Frill80: 1 revizi

2014-06-06T01:07:13Z

1 revizi

← Starší verze

Verze z 6. 6. 2014, 01:07

Sysop: 1 revizi

2011-04-12T15:41:14Z

1 revizi

Nová stránka

'''Ionex''' je měnič iontů (také se používá nesprávný termín ''iontoměnič''). Jedná se o vysokomolekulární látku s dostatečnou [[pórovitost]]í, jejíž základní skelet na povrchu nese náboj. V praxi používané měniče iontů (ionexy) jsou většinou syntetické vysokomolekulární organické látky, nejčastěji na bázi [[styren]]u, [[polyakrylát]]u, [[fenolformaldehydová pryskyřice|fenolformaldehydových pryskyřic]] a podobně. Jako síťovací činidlo je použit obvykle [[Vinylbenzen|divinylbenzen]] v různých koncentracích, jejichž výše ovlivňuje do značné míry selektivní a [[Bobtnání|bobtnací]] vlastnosti ionexu. Na [[Polymer|polymerním skeletu]] je ukotvena funkční skupina, která je ve vodném prostředí schopná [[disociace]]. Tato skupina nese [[elektrický náboj|náboj]], který je kompenzován [[Ion|protiiontem]]. Podle druhu protiontu rozlišujeme různé '''pracovní cykly '''(nebo také formy ionexu).
== Anex ==
Anex je měnič aniontů. Funkční skupina anexu má kladný náboj, protiiont záporný náboj. Nejčastějšími protionty jsou [[hydroxyl|OH-]] (jedná se o anex v OH cyklu), nebo [[Chlor|Cl-]] (anex v Cl cyklu). Cílem '''anexu''' je odstranění aniontů z vodného roztoku.
<code>m R-OH + Xm- = RmX + m OH-</code>
Pro názornost předpokládejme, že je v roztoku přítomen [[NaCl]].
<code>-(N(CH3)3)OH + HCl = -(N(CH3)3)Cl + H2O</code>
=== Dělení anexů ===
Podle schopnosti disociace/protonizace dělíme anexy na
* '''silně bazické''' - jsou schopny disociace při jakémkoli [[kyselost|pH]]. Funkční skupina je tvořena [[kvartérní amoniová sůl|kvartérní amoniovou solí]]. Rozlišují se dva typy silně bazických anexů - typ I, který má na atomu dusíku navázané tři [[methyl]]ové skupiny; a typ II, který má na dusíku odlišné skupiny (dvě methylové skupiny a jednu [[hydroxyethyl]]ovou). Dalším typem je pak selektivní ionex pro odstraňování dusičnanů z pitné vody, který má na dusíku navázané tři [[ethyl]]ové skupiny. Zatímco Typy I a II upřednostňují vazbu se [[síran]]ovým an[[ion]]tem před [[dusičnan]]ovým, tento ionex upřednostňuje vazbu s dusičnanovým aniontem.
* '''slabě bazické''' - protonizují pouze v neutrálním a kyselém pH, obvyklou funkční skupinou bývají [[amin]]oskupiny.
== Katex ==
Katex je měnič kationtů. Funkční skupina katexu má záporný náboj, protiiont kladný náboj. Nejčastějšími protionty jsou H+ (jedná se o katex v H cyklu), nebo [[sodík|Na+]] (katex v Na cyklu).
Cílem '''katexu''' je odstranění kationtů z vodného roztoku. Obecně lze výměnu zapsat:
<code>n R-H + Men+ = RnMe + n H+</code>
Pro názornost předpokládejme, že je v roztoku přítomen NaCl. Poté dochází k reakci:
<code>-SO3H + NaCl = -SO3Na + HCl</code>
Roztok obsahující NaCl obsahuje po průchodu katexem kyselinu chlorovodíkovou.
=== Dělení katexů ===
Katexy se dají rozdělit na
* '''silně kyselé''' - disocijují při všech hodnotách pH. Funkční skupinou bývá -SO3H, která disocijuje na -SO3-
* '''slabě kyselé''' - disocijují pouze v neutrálním a zásaditém pH. Funkční skupinou bývá karboxylová skupina -COOH, která disocijuje na -COO-
== Amfolytické ionexy ==
Amfolytické ionexy mají schopnost vyměňovat kationty i anionty. Jejich uplatnění v praxi je omezené.
== Selekční vlastnosti ionexů ==
Schopnost ionexů vázat na sebe určitý druh iontů a síla této vazby závisí na mnoha parametrech:
* velikost pórů ionexu
* charakter protiontů
* náboj iontu (s rostoucím nábojem roste [[chemická afinita|afinita]])
* poloměr iontu v jeho hydratovaném stavu (při stejném náboji iotu s klesajícím poloměrem roste afinita)
* [[polarizovatelnost]] iontu (s polarizovatelností roste afinita)
* schopnost tvořit [[asociát]]y nebo [[komplexní sloučenina|komplexy]] s ionty fixovanými na ionexu (afinita roste)
* schopnost tvořit asociáty nebo komplexy s ionty v roztoku (afinita klesá)
Pro každý typ ionexu se sestavují selektivitní řady - což je řada kationtů nebo aniontů uspořádaných podle vrůstající, nebo klesající afinitě k ionexu.
== Další dělení ionexů ==
Podle složení se ionexy dělí na organické a anorganické. Obě skupiny se dál dělí na umělé a přírodní ionexy. Mezi '''přírodní organické ionexy''' patří například [[huminové látky]], [[sacharidy]], [[fulvokyselina|fulvokyseliny]], atd. Mezi '''přírodní anorganické''' ionexy řadíme [[hlinitokřemičitan]]y (hlavně [[zeolit]]y). V jejich struktuře jsou některé [[atom]]y [[křemík]]u (s nábojem +4) nahrazeny trojmocným kovem (obvykle [[železo|železem]] nebo [[hliník]]em), případně některý atom trojmocného hliníku nahrazuje atom dvojmocného kovu (vápník, hořčík, železo) - v těchto místech vzniká záporný náboj. '''Syntetické organické''' ionexy se v praxi používají nejčastěji, jejich základem jsou polymeru [[styren]]u, [[divinylbenzen]]u, a podobně. Existují i '''syntetické anorganické''' ionexy - například syntetické zeolity, které se dají vyrobit i z elektrárenských popílků. Jejich vlastnosti se dají do určité míry ovlivnit.
Ionexy se podle velokosti pórů dělí na gelové a na makroporézní. '''Gelové ionexy''' mají menší velikost pórů (řádově nano[[metr]]y), jsou vhodné spíš pro výměnu menších iontů a jsou mechanicky méně odolné. '''Makroporézní ionexy''' mají velikost pórů uměle zvýšenou na stovky nanometrů. Jejich vnitřní struktura je pravidelnější, jsou tak více mechanicky odolné a mají vyšší stupeň zesíťování, výměna iontů je rychlejší. Mívají však menší objemovou kapacitu.
== Parametry ionexu ==
* Bobtnavost - bobtnavost vyjadřuje míru [[bobtnání]], vyjadřje se jako nárůst objemu ionexu po namočení ve vodě, udává se v %
* Zrnění - udává velikost zrn ionexu. Udává se rozsah zrnění, případně koeficient stejnozrnnosti (obvykle jako podíl ''d60'' ku ''d10'', kde d10 je průměr zrn, jehož hodnoty dosahuje a překračuje 90% materiálu; d60 je průměr zrn, kterého dosahuje nebo překračuje 40% materiálu)
* Procento zesíťování - určuje odolnost ionexu. Udává se jako procentuální podíl divinylbenzenu.
* Stabilita ionexu - Ionex mohou narušit oxidační činidla, mechanická destrukce a teplota - zvýšení teploty ohrožuje obzvlášť silné anexy II. typu, které se rozkládají již při 50-80 °C.
* Selektivita ionexu
* Specifické zatížení ionexu - objem vody zpracovaný 1m3 ionexu za určitý čas
* Výkon ionexu - objem upravené vody za určitý čas
* [[Hustota]] ionexu
* Celková kapacita ionexu - látkové množství funkčních skupin ionexu, přepočítaná na jednomocné ionty, udává se jako [[val]].[[litr|l-1]]
* Užitková kapacita ionexu - látkové množství iontu (vyjádřené jako jednomocné ionty), které ionex zachytí do okamžiku průniku
== Pracovní cyklus ionexu ==
=== Iontová výměna ===
[[Iontová výměna]] je vlastní pracovní cyklus ionexu. Hnací silou je [[difuze]], vliv má i rozdíl koncentrací vně a uvnitř ionexu, elektrický potenciál, případně další probíhající chemické reakce. Ionty nejprve difundují do vnější, filmové vrstvy ionexu, což je část roztoku blízko ionexu, která už neproudí a je v klidu. Rychlost této difuze závisí na proudění roztoku kolonou. Pak následuje difuze skrz filmovou vrstvu k ionexu, poslední fází difuze je gelová difuze, neboli difuze skrz povrchovou vrstvu ionexu k funkční skupině. Řídícím dějem (neboli dějem, který je nejpomalejší, a tak určuje celkovou rychlost procesu) je gelová difuze (pro koncentrace iontů do 0,1mol/kg roztoku), nebo filmová difuze (pro koncentrace iontů do 0,01 mol/kg roztoku).
Na začátku je všechen ionex v určité formě. Pro případ silného katexu v Na+ cyklu jsou všechny protionty sodné kationty. Při průtoku roztoku kolony dochází k nahrazování Na+ iontů jinými kationty - nejsilněji se vážou ionty s nejvyšší afinitou k ionexu (např. vícemocné kovy), slaběji další ionty podle selektivitní řady. Uvolní se ionty Na+, které odtékají z kolony. Zároveň ionty s vyšší afinitou (například Fe3+) vytěsňují z funkčních skupin ionty s nižší afinitou (například Mg 2+), které se tak posouvají do dalších částí kolony. V okamžíku, kdy jsou odplaveny všechny ionty Na+ (v odtoku se objeví iont z roztoku s nejnižší afinitou k ionexu) dochází k vyčerpání ionexu a je nutné ho regenerovat.
=== Praní a kypření ===
Při průtoku vody ionexem se ionex stlačuje a sesedá, zvyšují se tak tlakové ztráty. Pokud roztok zároveň obsahuje nerozpuštěné látky, ionex se zanáší a ucpává. Proto je třeba občas ionex vyprat, což se dělá [[protiproud]]ně směsí vody a vzduchu. Nevýhodou je, že se promíchají jednotlivé vrstvy ionexu a zvyšuje se tak spotřeba regeneračního činidla.
=== Regenerace ===
Regenerace je převedení ionexu do původního pracovního cyklu. Provádí se přebytkem regeneračního činidla (až 6 násobek oproti [[stechiometrie|stechiometrii]]). Dá se provádět souproudně, protiproudně, frakčně, dvouproudně, interně, nebo externě.
=== Vymývání ===
Provádí se čistou vodou (prošlou ionexem), vymyje se zbytek regeneračního činidla z kolony. Pak je ionex opět připraven k použití.
== Druhy ionexových stanic ==
* kolony s nepohyblivou vrstvou ionexu
* směsné lože
* kolony s ionexovou vrstvou ve vznosu
* kontinuální ionexová kolona
== Použití ionexů ==
=== "změkčování vody" ===
Pomocí ionexu se dají odstranit ionty Ca2+ a Mg2+. Pro tyto účely se používají silné katexy zpravidla v sodíkovém cyklu. [[Solnost]] roztoku zůstane zachována - ionty vápníku a hořčíku jsou nahrazeny sodnými ionty.
=== deionizace vody ===
Pro deionozaci vody se používá slabě kyselý katex v H-cyklu, který vymění všechny kationty. Za něj se zařazuje slabě bazický anex v OH cyklu, který vymění většinu aniontů. Produktem je [[deionizovaná voda]].
=== demineralizace vody ===
[[demineralizovaná voda|Demineralizovanou vodu]] získáme zařazením silně bazického anexu v OH cyklu za kolonu pro výrobu deionizované vody. Tento ionex odstraní i zbytky aniontů a [[oxid křemičitý]].
=== dekarbonizace vody ===
Dekarbonizace vody je odstranění [[hydrogenuhličitan]]ových aniontů. Provádí se silně kyselým katexem v H cyklu (moc se už nepoužívá) nebo slabě kyselým katexem. Odstranění lze provádět také "neutrální dekarbonizací", kdy se používá silně bazický anex v Cl-formě.
Probíhá reakce
a)pro silně kyselý katex:
<code>HCO3- + H+ = CO2 + H2O</code>
b)pro slabě kyselý katex
-COOH + Na+ + HCO3- = -COONa + H2O+ CO2
slabě kyselý katex vyměňuje jen kationty ekvivaletnímu obsahu HCO3-
=== odstranění [[Dusičnany|dusičnanů]] ===
Používají se silně bazické anexy II. typu. Regenerační roztok po promývání obsahuje velké množství dusičnanů, které se likvidují obvykle [[elektrolýza|elektrolýzou]]:
<code>2 NO3- = 2 NO2 + O2 + 2 e-</code>
Vzniklý [[oxid dusičitý]] se odvětrává nebo dál zpracovává.
=== selektivní odstraňování těžkých kovů ===
Pro selektivní odstraňování těžkých kovů se používají komplexotvorné ionexy. Dřív měly především skupinu -SH nebo -S-S-H, reakcí s vícemocným kovem vznikl velmi pevný komplex, který se ovšem nedal regenerovat (musí se spalovat), jeho výhodou je silná afinita ke [[rtuť|rtuti]]. Dnes se používají ionexy se skupinami typu IDA, NTA, nebo EDTA, které s kovem vytváří přes atom kyslíku nebo dusíku koordinační vazbu.
=== odstranění [[amoniak]]álního dusíku ===
Amoniakální dusík je ve vodě [[indikátor]]em fekálního znečištění. Pro jeho odstranění se používají především [[zeolit]]y, protože jsou levné a mají dobrou afinitu k jednomocným kationtům. Na druhou stranu mají malou kapacitu a nedají se regenerovat. Používají se například do [[kočkolit]]ů, někdy se i přidávají dobytku do krmiva.
=== likvidace roztoků s [[komplexní sloučenina|komplexně]] vázanými kovy ===
Tato technologie se používá především pro získávání vzácných kovů z roztoků, případně pro odstraňování toxických látek. Používají se ionexy, které z dokáží kov z komplexu navázat na ionex, v roztoku zůstane pouze roztok komplexotvorného činidla. Jako funkční skupiny ionexů se používají například [[aminomethylpyridin]], oligoethylenaminy (TETA, TEPA, PEHA, …) a podobně. Některé z nich jsou vysoce specifické.
=== odstraňování aniontů těžkých kovů ===
Používá se silně bazický anex v Cl cyklu. Pokud je v zachyceném aniontu drahý kov, ionex se spálí a kov se oddělí. Pokud ionex nelze spálit (nebo je to drahé), používá se regenerace [[rhodanid]]em draselným KSCN, z jeho roztoku se pak kov získá elektrolýzou.
== Související články ==
* [[Iontová výměna]]
== Literatura ==
* Marhol, Milan. Měniče iontů v chemii a radiochemii, 433 s., Academia, Praha, 1976
* Šmíd, Jaromír a kol. Měniče iontů, jejich vlastnosti a použití, 630 s., SNTL, Praha 1954
* Samuelson, Olof. Měniče iontů v analytické chemii, 403 s., SNTL, Praha, 1966

{{Článek z Wikipedie}}
[[Kategorie:Makromolekulární chemie]]

Ionex - Historie editací

Frill80: 1 revizi

Sysop: 1 revizi