موضوع مقاله: تبادل یونی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تبادل یونی | مقدمه: تبادل یونی معمولاً فرآیندی را برای تصفیه محلول‌های آبی با استفاده از رزین تبادل یونی پلیمری جامد توصیف می‌کند. | ## بخش 1: تبادل یونی | معنای دقیق تر این اصطلاح طیف وسیعی از فرآیندهایی را شامل می شود که در آنها یون‌ها بین دو الکترولیت مبادله می‌شوند. تبادل یونی در نرم کردن یا معدنی کردن آب، تصفیه مواد شیمیایی و جداسازی مواد استفاده می‌شود. علاوه بر کاربرد آن برای تصفیه آب آشامیدنی، این تکنیک به طور گسترده برای تصفیه و جداسازی انواع مواد شیمیایی مهم صنعتی و دارویی استفاده می‌شود. اگرچه این اصطلاح معمولاً به کاربردهای رزین‌های مصنوعی (ساخته شده توسط انسان) اشاره دارد، اما می‌تواند شامل بسیاری از مواد دیگر مانند خاک نیز باشد. تبادل یونی که یکی از اشکال پدیده جذب سطحی است، فرایندی ست که در آن یون‌های معینی در مواد جامد و غیر محلول با یون‌های گوناگون موجود در یک محلول، جایگزین می‌شوند. در این فرایند، یون غیرمطلوب از آب، توسط یک ماده تبادلگر یون (که می‌تواند رزین‌های متخلخل یا بعضی از نانومواد باشد) با یونی دلخواه تبادل می‌شود. به عنوان مثال در فرایند نرم کردن آب، آب سخت را از داخل ستونی پر از رزین تبادل یونی سدیمی عبور می دهیم که در نتیجه این کار یون سدیم وارد محلول شده و جایگزین یون های منیزیم و کلسیم موجود در آب می شود. در فرایند تبادل یون قوانین استوکیومتری برقرار است، پس در مثال بالا به ازای هر یون کلسیم یا هر یون منیزیم خارج شده، دو یون سدیم وارد محلول می شود. تبادل کننده های یونی تبادل‌کننده‌های یونی معمول، رزین‌های تبادل یونی (پلیمر متخلخل یا ژلی عامل‌دار)، زئولیت‌ها، مونت‌موریلونیت، خاک رس و گیاه خاک هستند. همچنین تبادل‌کننده‌های آمفوتری وجود دارند که قادر به تبادل همزمان کاتیون‌ها و آنیون‌ها هستند. تبادل همزمان کاتیون‌ها و آنیون‌ها اغلب در بسترهای مختلط انجام می‌شود که حاوی مخلوطی از رزین‌های تبادل آنیون و کاتیون هستند، یا محلول را از چندین ماده تبادل یونی مختلف عبور می‌دهند. مولکول‌های زیستی که می‌توانند یونیزه شوند: اسیدهای آمینه، پپتیدها، پروتئین‌ها و غیره. تبادل کاتیونی CM (گروه کربوکسی متیل، تبادل کاتیونی ضعیف) SP (گروه سولفوپروپیل، تبادل کاتیونی قوی) تبادل آنیونی DEAE-سفارز QFF رزین های تبادل یونی رزین های تبادل کاتیونی رزین‌های کاتیون اسید قوی (SAC): از یک ماتریس پلی‌استایرن با یک گروه عاملی سولفونات (SO3−) تشکیل شده‌اند. | ## بخش 2: تبادل یونی | رزین‌های کاتیون اسید ضعیف (WAC): از یک پلیمر اکریلیک و گروه‌های عاملی اسید کربوکسیلیک تشکیل شده‌اند. رزین های تبادل آنیونی رزین‌های آنیون باز قوی (SBA): رزین‌های SBA نوع ۱: بیشترین میل ترکیبی را با اسیدهای ضعیف دارند و معمولاً در طول فرآیند نمک‌زدایی آب وجود دارند. رزین‌های SBA نوع ۳: پایداری شیمیایی پایین‌تری نسبت به نوع ۱ دارند اما راندمان بازسازی بهتری دارند. رزین‌های آنیونی باز ضعیف (WBA): به عنوان جاذب اسید عمل می‌کنند؛ قادر به جذب اسیدهای قوی با ظرفیت بالا هستند و به راحتی با سود سوزآور احیا می‌شوند. رزین‌های کیلیت‌ساز برای تبادل فلزات سنگین از محلول‌های قلیایی خاکی و فلزات قلیایی استفاده می‌شود. کاربرد ها صنعت تبادل یونی به طور گسترده در صنایع غذایی و آشامیدنی، هیدرومتالورژی، پرداخت فلزات، شیمیایی، پتروشیمی، فناوری داروسازی، تولید شکر و شیرین‌کننده‌ها، تصفیه آب‌های زیرزمینی و آشامیدنی، هسته‌ای، نرم‌سازی، تصفیه آب صنعتی، نیمه‌هادی‌ها، نیرو و بسیاری از صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک نمونه بارز از کاربرد، تهیه آب با خلوص بالا برای صنایع مهندسی برق، الکترونیک و هسته‌ای است؛ یعنی مبدل‌های یونی نامحلول پلیمری یا معدنی به طور گسترده برای نرم کردن آب، تصفیه آب، رفع آلودگی آب و غیره استفاده می‌شوند. بخش خانگی تبادل یونی روشی است که به طور گسترده در فیلترهای خانگی برای تولید آب نرم به منظور استفاده در شوینده‌های لباس، صابون‌ها و آبگرمکن‌ها استفاده می‌شود. این کار با تبادل کاتیون‌های دو ظرفیتی (مانند کلسیم Ca2+ و منیزیم Mg2+) با کاتیون‌های تک ظرفیتی بسیار محلول (مانند Na+ یا H+) انجام می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای تبادل یونی در تصفیه آب خانگی، حذف نیترات و مواد آلی طبیعی است. در سیستم‌های تصفیه خانگی، تبادل یونی یکی از گزینه‌های نرم‌سازی آب در خانوارها به همراه غشاهای اسمز معکوس (RO) است. در مقایسه با غشاهای RO، تبادل یونی زمانی که آب ورودی سخت است (دارای محتوای معدنی بالایی است) نیاز به بازسازی مکرر دارد. بیوشیمی کروماتوگرافی تبادل یونی صنعتی و تحلیلی، حوزه دیگری است که باید به آن اشاره کرد. | ## بخش 3: تبادل یونی | کروماتوگرافی تبادل یونی یک روش کروماتوگرافی است که به طور گسترده برای تجزیه و تحلیل شیمیایی و جداسازی یون‌ها استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در بیوشیمی به طور گسترده برای جداسازی مولکول‌های باردار مانند پروتئین‌ها استفاده می‌شود. یکی از حوزه‌های مهم کاربرد آن، استخراج و خالص‌سازی مواد تولید شده بیولوژیکی مانند پروتئین‌ها (اسیدهای آمینه) و DNA/RNA است. متالوژی فرآیندهای تبادل یونی برای جداسازی و خالص‌سازی فلزات، از جمله جداسازی اورانیوم از پلوتونیوم و سایر اکتینیدها، از جمله توریم، نپتونیوم و آمریکیوم، استفاده می‌شوند. این فرآیند همچنین برای جداسازی لانتانیدها، مانند لانتانیم، سریم، نئودیمیم، پرازئودیمیوم، یوروپیوم و ایتربیم، از یکدیگر استفاده می‌شود. جداسازی نئودیمیوم و پرازئودیمیوم به ویژه دشوار بود و قبلاً تصور می‌شد که آنها فقط یک عنصر به نام دیدیمیوم هستند - اما دیدیمیوم آلیاژی از این دو است. دو سری از فلزات خاکی کمیاب وجود دارد، لانتانیدها و اکتینیدها، که هر دو خانواده از آنها خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار مشابهی دارند. با استفاده از روش‌هایی که توسط فرانک اسپدینگ در دهه ۱۹۴۰ توسعه داده شد، فرآیندهای تبادل یونی قبلاً تنها راه عملی برای جداسازی آنها در مقادیر زیاد بودند، تا اینکه تکنیک‌های "استخراج با حلال" که می‌توانند به طور گسترده ای افزایش یابند، توسعه یافتند. باتری و سلول سوختی رزین‌های تبادل یونی به شکل غشاهای نازک نیز در فرآیند کلرآلکالی، سلول‌های سوختی و باتری‌های اکسایش-کاهش وانادیوم استفاده می‌شوند. در این تکنیک، آنیون‌ها و کاتیون‌های موجود در آب شور به ترتیب با استفاده از الکتروفورز با آنیون‌های کربنات و کاتیون‌های کلسیم تبادل می‌شوند. سپس یون‌های کلسیم و کربنات واکنش نشان می‌دهند و کربنات کلسیم تشکیل می‌دهند که سپس رسوب می‌کند و آب شیرین باقی می‌ماند. | ## جمع‌بندی | نمک‌زدایی در دما و فشار محیط رخ می‌دهد و نیازی به غشا یا مبدل‌های یونی جامد ندارد.