تبادلگر یونی

[parichehr]

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/7/7d/resin.jpg


روشهای تبادل یونی ، براساس تبادل برگشت پذیر یونها (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D9%2586%25DB%258C% 25D9%2588%25D9%2586%2B%25D9%2588%2B%25DA%25A9%25D8 %25A7%25D8%25AA%25DB%258C%25D9%2588%25D9%2586) بین محلول و یک فاز جامد (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25AD%25D8%25A7%25D9%2584% 25D8%25A7%25D8%25AA%2B%25D9%2585%25D8%25A7%25D8%25 AF%25D9%2587) استوار است. فاز جامد در آب (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D8%25A8) ، غیر محلول بوده ، دارای گروههایی به‌صورت بنیان اسیدی یا بازی است. این بنیانها ، عوامل اصلی تبادل یون هستند. اجزا تشکیل دهنده فاز جامد ، ممکن است از ترکیبات معدنی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D9%2585%25D9%2588%25D8%25A7% 25D8%25AF%2B%25D9%2585%25D8%25B9%25D8%25AF%25D9%25 86%25DB%258C) شبیه زئولیتها (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25B2%25D8%25A6%25D9%2588% 25D9%2584%25DB%258C%25D8%25AA) باشند که اسکلت آنها از آلومینو سیلیکاتها تشکیل شده‌اند.

این ترکیبات چون در مقابل اسیدها و بازها مقاومت چندانی ندارند، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیبات معدنی جدید از مشتقات ZrO2 ساخته شده‌‌اند که زیرکونیوم فسفات ، زیرکونیوم تنگستات و زیرکونیوم مولیبدات از آن جمله هستند. برای جداسازی فلزات قلیایی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D9%2581%25D9%2584%25D8%25B2% 25D8%25A7%25D8%25AA%2B%25D9%2582%25D9%2584%25DB%25 8C%25D8%25A7%25DB%258C%25DB%258C) و قلیایی خاکی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D9%2581%25D9%2584%25D8%25B2% 25D8%25A7%25D8%25AA%2B%25D9%2582%25D9%2584%25DB%25 8C%25D8%25A7%25DB%258C%25DB%258C%2B%25D8%25AE%25D8 %25A7%25DA%25A9%25DB%258C) از هم مفید هستند.

رزینهای تبادلگر یونی

رزین تبادلگر یونی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25B1%25D8%25B2%25DB%258C% 25D9%2586%25E2%2580%258C%25D9%2587%25D8%25A7%25DB% 258C%2B%25D9%2585%25D8%25A8%25D8%25A7%25D8%25AF%25 D9%2584%25D9%2587%2B%25DA%25A9%25D9%2586%25D9%2586 %25D8%25AF%25D9%2587%2B%25DB%258C%25D9%2588%25D9%2 586) ، منشاء آلی دارند و از پلیمرهای (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25AF%25D9%2586%25DB%258C% 25D8%25A7%25DB%258C%2B%25D9%25BE%25D9%2584%25DB%25 8C%25D9%2585%25D8%25B1) با وزن ملکولی زیاد تشکیل شده‌اند. تشکیل این رزین‌ها بر اساس پلیمریزاسیون (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D9%2581%25D8%25B1%25D8%25A7% 25DB%258C%25D9%2586%25D8%25AF%2B%25D9%25BE%25D9%25 84%25DB%258C%25D9%2585%25D8%25B1%25DB%258C%25D8%25 B2%25D8%25A7%25D8%25B3%25DB%258C%25D9%2588%25D9%25 86) پلی‌استایرن و دی‌وینیل بنزن پایه‌گذاری شده است که همراه با ترکیبات دیگر نظیر تری‌کلرو آنیلین یا اسید سولفوریک (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A7%25D8%25B3%25DB%258C% 25D8%25AF%2B%25D8%25B3%25D9%2588%25D9%2584%25D9%25 81%25D9%2588%25D8%25B1%25DB%258C%25DA%25A9) ترکیب تبادلگر یونی آنیونی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D9%2586%25DB%258C% 25D9%2588%25D9%2586%2B%25D9%2588%2B%25DA%25A9%25D8 %25A7%25D8%25AA%25DB%258C%25D9%2588%25D9%2586) و کاتیونی (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D9%2586%25DB%258C% 25D9%2588%25D9%2586%2B%25D9%2588%2B%25DA%25A9%25D8 %25A7%25D8%25AA%25DB%258C%25D9%2588%25D9%2586) را می‌دهد. افزایش پیوندهای عرضی ، خصوصیات رزین را از نظر آبگیری و نفوذ یونها تغییر می‌دهد.

تقسیم بندی رزینها

تبادلگرهای یونی شامل دو گروه آنیونی و کاتیونی هستند. تبادلگرهای کاتیون شامل گروههای RCOOH یا R-SO3H هستند. تبادلگرهای یونی را می‌توان برحسب قدرت تبادلی و فعالیت گروههای فعالشان به دو دسته تقسیم می‌کنند.



تبادلگر بازی


تبادلگر بازی قوی با فرمول عمومی +(CH3)2Cl- RCH3N
تبادلگر بازی ضعیف با فرمول عمومی R-CH3NH3OH
تبادلگر اسیدی


تبادلگر اسیدی قوی به صورت R-SO3H
تبادلگر اسیدی ضعیف به صورت R-COOH
ستون تبادل یونی

آزمایشهای تبادل یون را می‌توان به‌صورت ناپیوسته یعنی عبور مقدار معینی محلول از ستون حاوی رزین یا به‌صورت جریان پیوسته محلول از بالا به پائین ستون انجام داد. ستون همیشه باید از آب مقطر (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D8%25A8%2B%25D9%25 85%25D9%2582%25D8%25B7%25D8%25B1) پر باشد و حبابهای هوا در قسمت رزین وجود نداشته باشد. دانه‌های رزین ، آب را جذب کرده ، متورم می‌شوند.

اگر منظور ، جدا کردن و بدست آوردن یونهای موجود در یک محلول باشد، پس از عبور نمونه از ستون توسط جریان مداومی از محلول شستشو دهنده ، اجزای موردنظر از ستون خارج می‌شوند. بعد از خاتمه آزمایش باید ستون را با آب مقطر پر کرد. محلولی که وارد ستون می‌شود، جریان ورودی و محلولی که از ستون خارج می‌شود جریان خروجی نام دارد.


تعادل تبادل یونی

برای روشنتر شدن واکنشهای تبادل یونی رزینهای اسیدی و بازی را به‌صورت RH و ROH نشان می‌دهیم. طبق واکنشهای زیر:




R-H + NaCl -----> R-Na + HCl



R-OH + HCl -----> R-Cl + H2O

یونهای سدیم و کلرید با یونهای هیدروژن و یون هیدروکسیل تبادل می‌شوند. در صورتی که رزین تبادلگر یونی به‌صورت R-Na با محلول کلرید سدیم در تعادل باشد، می‌توان گفت که حاصلضرب فعالیت یونهای سدیم و کلرید در سطح رزین و محلول نمک در حال تعادل با رزین برابر است. این مفهوم از تعادل دانن نتیجه می‌شود.

ظرفیت تبادل یونی

ظرفیت تبادل یون ، عبارت است از وزن یونهایی که در واحد حجم یا واحد وزن رزین قابل تعویض است. بنابرین هر رزین ، دارای ظرفیت حجمی یا ظرفیت وزنی است. ظرفیت حجمی براساس حجم رزین آب گرفته تعیین می‌شود.


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh_up/4/47/Resinhandful.jpg


ضریب توزیع

نسبت یونها در هر گرم رزین خشک بر مقدار آنها در هر میلی لیتر محلول را ضریب توزیع می‌گویند.

برای تبادل کننده‌های یونی ، یونهای با بار مخالف ، ضریب توزیع به غلظت محلول خارجی بستگی دارد. مثلا هنگامی که رزین اشباع شده با کلسیم با محلول کلرید سدیم تماس داده شود، ازدیاد غلظت نمک ، سبب تعویض سدیم (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25B3%25D8%25AF%25DB%258C% 25D9%2585) با کلسیم (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25DA%25A9%25D9%2584%25D8%25B3% 25DB%258C%25D9%2585) می‌گردد. ولی هنگامی که رزین ، یونهای کلسیم را دریافت می‌کند، نیروهای جذبی نقش اساسی دارند.

کاربرد رزینها

در صنعت برای گرفتن یا کاهش سختی آب (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25B3%25D8%25AE%25D8%25AA% 25DB%258C%2B%25D8%25A2%25D8%25A8) و یون زدایی آن ، از تبادلگرهای یونی استفاده می‌شود. آب یون زدایی شده ، فاقد ناخالصی‌های دی‌اکسید کربن (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25AF%25DB%258C%25E2%2580% 258C%25D8%25A7%25DA%25A9%25D8%25B3%25DB%258C%25D8% 25AF%2B%25DA%25A9%25D8%25B1%25D8%25A8%25D9%2586) و سیلیس است و در آب مقطر (http://www.njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fdaneshnameh.roshd. ir%2Fmavara%2Fmavara-index.php%3Fpage%3D%25D8%25A2%25D8%25A8%2B%25D9%25 85%25D9%2582%25D8%25B7%25D8%25B1) وجود دارد. یکی دیگر از کاربردهای تبادلگرهای یونی رزینی ، شیرین کردن آب دریا با جداسازی نمکهای سدیم و پتاسیم و منیزیم ، بوسیله رزین‌ها می‌باشد و برای جدا کردن یونهای فلزی به‌صورت ترکیبات آنیونی هم از رزین‌ها استفاده می‌شود. یک مورد دیگر ، تعیین غلظت کل نمکهای محلول در آب است.

احیاء رزین

پس از مدتی ، ظرفیت رزینها از نظر تبادل یونی تکمیل می‌شود. در نتیجه ، باید تبادلگرهای کاتیونی و آنیونی را با افزایش اسید یا باز رقیق فعال کرد. این عمل را احیا یا بازسازی می‌نامند. در کارخانه‌هایی که فقط از زئولیت استفاده می‌شود، فعال کردن و بازسازی آن با افزایش محلول ده درصد کلرید سدیم انجام می‌شود.


www.Roshd.ir (http://www.Roshd.ir)

[parichehr]

اطلاعات اولیه

کروماتوگرافی تبادل یونی در ستون‌ها ، بطور انحصاری ، کاربرد رزین‌های تبادل یونی محدود می‌شود زیرا این مواد به طور عمده خواص مطلوبی ، مانند پایداری مکانیکی و شیمیایی و یکنواختی اندازه دانه‌ها ( ذرات ) دارند، پودر سلولز (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B3%D9%84%D9%88%D9%84%D8%B2) که آن گرده‌های تبادل یونی به طریق شیمیایی قرار داده شده باشند نیز برای جداسازی مواد (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AC%D8%AF%D8%A7%D8%B3%D8%A7%D8%B 2%DB%8C+%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF) در ستون‌ها به کار می‌رود. ورقه‌هایی از سلولز عمل شده فوق و ورقه‌های سلولز پر شده با رزین‌های تبادل یونی را در روش کروموتوگرافی کاغذی برای جداسازی‌هایی که شامل تبادل یونی هستند، می‌توان مورد استفاده قرار داد.

توصیف

در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی مواد از نوع کروماتوگرافی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%A9%D8%B1%D9%88%D9%85%D8%A7%D8%A A%D9%88%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C) که در آنها رزین به جای جاذب در کروماتوگرافی جذبی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%A9%D8%B1%D9%88%D9%85%D8%A7%D8%A A%D9%88%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C+%D8%AC%D8%B0 %D8%A8+%D8%B3%D8%B7%D8%AD%DB%8C) قرار می‌گیرد، است. مقادیر زیادی از رزین‌های تبادل یونی برای جدا کردن کامل یون‌ها از محلول در آزمایشگاه و نیز در مقیاس صنعتی به کار می‌روند. یعنی از جداسازی‌های فوق العاده جالب عبارتند از جداسازی مواد لانتایندها، آکتینیدها و اسیدهای آمینه.

رزین‌های متداول تبادل یونی

رزین‌های متداول تبادل یونی که به طور مصنوعی ساخته می‌شوند، بر پایه قالب غیر محلولی از یک بسپار بزرگ ، معمولا پلی استیرن ، استوار هستند. ولی بعضی از آنها متکی بر اسید متا اکریلیک هستند. نوع اول با بسپار کردن استیرن در حضور مقدار کمی از دی وینیل بنزن ساخته می‌شود. دی وینیل بنرن میزان اتصالات عرضی را که عامل مهمی در کروماتوگرافی است کنترل می‌کند. اتصالات عرضی ، بسپار را به حالت نامحلول در می‌آورد. اگر میزان اتصالات عرضی خیلی کم باشد رزین مستعد جذب مایع اضافی می‌شود و در نتیجه آماس زیادی می‌کند، در حالی که اتصالات عرضی زیاده از حد ، ظرفیت تبادل رزین را ، احتمالا به علت ممانعت فضایی کم می‌کند.

گرده‌های قطبی که باعث خواص تبادل یون در رزین می شوند به جز در مورد اسید پلی متا اکریلیک، بعد از عمل بسپار شدن به رزین اضافه می‌شوند. با بسپار شدن در یک امولسیون آبی می‌توان دانه‌هایی با اندازه‌های معین تهیه کرد و در این صورت است که رزین‌ها برای عمل یون زدایی و اهداف کروماتوگرافی به کار می‌روند. بعضی از رزین‌ها را به شکل ورقه می‌سازند که در این صورت غشاهای تبادل یونی به دست می‌آیند. این غشاها به این صورت کاربردی در کروماتوگرافی ندارند ولی می‌توان از آنها برای نمک‌زدایی محلول‌ها ، که ممکن است یک عمل مقدماتی ضروری برای یک جداسازی مواد کروماتوگرافی مورد نظر باشد، استفاده کرد.




مواد مبادله کننده یون : تبادل گرهای کاتیونی و آنیونی دو نوع عمده مواد مبادله کننده یون هستند که آنها را به نوبه خود می‌توان بر حسب قدرتشان به اسید و باز تقسیم‌بندی کرد.


تبادل‌گر کاتیونی : گروه‌های قطبی در تبادل‌گرهای کاتیونی، که یا http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh/math/6f96bb332b8614f49b94bcaf7201cf42.png و یا http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/img/daneshnameh/math/52d61b0fdf9c5beb7bc3edf97fcee36a.png می‌باشند، خاصیت اسیدی دارند این گروه‌‌ها به مولکول‌های بسپار به طور قطعی متصل هستند و در معرض محلول‌ حاوی یون‌هایی که باید حذف یا جدا شوند، قرار می‌گیرند.


گروه‌های قطبی در تبادل گرهای آنیونی گروه‌های آمونیوم نوع سوم یا چهارم هستند و مثل هم عمل می‌کنند. تبادل‌گر آنیونی بیشتر به شکل کلرید هستند تا به شکل هیدروکسید زیرا کلریدها پایدارتر هستند.
خواص رزین‌ها


باید دارای گروه‌های مبادله کننده تک عاملی باشد. برای رزین‌های جدید هیچ مشکلی در این مورد وجود ندارد ولی محصولات اولیه که از فنل (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%81%D9%86%D9%84) ساخته می‌شدند چند عاملی بودند و خواص تبادل آنها بستگی به PH محلولی که در آن قرار می‌‌گرفتند، داشت. از این نقطه نظر این رزین‌ها برای کروماتوگرافی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%DA%A9%D8%B1%D9%88%D9%85%D8%A7%D8%A A%D9%88%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C) مناسب نبودند.


باید درجه اتصالات عرضی کنترل شده داشته باشد. 4 - 8 % بهترین درجه برای کروماتوگرافی است.
گستره اندازه ذرات باید تا آنجایی که ممکن است کوچک باشد.
اندازه ذرات باید، تا آنجایی که عملی است کوچک باشد.
مزیت اساسی کروماتوگرافی تبادل یونی

در کروماتوگرافی ، محلول‌های بکار رفته اکثرا رقیق هستند و در نتیجه روش شستشو بیشتر به کار می‌رود و اغلب جداسازی‌های بسیار رضایت بخشی به دست می‌آید. در مورد رزین‌ها تجزیه جانشینی و تجزیه مرحله‌ای و شستشوی تدریجی همگی به کار می‌روند. ولی از تجزیه جبهه‌ای استفاده نمی‌شود. روش دیگر شستشو ، تحت عنوان گزینش پذیری ، نیز کارآیی مفیدی دارد. این روش به تغییر فعالیت یون‌هایی بستگی دارد که باید بوسیله عامل شوینده‌ای که با یون‌ها تشکیل کمپلکس می‌دهد جدا شوند.

تشکیل کمپکس بدون شک عامل مهمی در سایر روش‌های کروماتوگرافی ، مخصوصا در جداسازی‌های معدنی روی کاغذ است، ولی در هیچ یک از سایر روش‌ها این موضوع به همان وسعت که در کروماتوگرافی تبادل یونی استفاده شده، مطالعه نشده است. یکی از قدیمیترین و جالب‌ترین موفقیت‌ها در کروماتوگرافی تبادل یونی جداسازی مواد لانتایندها در یک رزین اسید قوی و با استفاده از یک محلول سیترات تامپونی برای شستشو است.

کروماتوگرافی نمک زنی

در روش کروماتوگرافی نمک‌زنی ، از رزین‌های تبادل یونی برای جداسازی مواد (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%AC%D8%AF%D8%A7%D8%B3%D8%A7%D8%B 2%DB%8C+%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF) غیر الکترولیت‌ها ، با شستن آنها از ستون به وسیله محلول‌های آبی یک نمک ، استفاده می‌شود. اجسام جدا شده بوسیله این روش ، اترها (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A7%D8%AA%D8%B1) ، آلدئیدها (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%A2%D9%84%D8%AF%D8%A6%DB%8C%D8%A F) ، کتون‌ها و آمین‌ها هستند.

تبادل‌گرهای یون معدنی

بعضی از نمک‌های معدنی برای پر کردن کاغذ و آماده سازی آن به منظور استفاده در جداسازی‌ها که بر اثر تبادل یون صورت می‌گیرند، بکار می‌روند. یکی از دلایل توجه به مواد معدنی این است که تبادل‌گرهای یونی رزینی بر اثر تابش مستعد خراب شدن هستند. بنابراین در حقیقت برای استفاده با محلول‌های خیلی فعال مناسب نیستند. اگر چه برای جداسازی مواد ، به عنوان مثال ، مخلوط‌های اکتیندها یا موفقیت به کاربرده شده‌اند. مواد معدنی (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF+%D9%85%D8% B9%D8%AF%D9%86%DB%8C) دارای مزایای دیگری مانند گزینش پذیری خیلی زیاد برای بعضی از یون‌ها مانند روبیدیم و سزیم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=%D8%B3%D8%B2%DB%8C%D9%85) و توانایی در برابر محلو‌ل‌های با دمای بالا هستند.

به علاوه تبادل گرهای یونی معدنی وقتی که در آب قرار می‌گیرند به مقدار قابل توجهی آماس نمی‌کنند و حجم آنها با تغییر قدرت یونی محلول در تماس با آنها تغییر نمی‌کند. از طرف دیگر ، بعضی از مواد معدنی معایبی مانند انحلال پذیری یا والختی در بعضی از PHها که در آن معمولا رزین‌ها پایدارند، دارند یا ممکن است در محلول‌هایی که رزین‌ها غیر محلول هستند، حل شوند. همچنین تبادل‌گرهای یونی معدنی ممکن است به شکل بلورهای ریز باشند که به علت ممانعت از عبور فاز متحرک ، برای پر کردن در ستون‌ها مناسب نیستند. اگر چه راههایی برای فائق آمدن به این مشکل وجود دارد.


www.roshd.ir (http://www.roshd.ir)