Wymiana Jonowa

Wymieniacze jonowe to substancje wielkocząsteczkowe
o strukturze przestrzennej usieciowanej, nierozpuszczalne
w wodzie i w innych rozpuszczalnikach.

Wymieniacze jonowe wymieniają z roztworu dodatnio lub
ujemnie naładowane jony na równoważne ilości jonów
wchodzących w skład jonitów.

Ze względu na rodzaj wymienianych jonów, jonity dzieli

się:

• kationity (K

t

) o charakterze kwasów lub ich soli,

wymieniające kationy

• anionity( A

n)

o charakterze zasad lub ich soli

wymieniające aniony

• jonity amfoteryczne posiadające grupy funkcyjne, które

w zależności od odczynu mogą się zachowywać jak
grupy kwasowe lub zasadowe

Jonity składają się z obojętnej makrocząsteczki oraz grup
jonoczynnych (funkcyjnych) zawierających jony ruchliwe
zdolne do dysocjacji elektrolitycznej.
W praktyce stosowane są naturalne i syntetyczne
wymieniacze organiczne.

Do naturalnych należą np. produkty chemicznej przeróbki
węgla, tzw. węgle sulfonowane,

Syntetyczne nazywane są żywicami jonowymiennymi.
Wielkocząsteczkowy szkielet otrzymuje się w reakcjach
polikondensacji lub polimeryzacji monomerów

polifunkcyjnych.

Do szkieletu wielkocząsteczkowego wprowadza się grupy
jonogenne zdolne do elektrolitycznej dysocjacji.

Istnieje wiele metod syntezy jonowymiennych polimerów
w tym:

• polimeryzacja monomerów zawierających grupy

czynne (jonity otrzymane przez polikondensację),

• wprowadzenie grupy czynnych do otrzymanych

polimerów (jonity otrzymane przez polimeryzację
addytywną).

W przypadku kationitów wbudowywane są następujące

grupy funkcyjne:–SO

3-

, –COOH

-,

–O

-

,

–PO

32-

, –PO

3

H

-

,

W przypadku anionitów : –NH

3+

, =NH

2+

, =S

+

.

Podział jonitów ze względu na stopień dysocjacji grup

funkcyjnych:

• kationity obojętne lub słabokwaśne (K

ts

), wymieniają

kationy pochodzące z soli słabych kwasów są
efektywne
w środowisku słabokwaśnym lub obojętnym

• kationity silnie kwaśne (K

tm

), zdolne są do wymiany

wszystkich kationów

Anionity dzielą się na:

• słabozasadowe wymieniają aniony mocnych

kwasów, nie reagują z solami obojętnymi. Stosowane są
po silnie kwaśnych kationitach pracujących w cyklu
wodorowym.

• anionity silnie zasadowe zdolne do wymiany anionów

słabych kwasów.

Ze względu na rodzaj ruchliwego jonu kationity dzieli się:
• na kationity pracujące w cyklu sodowym K

t

Na,

• kationity pracujące wodorowym K

t

H,

• zarówno w sodowym jak i wodorowym K

t

Na/ H.

Ze względu na rodzaj ruchliwego jonu anionu anionity

dzieli się na:

• anionity pracujące w cyklu wodorotlenowy A

n

OH,

• anionity pracujące chlorkowym A

n

Cl,

• Anionity wodorotlenowo, chlorkowym A

n

OH/Cl.

Proces wymiany jonowej polega na wymianie jonów

związanych z wymieniaczem na jony znajdujące się

w roztworze otaczającym jonit elektrolitu.

Reakcja wymiany zachodzi stechiometrycznie tzn., że

pewna

liczba jonów z jonitu przejdzie do roztworu to ściśle

równoważna liczba jonów drugiego rodzaju zostaje związana

na jonicie.

Proces wymiany zachodzi następująco:

K

t

-H

+

+ B

+

+ X

-

<----->K

t

B

+

+ H

+

+X

-

(1)

K

t

, A

n

wielkocząsteczkowy szkielet jonitu

H

+

, B

+

kationy, X

-

aniony

A

n

-OH

-

+ B

+

+X

-

<----->A

n

X

-

+ OH

-

+ B

+

(2)

Reakcje noszą nazwę sorpcji lub wymiany jonowej, celem

ich jest usunięcie z roztworu elektrolitu kationu lub anionu

i sorbowanie ich na jonicie.

Teoretycznie wymiana jonowa zachodzi aż liczba czynnych

grup kationowych i anionowych jonitu zostanie

przeprowadzona w formę K

t

B

+

lub A

n

X

-

.

W zależności od stężenia jonów w roztworze i w jonicie,

reakcja wymiany może przebiegać w kierunku wymiany lub

w kierunku regeneracji.

Właściwości jonitów

Kationity jak i anionity są to:

substancje wielkocząsteczkowe o strukturze przestrzennej

usieciowanej.

Całkowita nierozpuszczalność jonitów jest warunkiem istotny

ze względów technicznych jak i użytkowych.

Wielkocząsteczkowy szkielet z wbudowanymi są grupami

jonogennymi, musi mieć strukturę umożliwiającą dyfuzję

jonów z otaczającego roztworu do wnętrza jonitu, jak i

dyfuzję

wymienianego jonu z wnętrza jonitu do otaczającego jonit

Roztworu.

Struktura jonitu powinna być porowata i przepuszczalna
zarówno dla cząsteczek roztworu jak i niewielkich jonów.
Warunek ten jest jednoznaczny z rozwinięciem wewnętrznej
powierzchni jonitu, na której zachodzi wymiana jonowa.

Woda dyfunduje do wnętrza jonitu powoduje hydratację
zarówno utrwalonych nieruchomych makrojonów jak i

jonów

ruchliwych. Prowadzi to do pęcznienia jonitu. Pęcznienie

jest

tym większe im większa jest liczba grup jonowymiennych.

Szkielet jonitu powinien być rozciągliwy i elastyczny
wówczas jonit silnie pęcznieje.
W napęczniałbym jonicie odległości między elementami
strukturalnymi sieci przestrzennej zostają powiększone,
zwiększa się średnica porów.

Jonity nie pęczniejące lub pęczniejące w niewielkim

stopniu

są małowartościowe ze względu na utrudnioną dyfuzję
i powolność wymiany jonowej.
Pęcznienie jonitu powoduje zmniejszenie

wytrzymałości

mechanicznej ziaren jonitu.
Pęcznienie powoduje:

• rozluźnienie struktury i powiększenie odległości

pomiędzy elementami struktury,

• następuje osłabienie sił Van der Waalsa,

powodujących wewnętrzną spójność struktury
szkieletu,

• zmniejsza się selektywność jonitu,
Selektywność czyli wybiórcza wymiana danego

przeciw- jonu w obecności innych przeciw- jonów.

Jony z roztworu sorbowane są przez jonit selektywnie
w zależności od rodzaju i budowy jonitu oraz wielkości
ładunku, promienia i stopnia uwodnienia jonów.
Sorpcja jonów charakteryzujących się tym samym
ładunkiem wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy
uwodnionego jonu.
Dla silnych kationitów szereg powinowactwa jonów jest
następujący:
Li

+

<H

+

<K

+

<NH4

+

<Ag

+

<Mn

+2

< Cu

+2

<Ca

+2

,

każdy następny kation wymieniamy jest silniej niż
poprzedni.
Dla kationitów słabokwaśnych karboksylowych szereg

jest

następujący:
Na

+

<Mg

+2

<Ca

+2

<H

+

selektywność silnie zasadowych anionitów:
OH

-

<F

-

<HCO

3-

<Cl

-

<NO

2-

<CN

-

<Br

-

<NO

3-

<HSO

4-

<SO

4-2

selektywność słabo zasadowych jonitów:

HCO

3-

<F

-

<J

-

<NO

3-

<H

2

PO

4-

<HSO

4-

<OH

-

przy szczególnym powinowactwie do jonów OH

-

.

Zdolność wymienna jest miarą ilości grup jonogennych

zawartych w jonicie.

Zdolność wymienna całkowita, odpowiada zawartości

grup

jonogenych przypadających na jednostkę masy val/g lub

val/dm

3

jonitu całkowicie spęcznianego w wodzie.

Zdolność wymienna robocza jonitu powinna być

wyznaczana dla aktualnych warunków procesu i zależy od

geometrii aparatury, wielkości przepływu, odczynu,

stężenia

jonów, rodzaju jonitu, wielkości ziarna.

Ilość usuwanych jonów przez jonit do momentu przebicia

określa się jako roboczą pojemność kolumny jonitowej.

Pojemność robocza jest wielkością zmienną zależną od

warunków pracy kolumny, zazwyczaj przyjmuje się, że

wynosi od 60-80% zdolności całkowitej.

Cykl pracy wymieniaczy jonowych składa się z:

• czasu pracy użytecznej jonitu (wymiana jonowa),

• regeneracji złożą, która wymaga:

- spulchniania,

- regeneracji właściwej,

- płukania.

Długość czasu użytecznej pracy jonitu zależy od zdolności

roboczej wymiennej jonitu, prędkości filtracji w granicach

20-60 m/h.

Proces wymiany zachodzi do osiągnięcia założonego

stężenia wymiennego jonu w wodzie.

Spulchnianie czyli płukanie złoża w przeciwprądzie w celu

rozluźnienia, usunięcia zanieczyszczeń mechanicznych,

zbyt rozdrobnionych ziaren, pęcherzyków gazów.

Ekspansja podczas spulchniania wynosi od 30-100%

Do uzdatniania wody za pomocą jonitów stosuje się
najczęściej metody kolumnowe.

Rozróżnia się następujące metody uzdatniania wody:

• zmiękczanie,

• odsalanie,

• demineralizację,

• dejonizację,

• usuwanie metali ciężkich,

• tlenu,

• odżelazianie i odmanganianie.

Zmiękczanie wody polega na wymianie Ca

+2

i Mg

+2

na jony

wymieniacza jonowego- kationitu.

Proces zmiękczania można prowadzić w cyklu sodowym
na kationicie silnie kwaśnym regenerowanym roztworem
chlorku sodowego 8-10%.

Jeśli do zmiękczania stosuje się silnie kwaśny lub
słabokwaśny kationit oba w formie sodowej to ilość soli
zawartych w wodzie nie zmienia się jest taka sama jak
w wodzie surowej następuje jedynie przejście węglanów
i wodorowęglanów wapnia i magnezu w sole sodowe,
co zapobiega wytrącaniu się kamienia kotłowego.

Woda zmiękczana w układzie sodowym nie może być
stosowana do zasilania kotłów, ze względu na

zachodzącą

podczas ogrzewania reakcję:

NaHCO

3

--> NaOH +CO

2

(NAOH powoduje korozję)

Często zmiękczana woda ma dużą twardość

węglanową.

Ten typ wody wymaga kationitu w formie wodorowej
podczas wymiany powstaje słaby kwas węglowy,

łatwo

rozkładający się z wydzieleniem CO

2

, który może być

mechanicznie odpędzony, co zmniejsza stopień

mineralizacji

wody.

Stosuje się zmiękczanie z dekarbonizacją w układzie

dwu

kolumnowym szeregowym lub równoległym.

W obu przypadkach pierwsza kolumna regenerowana

jest

kwasem

Możliwy jest wariant jednokolumnowy przy

zastosowaniu

mieszanego czynnika do regeneracji w kolejności

podawania

kwas, solanka w stosunkach stechiometrycznych
odpowiadających stosunkowi twardości węglanowej
nie węglanowej.

Odsalanie wody polega na usunięciu z wody

kationów i

anionów w wyniku procesu wymiany jonowej

prowadzonej

najpierw na kationicie silnie kwaśnym w formie

wodorowej,

a następnie przez złoże anionitu w formie

wodorotlenowej.

W zależności od sposobu prowadzenia procesu

rozróżnia

się dwie metody odsalania:

• demineralizację- usuwane są wszystkie jony

oprócz jonów kwasu krzemowego i węglowego,

• dejonizację podczas, której usuwane są wszystkie

jony.

Procesy demineralizacji prowadzone są w różnych

układach

w zależności od:
• zawartości w wodzie SiO

2

,

• kwasu węglowego,

• stosunku twardości węglanowej do ogólnej.

Układ do demineralizacji składa się z 2 kolumn

połączonych

szeregowo i wypełnionych silnie kwaśnym kationitem w

formie

wodorowej i słabozasadowym anionitem w formie

zasadowej.

Układ może być uzupełniony desorberem CO

2

kolumną

buforową słabokwaśnym kationitem, odczyn wody wynosi
około 7 pH

Gdy woda ma znaczną twardość węglanową
celowe jest dodanie przed kationitem silnie kwaśnym
kationitu słabokwaśnego karboksylowego w formie
wodorowej. Usuwa się w ten sposób kationy
dwuwartościowe i ewentualne trójwartościowe.

Kolumna z kationitem silnie kwaśnym sorbuje tylko

jony

jednowartościowe i jest to bardziej efektywne.

Kolumna anionitowa pozostaje niezmieniona, a

odczyn

wody zależy od zawartości CO

2

lub jak w poprzednim

układzie usuwany jest przez odgazowanie i

buforowanie.

Układ do dejonizacji wody składa się z dwóch

połączonych

szeregowo jonitów:

• pierwsza kolumna wypełniona jest jonitem silnie

kwaśnym w formie wodorowej,

• druga silnie zasadowym anionitem w formie

wodorotlenowej.

W celu odciążenia anionitu silnie zasadowego od sorbcji
anionów silnych kwasów, włącza się kolumnę

wypełnioną

anionitem słabozasadowym, wówczas anionit

silniezasadowy

służy do usuwania jonów krzemowych, po uprzednim
odgazowaniu CO

2

.

W wyniku wymiany jonowej uzyskuje się wodę o
przewodniości 1scm

-1

przy niedostatecznej

stałości

odczynu około 7 pH.

W celu poprawienia jakości wody i uzyskania

odczynu

dokładnie obojętnego stosuje się kolumnę ze złożem
mieszanym. Możliwe jest stosowanie takiej kolumny
samodzielnie i prowadzenie w niej demineralizacji.
Sposób jest jednak nieekonomiczny. Kolumna jest
obciążona całkowita ilością jonów zawartych w

wodzie,

a jej wydajność między regeneracyjna jest krótka.

W kolumnie stosuje się zwykle mieszaninę:
kationitu silnie kwaśnego i anionitu silnie

zasadowego,

przy czym pojemności wymienne złóż są na ogół

równe.

Po wyczerpaniu się zdolności wymiennej złoża ,

jonity

oddziela się hydraulicznie od siebie i poddaje się
regeneracji i myciu.
Po czym jonity ponownie się miesza. Jonity powinny

różnić

się gęstością i wielkością ziaren.

Usuwanie żelaza, przeprowadza się gdy żelazo

znajduje

się w wodzie w formie jonowej, na kationicie silnie

kwaśnym

w formie wodorowej w celu zobojętnienia wody

stosuje się

kationit w formie sodowej

Usuwanie amoniaku następuje na silnie kwaśnych
kationitach, konieczna jest neutralizacja wody na

kationicie

sodowym