Ionitit ovat kiinteitä liukenemattomia aineita, jotka pystyvät vaihtamaan ioninsa ympäröivän liuoksen ioneiksi . Nämä ovat yleensä synteettisiä orgaanisia hartseja , joissa on happamia tai emäksisiä ryhmiä. Ioninvaihtimet jaetaan kationeja absorboiviin kationinvaihtimiin , anioneja absorboiviin anioninvaihtimiin ja amfoteerisiin ioninvaihtimiin, joilla on molemmat näistä ominaisuuksista [1] . Ioninvaihtimia käytetään laajalti veden suolanpoistoon, analyyttisessä kemiassa aineiden erottamiseen kromatografialla ja kemiallisessa tekniikassa. Ioninvaihtimet ovat luonnossa yleisiä, erityisesti maaperässä on kationinvaihtimia, jotka suojaavat kasveille välttämättömien alkuaineiden (esim. kalium) kationeja veden huuhtoutumiselta ja vaihtavat ne kasvien erittämien hapon vetyioneiksi. , mikä edistää kasvien ravintoa [2] . Matriisin luonteesta riippuen erotetaan epäorgaaniset ja orgaaniset ioninvaihtimet.
Vuonna 1850 Harry Stephen Meysey Thompson julkaisi artikkelin englanninkielisessä aikakauslehdessä [ 3] , jossa hän esitteli kesällä 1845 tekemiensä kokeiden tulokset. Hän kuljetti tislattua vettä , johon oli liuennut ammoniumsulfaattia, maakerroksen läpi. Poistumiskohdassa ammoniumsulfaatin määrä vedessä väheni merkittävästi, mutta se alkoi sisältää paljon kipsiä , mikä osoitti, että ammoniumionit jäivät maaperään vaihtaen sen sisältämiin kalsiumioneihin . Samassa lehden numerossa John Thomas Way julkaisi artikkelin [ 4 ] , joka suoritti monia kokeita, jotka todistavat ioninvaihdosta maaperässä. Molemmat kirjoittajat viittaavat myös maanviljelijään Huxtableen , joka teki samanlaisen kokeen .
R. Hans ( saksa: Gans ) kuvaili 26. heinäkuuta 1905 päivätyssä artikkelissa keinotekoisten epäorgaanisten ioninvaihtimien - zeoliittien - teknisen valmistuksen menetelmiä [5] ja ilmaisi mahdollisuuden käyttää niitä veden kovuuden vähentämiseen. Ioninvaihtimien toimintaa tutkivat venäläiset ja neuvostoliittolaiset tiedemiehet K. K. Gedroits , N. D. Zelinsky , M. S. Tsvet [1] . Vuonna 1935 B. A. Adams ( eng. Basil Albert Adams ) ja E. L. Holmes ( eng. Eric Leighton Holmes ) löysivät ominaisuuden vaihtaa ioneja synteettisissä orgaanisissa polymeereissä [6] , mikä lisäsi tunnettujen ioninvaihtimien ryhmään ioninvaihtohartseja . . Vuosina 1950-1960. Synteettisiä ioninvaihtimia tutkivat M. M. Dubinin , B. P. Nikolsky , B. N. Laskorin [1] .
Ioninvaihtimet koostuvat yleensä rakeista, vaikka ioninvaihtimia valmistetaan myös kalvojen, kuitujen ja kankaiden muodossa [1] . Otetaan varmuuden vuoksi kationinvaihdin, joka sisältää vetykationeja . Jos ionitonta ainetta johdetaan tällaisen kationinvaihtimen läpi, esimerkiksi tislattu vesi , ei aine eikä kationinvaihdin muutu millään tavalla. Jos kuitenkin ohitat suolaliuoksen , tämä liuos muuttuu happamaksi ja kationinvaihdin ei enää sisällä vetykationeja, mutta tapahtuu suolakationien vaihtoa. Kationinvaihtajan palauttamiseksi alkuperäiseen tilaan sen läpi on johdettava happoa - kationinvaihtimessa olevat suolakationit korvataan jälleen vetykationeilla - ja pestävä sitten happojäämistä. Vastaavasti anioninvaihtajat vaihtavat anioninsa ympäristön anioneihin, johon ne asetetaan [2] .
Ioninvaihtimet koostuvat polymeerimatriisista ja siihen liittyvistä ionogeenisistä ryhmistä. Dissosiaation aikana kukin ionogeeninen ryhmä jaetaan kiinteään ioniin, joka liittyy matriisiin, ja liikkuvaan ioniin, joka vaihdetaan liuosioneihin. Yleensä mitä suurempi vaihdettavan ionin varaus on, sitä paremmin ioninvaihdin vaihtaa ne, ja jos varaukset ovat samat, ionit, joiden säde on suurempi, vaihtuvat paremmin. Esimerkiksi vahvasti happamat kationinvaihtajat, joissa on sulforyhmiä, vaihtavat kalium - ioneja K + paremmin kuin litium -ionit Li + [1] , koska litium ja kalium sijaitsevat jaksollisen järjestelmän samassa alaryhmässä ja kaliumin atomiluku on suurempi kuin litium, joten sen ionisäde on suurempi. Toinen esimerkki: vahvasti emäksiset anioninvaihtimet vaihtavat jodi-ioneja I - paremmin kuin kloori-ionit Cl - [1] , koska kloori ja jodi sijaitsevat samassa alaryhmässä ja jodin atomiluku on suurempi kuin kloorilla, joten sen ionisäde on suurempi.
Vaihtuneiden ionien varauksen mukaan ioninvaihtimet jaetaan seuraaviin tyyppeihin [1] :
Matriisin luonteesta riippuen ioninvaihtimet jaetaan epäorgaanisiin ja orgaanisiin.
Orgaaniset ioninvaihtimet ovat pohjimmiltaan synteettisiä ioninvaihtohartseja . Orgaaninen matriisi valmistetaan polykondensaatiolla monomeerisistä orgaanisista molekyyleistä, kuten styreenistä , divinyylibentseenistä , akryyliamidista jne. Happamia tai emäksisiä ionogeenisia ryhmiä (kiinteitä ioneja) viedään kemiallisesti tähän matriisiin. Perinteisesti käyttöön otettuja happotyyppisiä ryhmiä ovat -COOH; -S03H ; _ -RO 4 H 2 jne. ja päätyyppi: ≡N; =NH; -NH2 ; _ -NR 3+ jne. Nykyaikaisilla ioninvaihtohartseilla on pääsääntöisesti korkea vaihtokyky ja stabiilisuus käytössä.
Ioniitit pystyvät turpoamaan vedessä, mikä johtuu hydrofiilisten kiinteiden ryhmien läsnäolosta, jotka pystyvät hydratoitumaan. Kuitenkin rajaton turpoaminen, eli liukeneminen, estetään ristisidoksilla. Silloitusaste asetetaan ioninvaihtimien synteesin aikana lisätyn silloitusaineen, divinyylibentseenin (DVB) määrän avulla. Pehmennykseen käytetyt standardihartsit sisältävät 8 % DVB:tä. Tällä hetkellä saatavilla olevat hartsit voivat sisältää 2 - 20 %. Kokonaisuutena ioninvaihtimien turpoamisasteen määrää DVB-silloitusten määrä, hydrofiilisten ionogeenisten ryhmien pitoisuus ioninvaihtimeen tilavuudessa ja se, mitä vastaioneja ioninvaihtimessa on. Yleisesti kertavaraukselliset ionit, erityisesti vety- ja hydroksyyli-ionit, johtavat eniten turpoamiseen; moninkertaisesti varautuneet vastaionit johtavat jonkinlaiseen puristumiseen ja jyvien tilavuuden pienenemiseen.
Epäorgaaniset ioninvaihtimet ovat pääasiassa luonnollista alkuperää olevia ioninvaihtimia, joihin kuuluvat alumiinisilikaatit, hydroksidit ja moniarvoisten metallien suolat . Yleisimmät vedenpuhdistukseen käytetyt epäorgaaniset luonnolliset ioninvaihtimet ovat zeoliitit .
Zeoliitit ovat mineraaleja alkali- ja maa-alkalielementtien vesipitoisten alumiinisilikaattien ryhmästä, joille on ominaista kolmiulotteinen alumiinisilikaatti-happirunko, joka muodostaa ontelo- ja kanavajärjestelmiä, joissa alkali-, maa-alkali-kationit ja vesimolekyylit ovat sijaitsee. Zeoliitin onteloiden ja kanavien järjestelmän kokonaistilavuus on jopa 50 % zeoliittirungon tilavuudesta. Kationit ja vesimolekyylit ovat heikosti sitoutuneita runkoon, ja ne voidaan korvata osittain tai kokonaan ioninvaihdolla ja dehydraatiolla. Zeoliittien ioninvaihto-ominaisuudet määräytyvät ionien kemiallisen affiniteetin ja zeoliitin kiderakenteen ominaisuuksien perusteella. Tässä tapauksessa on välttämätöntä sovittaa zeoliittirungon sisääntuloreikien ja korvaavien ionien koot, koska zeoliittirunkolla on jäykkä kiderakenne ja toisin kuin orgaaniset hartsit, se ei voi turvota tilavuuden muutoksen myötä.
Zeoliittien ioninvaihto mahdollistaa ionien eristämisen, joiden uuttaminen muilla menetelmillä on usein erittäin vaikeaa. Zeoliittien kyky adsorboida radioaktiivisia cesiumioneja liuoksista, poistaa NH 4 + :a, uuttaa Cu-, Pb-, Zn-, Cd-, Ba-, Co-, Ag- ja muiden metallien ioneja sekä puhdistaa luonnonkaasuja. Ionosiittivaikutus mahdollistaa typpihöyryjen, CO 2 , SO 2 , H 2 S, Cl 2 , NH 3 adsorboinnin kaasu- ja nestejärjestelmistä . Lisäksi zeoliitteja voidaan käyttää liuenneen raudan, mangaanin ja kovuuden poistamiseen.
Toisin kuin orgaanisilla hartseilla, zeoliiteissa on useita ominaisuuksia. Käsitellyn veden kokonaismineralisoitumisen tulee siis olla vähintään 80 mg/l, koska pienemmällä suolapitoisuudella zeoliitin alumiinisilikaattirunko liukenee. Kun käsitellyn veden pH on alle 6, myös kidehilan tuhoutumisen todennäköisyys kasvaa.
Zeoliittien dynaaminen vaihtokyky on pienempi kuin orgaanisten hartsien dynaaminen vaihtokapasiteetti samoissa olosuhteissa, mikä liittyy zeoliittien hitaampaan vaihtokinetiikkaan. Veden jäännöskovuus zeoliittien jälkeen on noin 0,3 meq/l, kun taas orgaanisten hartsien jälkeen se on enintään 0,1 meq/l.
Ioniitteja käytetään vähentämään veden kovuutta korvaamalla sitä aiheuttavat kalsium- ja magnesiumionit muilla, esimerkiksi natriumilla . Niitä käytetään myös veden suolanpoistoon , kun taas sekä kationit että anionit poistetaan johtamalla vettä peräkkäin kationinvaihtimen ja anioninvaihtimen läpi. Elintarviketeollisuudessa ioninvaihtimia käytetään sokerijuurikasmehun puhdistamiseen epäpuhtauksista sokerin valmistuksessa , ja niitä käytetään hiivan , glukoosin ja gelatiinin valmistuksessa . Kationinvaihtimia käytetään lääketieteessä lisäämään veren varastointiaikaa korvaamalla siinä olevat kalsiumionit natriumioneilla. Ioninvaihtimia käytetään laajasti antibioottien eristämiseen liuoksista niiden tuotannon aikana. Ioninvaihtimien avulla polymetallimalmeista uutetaan harvinaisia ja hivenaineita . Maataloudessa ioninvaihtimia käytetään toimittamaan niiden tarvitsemat alkuaineet kasveille [1] .