Joniter är fasta olösliga ämnen som kan byta ut sina joner mot joner från den omgivande lösningen. Dessa är vanligtvis syntetiska organiska hartser med sura eller alkaliska grupper. Jonbytare delas in i katjonbytare som absorberar katjoner , anjonbytare som absorberar anjoner och amfotära jonbytare med båda dessa egenskaper [1] . Jonbytare används ofta för avsaltning av vatten, inom analytisk kemi för separation av ämnen genom kromatografi, inom kemisk teknik. Jonbytare är vanliga i naturen, i synnerhet innehåller jorden katjonbytare, som skyddar katjonerna av de element som är nödvändiga för växter (till exempel kalium) från att tvättas ut av vatten och byter ut dem mot vätejoner av syran som utsöndras av växter , vilket bidrar till växtnäring [2] . Beroende på matrisens natur särskiljs oorganiska och organiska jonbytare.
1850 publicerade Harry Stephen Meysey Thompson en artikel i en engelsk tidskrift [ 3] där han beskrev resultaten av sina experiment sommaren 1845. Han ledde destillerat vatten med ammoniumsulfat löst i det genom jordskiktet. Vid utgången minskade mängden ammoniumsulfat i vattnet avsevärt, men det började innehålla mycket gips , vilket tydde på att ammoniumjoner hölls kvar av jorden och bytte mot kalciumjoner som fanns i det . I samma nummer av tidskriften publicerade John Thomas Way en artikel [ 4 ] , som genomförde många experiment som vittnar om jonbyte i jord. Båda författarna hänvisar också till bonden Huxtable , som utförde ett liknande experiment .
I en artikel daterad 26 juli 1905 beskrev R. Hans ( tyska: Gans ) metoder för teknisk framställning av konstgjorda oorganiska jonbytare - zeoliter [5] och angav möjligheten att använda dem för att minska vattnets hårdhet. Verkan av jonbytare studerades av ryska och sovjetiska forskare K. K. Gedroits , N. D. Zelinsky , M. S. Tsvet [1] . År 1935 upptäckte B. A. Adams ( eng. Basil Albert Adams ) och E. L. Holmes ( eng. Eric Leighton Holmes ) egenskapen att byta joner i syntetiska organiska polymerer [6] och därmed läggas till gruppen av kända jonbytare med jonbytarhartser . 1950-1960. Syntetiska jonbytare studerades av M.M. Dubinin , B.P. Nikolsky , B.N. Laskorin [1] .
Jonbytare består vanligtvis av korn, även om jonbytare även tillverkas i form av membran, fibrer och tyger [1] . För tydlighetens skull, låt oss ta en katjonbytare som innehåller vätekatjoner . Om ett ämne utan joner passerar genom en sådan katjonbytare, till exempel destillerat vatten , kommer varken ämnet eller katjonbytaren att förändras på något sätt. Men om du hoppar över saltlösningen kommer denna lösning att förvandlas till syra , och katjonbytaren kommer inte längre att innehålla vätekatjoner, utan saltkatjoner - jonbyte kommer att inträffa. För att återställa katjonbytaren till sitt ursprungliga tillstånd måste syra passeras genom den - saltkatjonerna i katjonbytaren kommer återigen att ersättas med vätekatjoner - och sedan tvättas från syrarester. På liknande sätt byter anjonbytare sina anjoner mot anjonerna i miljön där de är placerade [2] .
Jonbytare består av en polymermatris och jonogena grupper associerade med den. Under dissociation delas varje jonogen grupp i en fix jon associerad med matrisen och en mobil jon som byts ut mot lösningjoner. Vanligtvis, ju större laddning av jon som byts ut, desto bättre utbyter jonbytaren dem, och om laddningarna är desamma, är de joner vars radie är större bättre utbytta. Till exempel, starkt sura katjonbytare med sulfogrupper byter ut kaliumjoner K + bättre än litiumjoner Li + [1] , eftersom litium och kalium är belägna i samma undergrupp av det periodiska systemet och atomnumret för kalium är större än för kalium . litium, därför är dess jonradie större. Ett annat exempel: starkt basiska anjonbytare utbyter jodjoner I - bättre än klorjoner Cl - [1] , eftersom klor och jod är belägna i samma undergrupp och atomnumret för jod är större än klor, därför dess jonradie är större.
Enligt laddningen av utbytta joner delas jonbytare in i följande typer [1] :
Beroende på matrisens natur delas jonbytare in i oorganiska och organiska.
Organiska jonbytare är i grunden syntetiska jonbytarhartser . En organisk matris tillverkas genom polykondensering av monomera organiska molekyler såsom styren , divinylbensen , akrylamid , etc. Jonogena grupper (fixerade joner) av sur eller basisk typ införs kemiskt i denna matris. Traditionellt införda grupper av syratyp är -COOH; -S03H ; _ -RO4H2 , etc. , och huvudtypen: ≡N ; =NH; -NH2 ; _ -NR 3+ etc. Moderna jonbytarhartser har som regel hög utbyteskapacitet och stabilitet i drift.
Joniter kan svälla i vatten, vilket beror på närvaron av hydrofila fasta grupper som kan hydratiseras. Emellertid förhindras obegränsad svallning, det vill säga upplösning, av tvärbindningar. Graden av tvärbindning ställs in under syntesen av jonbytare genom mängden av det införda tvärbindningsmedlet, divinylbensen (DVB). Standardhartser som används för uppmjukning innehåller 8 % DVB. För närvarande tillgängliga hartser kan innehålla från 2 till 20 %. På det hela taget bestäms graden av svallning av jonbytare av mängden DVB-tvärbindning, koncentrationen av hydrofila jonogena grupper i volymen av jonbytarkornen och av vilka motjoner som finns i jonbytaren. I allmänhet leder enkelladdade joner, speciellt väte- och hydroxyljoner, till de mest svällande; multipelladdade motjoner leder till viss kompression och en minskning av volymen av korn.
Oorganiska jonbytare är huvudsakligen jonbytare av naturligt ursprung, som inkluderar aluminosilikater, hydroxider och salter av flervärda metaller . De vanligaste oorganiska naturliga jonbytarna som används för vattenrening är zeoliter .
Zeoliter är mineraler från gruppen av vattenhaltiga aluminosilikater av alkaliska och alkaliska jordartsmetaller, som kännetecknas av närvaron av ett tredimensionellt aluminosilikat-syre-ramverk, som bildar system av håligheter och kanaler i vilka alkali-, alkaliska jordarts-katjoner och vattenmolekyler är belägen. Den totala volymen av systemet av kaviteter och kanaler i zeoliten är upp till 50% av volymen av zeolitskelettet. Katjoner och vattenmolekyler är svagt bundna till stommen och kan delvis eller helt ersättas av jonbyte och uttorkning. Zeoliternas jonbytesegenskaper bestäms av egenskaperna hos jonernas kemiska affinitet och zeolitens kristallstruktur. I detta fall är det nödvändigt att matcha storleken på inloppshålen i zeolitskelettet och substituerande joner, eftersom zeolitramverket har en stel kristallin struktur och, till skillnad från organiska hartser, inte kan svälla med en förändring i volym.
Jonbyte på zeoliter gör det möjligt att isolera joner, vars extraktion med andra metoder ofta är mycket svår. Zeoliternas förmåga att adsorbera radioaktiva cesiumjoner från lösningar, avlägsna NH 4+ , extrahera joner av Cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag och andra metaller och rena naturgaser har fastställts. Den jonostiska effekten gör det möjligt att adsorbera kväveångor, CO 2 , SO 2 , H 2 S, Cl 2 , NH 3 från gas- och vätskesystem . Dessutom kan zeoliter användas för att avlägsna löst järn, mangan och hårdhet.
Till skillnad från organiska hartser finns det ett antal egenskaper hos zeoliter. Således bör den totala mineraliseringen av det behandlade vattnet vara minst 80 mg/l, eftersom vid en lägre salthalt löses zeolitens aluminosilikatstruktur. När det behandlade vattnets pH är under 6 ökar också sannolikheten för förstörelse av kristallgittret.
Den dynamiska utbyteskapaciteten för zeoliter är lägre än den dynamiska utbyteskapaciteten för organiska hartser under samma förhållanden, vilket är associerat med en långsammare utbyteskinetik på zeoliter. Den återstående hårdheten för vatten efter zeoliter är cirka 0,3 mekv/l, medan den efter organiska hartser inte är mer än 0,1 mekv/l.
Joniter används för att minska hårdheten hos vatten genom att ersätta kalcium- och magnesiumjonerna som orsakar det med andra, till exempel natrium . De används också för avsaltning av vatten , medan både katjoner och anjoner avlägsnas genom successiv passage av vatten genom katjonbytaren och anjonbytaren. Inom livsmedelsindustrin används jonbytare för att rena sockerbetsjuice från föroreningar vid produktion av socker och används vid produktion av jäst , glukos och gelatin . Katjonbytare används inom medicin för att öka lagringstiden för blod genom att ersätta kalciumjoner i det med natriumjoner. Jonbytare används ofta för isolering av antibiotika från lösningar under deras produktion. Med hjälp av jonbytare utvinns sällsynta element och spårämnen från polymetalliska malmer . Inom jordbruket används jonbytare för att leverera de grundämnen de behöver till växter [1] .