Vad är en jonbyte?

Ett jonbyte är en kemisk process där joner byts ut mellan två elektrolytlösningar eller mellan en elektrolytlösning och en fast matrisstruktur känd som en jonbytespolymer. När elektrolytlösningen reagerar med polymeren eller hartset, fångas joner från lösningen och fästas till det fasta underlaget, vilket i sin tur frigör olika joner med samma laddning. Katjonbyte uppstår när positivt laddade partiklar byts ut, medan anjonbyte uppstår när negativt laddade partiklar byts ut.

Ionbyte kan förekomma i naturliga miljöer genom aluminiumsilikatmineraler som kallas zeoliter, som finns i lera. Nivån på katjonutbyte som sker i jord kan användas som en indikator på jordens förmåga att behålla näringsämnen. Det är också en viktig faktor för att fastställa grundvattnets renhet.

I industriella miljöer sker jonbyte genom användning av syntetiska organiska polymerer. En jonbytespolymer kan tillverkas för att specifikt filtrera bort vissa joner från en lösning. Det finns fyra huvudtyper av jonbytarpolymerer som har olika jonaffiniteter och kemiska egenskaper: starka anjonhartser, svaga basanjonhartser, starka syra-katjonhartser och svaga syrakationhartser.

Förutom dessa fyra grupper, finns andra typer av jonbyteshartser. Kelaterande hartser är viktiga för att filtrera ut giftiga tungmetallkatjoner, såsom bly och kvicksilver. Dessa hartser används vid avloppsvatten och grundvattenbehandling.

Starka syrahartser kan användas för att ta bort kalcium- och magnesiumkatjoner från vatten i en process som kallas vattenmjukgöring. Kalcium- och magnesiumjonerna från lösningen byts mot natrium- eller vätejoner från hartset. Hushållsprodukter, såsom tvättmedel, använder zeoliter för att mjukgöra vatten för att förhindra störning av kalcium- och magnesiumjoner med tvålens rengöringsverkan.

Avjonisering av vatten är en annan vanlig tillämpning av jonbyte. Vid avjonisering avlägsnas mineralsalter såsom natrium och kalcium från vatten och ersätts med vätekatjoner eller hydroxidanjoner, beroende på vilken typ av harts som används. Denna process producerar en ren form av vatten som kan jämföras med destillerat vatten, vilket är användbart i laboratorie- och industriella processer där hög renhet av vatten krävs.

Industriella jonbytarreaktioner utförs vanligtvis med hjälp av kolumner. Dessa kärl innehåller en hartsbädd som håller jonbyteshartset medan lösningen passeras genom den. Flödet kan styras med ventiler och instrumentering fäst vid kolonnen. När lösningen passeras genom hartset sker jonbyte tills alla bindningsställen i hartset är fyllda, vilket ger en renad lösning.