1

WYMIANA

WYMIANA

JONOWA

JONOWA

1. Jonity i proces wymiany

jonowej

2. Własności jonitów
3. Kinetyka wymiany jonowej
4. Zastosowanie wymiany

jonowej w ochronie
środowiska

2

WYMIANA JONOWA

Wymiana kationowa:

R – K

o

+ K

+

 R – K + K

o

+

R – szkielet kationitu,
K

o

– kation w kationicie, K

+

- kation w

roztworze

Wymiana jonowa jest procesem

odwracalnym i

stechiometrycznym

.

W praktyce rolę elektrolitu spełniają wody naturalne
lub ścieki podlegające oczyszczaniu.

Jonity – Wymieniacze jonowe

Ciało stałe zanurzone do elektrolitu pochłania
kationy

lub

aniony,

oddając

do

roztworu

równoważną ilość jonów o takim samym znaku.
Następuje wymiana jonów między jonitem a
roztworem elektrolitu.

Kationity

wymieniają kationy.

3

Kationity

są to polimery (polikwasy lub polisole) z

wbudowanymi grupami funkcyjnymi zdolnymi do
wymiany kationów z roztworu, które zobojętniają
ładunek grup funkcyjnych:

Polikwas: RX

-

H

+

; polisól: RX

-

B

+

;

Odwracalność oprocesu wymiany jonowej umożliwia

proces regeneracji jonitu

– procesy wymiany

jonowej prowadzone w kierunku przeciwnym.

Wymiana anionowa:

R – A

o

+ A

-

 R – A + A

o

-

R – szkielet anionitu,
A

o

– anion z anionitu, A

-

- anion w roztworze

Anionity

wymieniają aniony.

Jonity

to substancje wielkocząsteczkowe o

charakterze kwasów lub zasad, zdolne do wymiany
jonów.

4

- naturalne – glinokrzemiany, dolomit, torf, celuloza
- syntetyczne – polikwasy, aminy  na podłożu

polimerowym

Jonity nieorganiczne: przede wszystkim
glinokrzemiany: naturalne i syntetyczne:
Al

2

O

3

(SiO

2

)

x

(Na

2

O)

y

(H

2

O)

z

Kationity – podłoże polistyrenowe lub
fenoloformaldehydowe.
Grupy funkcyjne o ładunku ujemnym z
przeciwjonami w postaci jonu H

+

lub jonu metalu

alkalicznego, np.: Na

+

.

Jonity organiczne:

Biorąc pod uwagę stopień dysocjacji kationitu, mamy:

•Obojętne lub słabo-kwaśne:

słabo dysocjujące

grupy funkcyjne jak: fenolowa –OH, karboksylowa –
COOH, tiolowa –SH i inne.

•Silnie kwaśne:

silnie dysocjujące grupy funkcyjne

przede wszystkim sulfonowe –SO

3

H:

Anionity

ą to polizasady lub polisole z

wbudowanymi elektrododatnimi grupami
funkcyjnymi zdolnymi do wymiany anionów z
roztworu, które zobojętniają ładunek grup
funkcyjnych:

Polizasada: RY

+

OH

-

; polisól: RY

+

N

-

;

Jonity

5

Anionity są to najczęściej żywice amino-

formaldehydowe lub poliaminowe. Zawieraja grupy
funkcyjne o ładunku dodatnim i charakterze
zasadowym z przeciwjonami w postaci jonów:

OH

-

, Cl

-

, SO

4

-2

i inne.

Przyjęto dzielić anionity na:

•Słabo-zasadowe

: zawierające słabo dysocjujące

grupy funkcyjne: aminową I-rzędową –NH

2

i

amoniową –NH

3

OH. Wymieniają aniony mocnych

kwasów.

•Średnio-zasadowe

: grupy funkcyjne amin II- i III-

rzędowych:

i –N(CH

3

)

2

. Własności zasadowe

ma

wolna

para

elektronowa przy N

N

CH

3

H

•Silnie zasadowe

: aminy III-rzędowe i IV-rzędowe

sole amoniowe:

N(CH

3

)

2

OH

H

+

-N

+

(CH

3

)

3

OH

6

.

Własności

jonitów

Własności fizyczne:

1. Pęcznienie jonitu – dyfuzja wody do wnętrza

struktury

przestrzennej

jonitu.

Rośnie

ze

wzrostem liczby grup funkcyjnych. Pęcznienie
jonitu decyduje o ruchliwości jonów, a tym samym
o szybkości procesu wymiany jonowej.

2. Odporność mechaniczna i termiczna.

Własności chemiczne:

1. Zdolność wymienna jonitów – ilość moli

jonów wymieniona przez jednostkę masy lub
objętości jonitu. Decyduje o praktycznej
przydatności w procesie technologicznym.
Rośnie ze wzrostem liczby grup funkcyjnych.

2. Selektywność –zdolność jonitu do wybiórczej

wymiany jonu spośród innych jonów obecnych
w roztworze.

7

Od czego zależy selektywność procesu wymiany

Od czego zależy selektywność procesu wymiany

jonowej

jonowej?

właściwości jonitu

właściwości wymienianych jonów

wielkości ładunku elektrycznego

promienia jonu

stopienia uwodnienia

 pH roztworu
 stężenie roztworu

Na

+

< NH

4

+

< K

+

< Sr

2+

< Cs

+

< Mg

2+

< Ca

2+

< Cd

2+

< Co

2+

< Al

3+

< Fe

3+

OH

-

> SO

4

2-

> CrO

4

2-

> cytryniany > NO

3

-

>

PO

4

3-

> CH

3

COO

-

, I

-

, Br

-

> Cl

-

> F

-

Własności

jonitów

8

Współczynnik selektywności

Wymiana jonowa jest procesem odwracalnym i
selektywnym. W stanie równowagi, stosunek stężeń

przeciwjonów w roztworze

w fazie jonitu jest różny i

zmienny. Do opisu wymiany jonowej stosuje się teorię
równowagi.
Mamy reakcję wymiany jonowej na kationicie w
układzie

dwuskładnikowym

z

udziałem

jonów

(kationów)

różnowartościowych

mocnych

elektrolitów:

nR X

-

B

+

+ A

n+

 R (X

-

)

n

A

+

+ nB

+

Zgodnie z prawem działania mas stałą równowagi
(K

A/B

) opisuje zależność:

n

B

A

A

n

B

B

A

C

C

C

C

K

n

n

)

(

)

(

/

















n

A

C

)

(



B

C

;

- Stężenia równowagowe

jonów A i B w jonicie



n

A

C

)

(



B

C

;

- Stężenia równowagowe

jonów A i B w
roztworze

Równanie powyższe daje możliwość wyznaczenia
granicznej pojemności danego jonitu w stosunku do
jonu A z roztworu.

9

Współczynnik separacji i

podziału

Uprzywilejowanie przez wymieniacz jonowy jednego
z przeciwjonów wyraża się też za pomocą tzw.
współczynnika separacji podziału (

A/B

):















B

A

A

B

B

A

C

C

C

C

α

n

n

/

Jest to selektywność jonitu w stosunku do jednego z
przeciwjonów

obecnych

w

roztworze.

Nie

uwzględnia się współczynników stechiometrycznych
reakcji wymiany jonowej.

Parametrem charakteryzującym wymianę jonową jest
także współczynnik podziału (K

A

) przeciwjonów

między fazę jonitu i roztworu.







n

n

A

A

A

C

C

K

Kinetyka wymiany

jonowej

Proces wymiany jonowej obejmuje kilka
następujących po sobie stadiów:

1. Transport przeciwjonów z fazy objętościowej

roztworu do powierzchni granicznej ziarna
jonitu (warstwy granicznej),

2. Transport przeciwjonów wewnątrz ziaren

jonitu i na ich powierzchni do grup
jonoczynnych,

3. Reakcja wymiany podwójnej,
4. Transport jonów wypartych z grup

jonoczynnych od miejsc wymiany do
powierzchni ziaren jonitu (warstwy granicznej),

5. Transport wymienionych jonów z powierzchni

(warstwy granicznej) jonitu do fazy
objętościowej roztworu.

Procesy transportu we wszystkich tych stadiach maja
charakter dyfuzyjny.
Szybkość procesu wymiany jonowej limituje etap
najwolniejszy, jest nim transport dyfuzyjny w fazie
jonitu i w warstwie granicznej.

WYMIANA

JONOWA

Proces wymiany jonowej prowadzi

się jako:

1. proces statyczny, oraz
2. proces dynamiczny - w

kolumnie, prowadzi się w
praktyce przemysłowej.

W kolumnie strefa wymienna
przesuwa się ku dołowi w
trakcie procesu. Trzy strefy
wymiany: jonit wyczerpany
(A), jonit mieszany (B) i jonit
nie zużyty.
Punkt przebicia kolumny –
pojawienie się H

+

w wycieku.

Zdolność

wymienna

użytkowa – ilość moli jonów
wymieniona przez jednostkę
masy lub objętości jonitu do
momentu przebicia kolumny.

Kolumna

jonowymienn

a

o - jonit wyczerpany
+ - jonit w formie
wyjściowej

12

Cykl wymiany jonowej

Pełny cykl pracy wymienników jonowych składa się

z:



Czasu pracy użytecznej jonitu (wymiana jonowa)

do punktu przebicia;



Regeneracji złoża, która wymaga:

• spulchniania złoża,

• regeneracji właściwej,

• płukania złoża

Regeneracja właściwa – polega na przywróceniu
zużytemu

złożu

jonitu

pierwotnej

zdolności

wymiennej, a więc usunięciu z grup funkcyjnych
jonów przyłączonych w czasie wymiany jonowej i
wprowadzenie na ich miejsce odpowiednich jonów
ruchliwych. Uzyskuje się to przez przepuszczanie
roztworu zawierającego ten jon przez złoże jonitu.

13

Zastosowanie wymiany

jonowej

Jest to proces jednostkowy w inżynierii środowiska,
stosowany

w

uzdatnianiu

i

odnowie

wody,

odzyskiwania składników użytecznych ze ścieków
oraz oczyszczania gazów przemysłowych.

W procesach uzdatniania wody, jonity znajdują
zastosowanie do:



Zmiękczania i dekarbonizacji wody, tzn. usuwania
jonów wapnia i magnezu, ogólnie twardości
węglanowej i niewęglanowej.



Demineralizacji i odsalania, czyli usuwania
wszystkich jonów z wody,



Usuwania fosforanów i azotanów z wody.



Usuwania azotu amonowego,



Usuwania niektórych metali ciężkich.



Usuwania zanieczyszczeń organicznych.

Zastosowanie wymiany

jonowej

Wymiana jonowa jest często stosowanym procesem
jednostkowym

w

układach

technologicznych

odnowy wody

. Stosuje się przede wszystkim do

usuwania kationów lub/i anionów oraz innych
zanieczyszczeń

wymienionych

w

procesie

uzdatniania wody.

Na drodze wymiany jonowej możliwy jest

odzysk ze

ścieków przemysłowych

niektórych metali,

takich jak chrom, nikiel, złoto, srebro, platyna
(ścieki z procesów galwanotechnicznych).

Metody wymiany jonowej znajdują zastosowanie w
oczyszczaniu gazów odlotowych przemysłowych
zawierających ditlenek siarki, tlenki azotu, lotne
związki fluoru.

Proces wymiany jonowej występuje powszechnie w
przyrodzie, np. w skałach i glebach, które są
naturalnymi jonitami dla wód naturalnych. Dotyczy
to przede wszystkim glinokrzemianów, związków
humusowych i innych.

15

Zastosowanie wymiany

jonowej do zmiękczania

wody

Stosuje się następujące warianty wymiany

jonowej:

1. W cyklu wodorowym na kationitach słabo

kwaśnych – usuwanie twardości
węglanowej (HCO

3

-

),

2. W cyklu sodowym lub wodorowym na

kationitach silnie kwaśnych – usuwanie
twardości

węglanowej

(HCO

3

-

)

i

niewęglanowej,

3. W cyklu wodorowym i sodowym – usuwanie

twardości

węglanowej

(HCO

3

-

)

i

niewęglanowej,

16

Zastosowanie wymiany

jonowej do zmiękczania

wody

Ad.1. Kationity słabo kwaśne wymieniają kationy
związane z resztami słabych kwasów, a więc
rozkładają

wodorowęglany,

czyli

twardość

węglanową:

2KtH + Ca(HCO

3

)

2

 Kt

2

Ca + 2H

2

O +

2CO

2

,

2KtH + Mg(HCO

3

)

2

 Kt

2

Mg + 2H

2

O

+ 2CO

2

,

KtH + NaHCO

3

 KtNa + H

2

O + CO

2

.

Regeneracja za pomocą HCl:

Kt

2

Ca + 2HCl  2KtH + CaCl

2

Woda po zmiękczaniu poddawana procesowi

usunięcia ditlenku węgla w odgazowywaczach.

17

Zastosowanie wymiany

jonowej do zmiękczania

wody

Ad.2. Kationity silnie kwaśne w formie sodowej
lub wodorowej całkowicie wymieniają kationy Ca

2+

i

Mg

2+

związane z resztami mocnych i słabych

kwasów, a więc usuwają twardość całkowitą:

2KtH + Ca(HCO

3

)

2

 Kt

2

Ca + 2H

2

O +

2CO

2

,

2KtH + Mg(HCO

3

)

2

 Kt

2

Mg + 2H

2

O

+ 2CO

2

,

2KtH + CaCl

2

 Kt

2

Ca + 2HCl,

2KtH + MgCl

2

 Kt

2

Mg + 2HCl

Z uwagi na korozyjny charakter wody (HCl) zaleca
się też stosowanie kationów w formie sodowej
(KtNa) w miejsce wodorowych. Przebiegające
reakcje są podobne, tylko zamiast HCl tworzy się
NaCl, a zamiast H

2

CO

3

–

NaHCO

3.

18

Zastosowanie wymiany

jonowej do zmiękczania

wody

Ad.3.

System

zawierający

kationity

pracujące w cyklu wodorowym (słaby lub
silny) i sodowym (silny) zapewnia
całkowite usunięcie twardości ogólnej,
częściowe

odsolenie

wody

oraz

neutralizację kwasów mineralnych.

Stosuje

się

często

układ

szeregowo

połączonych kolumn z kationitem słabo
kwaśnym w formie wodorowej i silnie
kwaśnym w formie sodowej (rysunek)

19

Ca(HCO

3

)

2

Mg(HCO

3

)

2

CaSO

4

MgSO

4

CaCl

2

MgCl

2

NaCl
SiO

2

Jonit
słabo
kwaśny
wodoro
wy

Woda
surow
a

H

2

CO

3

CaSO

4

MgSO

4

CaCl

2

MgCl

2

NaCl
SiO

2

o

d

g

a

zo

w

a

n

ie

Jonit
silnie
kwaśny
sodowy

CaSO

4

MgSO

4

CaCl

2

MgCl

2

NaCl
SiO

2

Na

2

SO

4

NaCl
SiO

2

Woda
zmię
k-
czon
a

2KtH + Ca(HCO

3

)

2

 Kt

2

Ca + 2H

2

O +

2CO

2

,

2KtH + Mg(HCO

3

)

2

 Kt

2

Mg + 2H

2

O

+ 2CO

2

,

KtH + NaHCO

3

 KtNa + H

2

O + CO

2

.

2KtH + CaCl

2

 Kt

2

Ca +

2HCl,
2KtH + MgCl

2

 Kt

2

Mg +

2HCl

20

Zastosowanie wymiany

jonowej do

demineralizacji i

odsalania wody

Demineralizacja

wody polega na usunięciu z niej

wszystkich kationów i anionów.

Odsalanie

to częściowe usuwanie jonów.

Zastosowanie silnie kwaśnych kationitów w
formie wodorowej pozwala na wymianę wszystkich
kationów na jony wodorowe zgodnie z reakcjami:

2KtH + Ca(HCO

3

)

2

 Kt

2

Ca + 2H

2

O +

2CO

2

,

2KtH + Mg(HCO

3

)

2

 Kt

2

Mg + 2H

2

O

+ 2CO

2

,

2KtH + CaCl

2

 Kt

2

Ca + 2HCl,

2KtH + MgCl

2

 Kt

2

Mg + 2HCl

21

Usunięcie z oczyszczanej wody wszystkich anionów
uzyskuje się stosując silnie zasadowe anionity w
formie wodorotlenowej. Wymiana anionów przebiega
zgodnie z reakcjami:

2AnOH + H

2

CO

3

 An

2

CO

3

+ 2H

2

O

2AnOH + H

2

SO

4

 An

2

SO

4

+ 2H

2

O

AnOH + HCl  AnCl + H

2

O

2AnOH + H

2

SiO

3

 An

2

SiO

3

+ 2H

2

O

Zastosowanie anionitów słabo zasadowych nie
zapewni usunięcia anionów słabych zasad, a więc w
wodzie pozostanie ditlenek węgla i krzemionka SiO

2

.

Do usunięcia CO

2

wymagany jest odgazowywacz,

który instaluje się przed anionitem silnie zasadowym,
co poprawia warunki pracy tego anionitu.

Zastosowanie wymiany

jonowej do

demineralizacji i

odsalania wody

22

Układ demineralizacji wody bez
odkrzemiania

Ca(HCO

3

)

2

Mg(HCO

3

)

2

CaSO

4

MgSO

4

CaCl

2

MgCl

2

NaCl
SiO

2

Kationit
silnie
kwaśny
wodoro
wy

Woda
surow
a

H

2

CO

3

H

2

SO

4

HCl
SiO

2

Anionit
słabo
zasadow
y
wodoro-
tlenowy

Woda
zdemine-
ralizowa
na
z SiO

2

+CO

2

Wymienn
ik dwu-
jonitowy

Woda
zdemine-
ralizowana
pH7

z SiO

2

+CO

2

CO

2

można usunąć z wody

kierując ją na
odgazowywacz

23

Układ pełnej demineralizacji wody

Ca(HCO

3

)

2

Mg(HCO

3

)

2

CaSO

4

MgSO

4

CaCl

2

MgCl

2

NaCl
SiO

2

Woda
surow
a

Kationit
silnie
kwaśny
wodoro
wy

H

2

CO

3

H

2

SO

4

HCl
SiO

2

o

d

g

a

zo

w

a

n

ie

CO

2

H

2

SO

4

HCl
SiO

2

Anionit
silnie
zasadow
y
wodoro-
tlenowy

Wymienn
ik dwu-
jonitowy

Woda
zdemine-
ralizowana
pozbawiona
SiO

2

i CO

2