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:

anionit  R – B+ X-

kationit   R – A- Me+               

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                          (ºNH)+ OH-  - aminy III-rzędowe

    (-S)- H+    - tiolowa                         (ºN-)+ 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

Mogą to być połączenia:

Powstawanie miceli w roztworach detergentów umożliwia usuwanie brudu w procesie prania (rysunek)