Adsorpcja jonowymienna
W tym przypadku powierzchnia fazy stałej może adsorbować z roztworu kationy lub aniony z jednoczesnym oddaniem do roztworu równoważnej liczby swoich kationów lub anionów.
Taki adsorbent nazywa się wymieniaczem jonowym lub jonitem;
kationit adsorbuje kationy, anionit - adsorbuje aniony.
Jonity mają bardzo duże zastosowanie do zmiękczania i demineralizacji wody, gdyż usuwają z niej jony Ca2+, Mg2+, Fe3+, Cl-, SO42- itp.
Wymieniacze jonowe można podzielić na:
a/ jonity naturalne
b/ jonity półsyntetyczne
c/ jonity syntetyczne
Jonity naturalne (zeolity): głównie minerały będące uwodnionymi glinokrzemianami wapniowymi i sodowymi o luźno upakowanej sieci krystalicznej, w której podstawowymi elementami budowy szkieletu są tetraedry SiO4 i AlO4.
W tetraedrach trójdodatnie jony glinu są otoczone dwuujemnymi jonami tlenu lub grupami OH-, a powstały nadmiar ładunków ujemnych jest równoważony przez kationy litowców lub berylowców, które nie są wbudowane w szkielet, ale luźno związane znajdują się w kanałach sieci krystalicznej. Mogą przemieszczać się i mogą być zastępowane przez inne jony z roztworu otaczającego jonit.
Zeolitami są również urodzajne gleby, które mają zdolność wymiany zarówno anionów jak i kationów, są więc wymieniaczami amfoterycznymi.
Jonity półsyntetyczne: to wymieniacze pochodzenia naturalnego poddane przemianom chemicznym modyfikującym ich właściwości, są to głównie węgle sulfonowane.
Jonity syntetyczne: najbardziej wartościowe to syntetyczne żywice organiczne, nierozpuszczalne w wodzie i w niektórych rozpuszczalnikach organicznych.
Schematyczna budowa:
gdzie:
R - szkielet polimeru
A- - atomowo związana z polimerem grupa anionowa (np. COO-)
M+ - kation jonowo związany z grupą A zdolny do oddysocjowania
(np. jon metalu lub H+)
B+ - atomowo związana z polimerem grupa kationowa (np. =NH2+)
X- - jonowo związany z grupą B anion zdolny do oddysocjowania
(np. OH-)
Grupy funkcyjne
kationitów: anionitów:
(-SO3)- H+ - sulfonowa (-NH3)+OH- - aminy I-rzędowe
(-COO)- H+ - karboksylowa (=NH2)+ OH- - aminy II-rzędowe
(-O)- H+ - fenolowa (≡NH)+ OH- - aminy III-rzędowe
(-S)- H+ - tiolowa (≡N-)+ OH- - czwartorzędowe grupy
amoniowe
Wymieniacze jonowe pochodzenia organicznego mają bardzo silnie rozwiniętą powierzchnię. Rozpuszczalnik i jony z roztworu mogą swobodnie dyfundować do wnętrza sieci wymieniacza i wchodzić w reakcję z jonami grup funkcyjnych jonitu.
Wymiana jonowa:
jest procesem równowagowym, stan równowagi odpowiada wyrównaniu potencjałów chemicznych jonów w fazie wymieniacza i w roztworze. Ilościowo proces można opisywać przy pomocy modelu adsorpcji Langmuira z dodatkowymi założeniami;
oddziaływanie jonitu z jonami ma charakter sił kulombowskich, jony o wyższej wartościowości i mniejszym promieniu są szczególnie silnie wiązane, niektóre jonity selektywnie wychwytują niektóre jony;
maksymalna, możliwa do związania przez dany wymieniacz liczba jonów, uwarunkowana jego pojemnością, jest podawana w milirównoważnikach (mval) jonów przypadających na gram suchego jonitu;
dzięki ustalaniu się stanu równowagi, zmieniając stężenie jonów można prowadzić wymianę dwukierunkowo - czyli proces ten jest odwracalny i może być prowadzony wielokrotnie;
wymieniacze jonowe, jako wielkocząsteczkowe polielektrolity sa układami koloidalnymi i wykazują charakterystyczne cechy koloidów, jak np. pęcznienie;
czas potrzebny do osiągnięcia stanu równowagi zależy od szybkości dyfuzji, czyli swobodnego wędrowania jonów na granicy faz oraz w ziarnach wymieniacza.
Zastosowanie jonitów:
• w procesach rozdzielania , wzbogacania i oczyszczania związków o charakterze soli, kwasów lub zasad;
• do demineralizacji roztworów, w tym do zmiękczania i demineralizacji wody (sposób znacznie tańszy od destylacji)
• w procesach katalizy, jako nośniki jonów metali lub jako katalizatory kwasowo-zasadowe.
Wymianę jonową prowadzi się zwykle w kolumnie, a jonity mają postać drobnych kuleczek (granulek).
Substancje powierzchniowo-aktywne
Substancje powierzchniowo-aktywne- surfaktanty (detergenty) mają dwojaką naturę. Jedna część ich cząsteczek jest liofilowa (“lubi” rozpuszczalnik) - w przypadku wody hydrofilowa, natomiast druga część cząsteczki jest liofobowa -hydrofobowa („nie lubi” rozpuszczalnika)
|
|
Takie substancje są związkami powierzchniowo aktywnymi - preferują gromadzenie się na powierzchni międzyfazowej, przez co zmniejszają napięcie międzyfazowe.
|
|
|
Mogą to być połączenia:
W roztworach związki takie samorzutnie układają się w większe struktury - micele o różnym kształcie.
|
|
|
|
Powstawanie miceli w roztworach detergentów umożliwia usuwanie brudu w procesie prania (rysunek)
|
|
kationit R - A- Me+
anionit R - B+ X-