Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

7.4. Ioncsere

7.4. Ioncsere

Az ioncsere művelete során egy vagy több komponens szelektív megkötése megy végbe valamilyen oldatból ionitok segítségével. Az ioncserélő műveletek tulajdonképpen cserebomlással járó kémiai reakciók egy oldott elektrolit és egy másik, az oldattal érintkező oldhatatlan elektrolit (ionit) között. Ezeknek a reakcióknak a mechanizmusa és kivitelezése hasonló az adszorpcióhoz, így a műszaki szempontból az ioncsere egyszerűen az adszorpció egy speciális esetének is tekinthető.

7.4.1. Ioncserélők

Az ioncserét az úgynevezett ionitokkal végezzük, amelyek vízben és közönséges oldószerekben gyakorlatilag oldhatatlanok. Mozgékony ionjaik az elektrolit oldat mozgékony ionjaival ekvivalens mennyiségben, azonos töltéssel cserélnek helyet. Az ionitok legtöbbször szemcsék, amelyek pozitív vagy negatív töltésű ionos csoportokat tartalmaznak, és az ezekhez csatlakozó, szabadon mozgó ellenionjaikat képesek más, hasonló töltésű ionokkal kicserélni. Az ionitok lehetnek természetes vagy szintetikus, szervetlen, illetve szerves anyagok. A természetes ionitokhoz tartoznak például az ásványi zeolitok, a talajkolloidok, vagy az ásványi szenek. A szintetikus ionitokhoz tartoznak a molekulasziták (szabályos kristályszerkezetű zeolitok), az ioncserélő gyanták, egyéb aktivált ásványok és szerves anyagok. A természetes vagy mesterséges szilikátok, a zeolilok, például a Na2O•Al2O3•4SiO2 •2H2O összetételű ásvány. Egy olyan oldat pozitív töltésű ionjai (kationjai), amelyek bediffundálnak az ásvány pórusaiba, kicserélődnek az ásvány Na+-ionjaival, ezért az ilyen ásványokat kationcserélőknek nevezzük. Például

(7.37)

ahol R jelenti a zeolit maradékát. Ilyen módon a keménységet okozó Ca2+-ionokat tartalmazó víz zeoliton átáramoltatva lágyabb lesz, mivel a Na+-ionokkal kicserélik az oldatban levő Ca2+-ionokat. A Ca2+-ionok megkötődnek a szilárd anyagban. A reakció megfordítható, és a Ca2+-ionokkal telítődött zeolit sóoldattal regenerálható:

(7.38)

A szénzeolitok például lignitnek különböző reagensekkel, így füstölgő kénsavval való kezelése útján készültek. Az ilyen ioncserélők sóoldat helyett savval regenerálhatók hidrogéntartalmú, HR alakká. Így egy Ca(HCO3)2 oldat a Ca2+-ionok lecserélése után H2 CO3-at tartalmaz és mivel a szénsav könnyen eltávolítható, ilyen módon csökkenthető a víz keménysége. Az ioncserélőket kezdetben vízlágyítási problémák megoldására használták. A szintetikus ioncserélő műgyanták, például szulfon-, karboxil- vagy fenol csoportot tartalmazó szintetikus oldhatatlan polimer gyanták úgy foghatók fel, mint rendkívül nagy anionból és kicserélhető kationból álló vegyületek. Ezekkel lehetségesek a

(7.39)

típusú ioncserélő műveletek. Különböző kationok különböző erősséggel kötődnek meg a gyantán. Például gyantán megkötött Na+-ionok kicserélhetők más kationokkal vagy H+-ionokkal, egészen úgy, mint ahogy egy közönséges adszorbensen adszorbeált oldott anyag kicserélhető valamilyen más oldott anyaggal. Hasonlóképpen amino-csoportokból és anionokból álló szintetikus, oldhatatlan polimer gyanták felhasználhatók az oldatok anionjainak kicserélésére. Ennek mechanizmusa bonyolultabb, de a jelen tárgyalásmód szempontjából egyszerű ioncserének tekinthetjük. így például

(7.40)

ahol az -RNH3 a gyanta nem cserélhető kationcsoportját jelenti. Ezek a gyanták nátrium-karbonát vagy nátrium-hidroxiddal regenerálhatók.

A reakció megfordítható, az egyenlőségjel helyett a kettős nyíl írása lenne a precíz jelölés. A legkülönbözőbb ioncserélő tulajdonságú műgyanták szerezhetők be granulált vagy gyöngy alakban. Az egyes gyöngyök gyakran megközelítik a tökéletes gömb alakot.

7.4.2. Ioncserélők alkalmazása

Az adszorpciós módszereket mind alkalmazzák az ioncserénél is. Így oldatok feldolgozására alkalmaznak szakaszos vagy fokozatos eljárásokat, félfolyamatos vagy nyugvóréteges műveleteket, és folytonos ellenáramú műveletet is. Leggyakoribb a nyugvóréteges perkoláció. A már előbb említett vízlágyításon kívül a víz teljes ionmentesítése is elvégezhető úgy, hogy előbb egy kationcserélőn, majd anioncserélőn perkolálunk. Ha azonos mennyiségű erős kationcserélő és erős anioncserélő keverékéből készült ágyat használunk, az ionmentesítés semleges PH mellett is elvégezhető. Az ilyen kevertágyas ioncserélőket regenerálás előtt részecskenagyság és sűrűség szerint szétválasztják a két eredeti gyantára, és ezeket külön-külön regenerálják. Az ioncserélőket híg hulladékoldatok kezelésére és töményítésére is használják.

7.4.3. Egyensúlyok

Valamely ion egyensúlyi megoszlása az ioncserélő és az oldat között ugyanúgy írható le grafikusan izotermákkal, mint az adszorpció. Különböző empirikus egyenletek, így például a Freundlich egyenlet, esetenként alkalmazhatók ezekre az izotermákra. A tömeghatás törvényét alkalmazva a kicserélődési reakcióra, így például a

(7.41)

tömeghatás törvénye.

(7.42)

ahol a szögletes zárójel az egyensúlyi koncentrációt jelenti. A K a relatív adszorptivitás kifejezése, jelen esetben a Na+ -ionok és a H+ -ionok relatív adszorptivitása. Mivel a szilárd fázis az ioncsere alatt semleges, írhatjuk, hogy

(7.43)

Az egyenletben c0 a Na+ -ionok és a H+ -ionok ionkoncentrációk összege az oldatban, a művelet megkezdésekor, ami az összes ionkoncentrációt jelenti a rendszerben minden időpillanatban. A c* az ioncsere után az egyensúlyi Na+ -ion koncentráció, X a Na+ -ion koncentráció a szilárd fázisban, X0 a Na+ -ion koncentrációja a szilárd fázisban, amennyiben az összes H+ -ion kicserélődne Na+ ionokra. Valamennyi koncentrációt egységnyi térfogatra vagy tömegre vonatkoztatott egyenértéktömeggel fejezzük ki.

7.4.4. Ioncsere sebessége

Az ioncsere sebessége hasonlóan az adszorpció sebességéhez, az alábbi folyamatok sebességétől függ. (1) Az ionok diffúziója az oldat belsejéből valamelyik ioncserélő részecske külső felületéhez. (2) Az ionok diffúziója a szilárd anyagban az ioncserélés helyére. (3) Az ionok kicserélődése. (4) A kicserélt ionok diffúziója a szilárd anyag felületére. (5) A kicserélt ionok diffúziója a szilárd részecskék felületéről az oldat belsejébe. Természetesen az ioncserélés sebességét a leglassúbb részfolyamat sebessége határozza meg. Bizonyos esetekben a (3) pontban említett kicserélődési reakció a folyamat sebességét meghatározó tényező, más esetekben a reakció sebessége nagy, a diffúzió sebességéhez viszonyítva. A diffúzió sebességét a szilárd illetve a folyadékfázison keresztül történő ekvimolekuláris szembe diffúzió anyagátadási együtthatóval lehet leírni. Bizonyos esetekben a folyamat sebességét meghatározó tényező a folyadékfázisú diffúzióval szemben kifejtett ellenállás. Abban az esetben, ha a kicserélődési reakció az anyagátadási sebességhez gyors, akkor az adszorbereknél megismert módszereket közvetlenül alkalmazhatjuk az ioncserés műveletekre.