiana jonowa?
Wymiana jonowa jest procesem chemicznym, w którym jony są wymieniane między dwoma roztworami elektrolitu lub między roztworem elektrolitu a stałą strukturą matrycy znaną jako polimer jonowymienny. Gdy roztwór elektrolitu reaguje z polimerem lub żywicą, jony z roztworu są uwięzione i przymocowane do stałego podłoża, które z kolei uwalnia różne jony o tym samym ładunku. Wymiana kationowa zachodzi, gdy wymieniane są dodatnio naładowane cząstki, podczas gdy wymiana anionowa zachodzi, gdy wymieniane są ujemnie naładowane cząstki.
Wymiana jonów może zachodzić w warunkach naturalnych przez minerały glinokrzemianowe znane jako zeolity, które znajdują się w glinie. Poziom wymiany kationów zachodzących w glebie można wykorzystać jako wskaźnik zdolności gleby do zatrzymywania składników odżywczych. Jest to również ważny czynnik w określaniu czystości wód podziemnych.
W warunkach przemysłowych wymiana jonowa odbywa się za pomocą syntetycznych polimerów organicznych. Polimer jonowymienny może być wytwarzany w celu specyficznego odfiltrowywania niektórych jonów z roztworu. Istnieją cztery główne typy polimerów jonowymiennych, które mają różne powinowactwa jonowe i właściwości chemiczne: mocne żywice anionowe o słabej bazie, słabe żywice anionowe, mocne kwasowe żywice kationowe i słabe kwasowe żywice kationowe.
Oprócz tych czterech grup istnieją inne rodzaje żywic jonowymiennych. Żywice chelatujące są ważne w filtrowaniu toksycznych kationów metali ciężkich, takich jak ołów i rtęć. Żywice te stosuje się w oczyszczaniu ścieków i wód gruntowych.
Silne żywice kwasowe można stosować do usuwania kationów wapnia i magnezu z wody w procesie znanym jako zmiękczanie wody. Jony wapnia i magnezu z roztworu są wymieniane na jony sodu lub wodoru z żywicy. Produkty gospodarstwa domowego, takie jak detergenty do prania, wykorzystują zeolity do zmiękczania wody, aby zapobiec interferencji jonów wapnia i magnezu z czyszczącym działaniem mydła.
Dejonizacja wody jest kolejnym powszechnym zastosowaniem wymiany jonowej. Podczas dejonizacji sole mineralne, takie jak sód i wapń, są usuwane z wody i zastępowane kationami wodoru lub anionami wodorotlenkowymi, w zależności od rodzaju zastosowanej żywicy. W wyniku tego procesu powstaje oczyszczona postać wody porównywalna z wodą destylowaną, co jest przydatne w procesach laboratoryjnych i przemysłowych, w których wymagana jest wysoka czystość wody.
Przemysłowe reakcje wymiany jonowej zwykle przeprowadza się za pomocą kolumn. Naczynia te zawierają złoże żywicy, które utrzymuje żywicę jonowymienną podczas przepuszczania przez nią roztworu. Przepływ może być kontrolowany przez zawory i oprzyrządowanie przymocowane do kolumny. Gdy roztwór przepływa przez żywicę, wymiana jonowa zachodzi, aż wszystkie miejsca wiązania w żywicy zostaną wypełnione, tworząc oczyszczony roztwór.