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^-, SO₄^2- 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^-

---