Ioninvaihto

Ioninvaihto on prosessi, jossa liuoksessa olevat ionit, kationit tai anionit, vaihdetaan kiinteän matriisin sisältämiin anioneihin tai kationeihin. Ioninvaihdolla on sovellutuksia veden käsittelyssä, analyyttisessä kemiassa ja biotekniikassa.
Yleistä ioninvaihdosta.
Kationinvaihdossa liuoksen kationit vaihtuvat kiinteän matriisin sisältämiin protoneihin tai muihin metallikationeihin, tyypillisimmin natriumioneihin. Vaihdettaessa muita metalli-ioneja natriumioneiksi liuoksen pH ei muutu, mutta metallikationin vaihtaminen protoneiksi laskee liuoksen pH-arvoa. Kationinvaihto voidaan kuvata seuraavalla reaktioyhtälöllä:
R-H+ + M+ → R-M+ + H+
Anioninvaihtajat ovat positiivisesti varautuneita ja vaihtavat liuoksen anioneja tyypillisesti hydroksidi- tai kloridi-ioneiksi. Tätä menetelmää käytetään esimerkiksi humushappojen poistamiseen vesistä. Anioninvaihdon toimintaa voidaan kuvata reaktioyhtälöllä:
R+OH- + A- → R+A- + OH-
Ioninvaihtomateriaaleja.
Ioninvaihtohartsit.
Ionivaihtohartsit ovat muoveja, jotka sisältävät joko positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita ryhmiä. Negatiivisesti varautuneet kationinvaihtohartsit voidaan jakaa kahteen tyyppiin, joille on yhteistä suurempi affiniteetti muihin positiivisesti varautuneisiin ioneihin tai yhdisteisiin kuin protoneihin. Voimakkaasti happamissa kationinvaihtohartseissa hartsi koostuu ristisilloitetusta styreeni-divinyylibentseenikopolymeeristä. Polymeeri sulfonoidaan joko väkevän rikkihapon tai klooririkkihapon avulla, jolloin saadaan sulfonihapporyhmiä sisältävää hartsia. Heikosti happamia karboksyyliryhmiä sisältäviä anioninvaihtohartseja valmistetaan hydrolysoimalla polymetyylimetakrylaattia tai polyakryylinitriiliä, jolloin saadaan polyakryylihappoa. Karboksyyliryhmiä sisältävillä kationinvaihtohartseilla on erityisen suuri affiniteetti maa-alkalimetallien ioneihin ja muihin kaksiarvoisiin kationeihin.
Anioninvaihtohartsit sisältävät positiivisesti varautuneita ryhmiä, jotka ovat usein tertiäärisiä amiineja. Ne ovat emäksisiä ja luovuttavat liuokseen hydroksyyli-ioneja muiden anionien tilalle. Anioninvaihtohartsit voidaan jakaa kahteen ryhmään: heikosti ja vahvasti emäksisiin anioninvaihtajiin. Anioninvaihtajissa polymeerirunkona voi olla polystyreenirunko, joka on ensin käsitelty kloorimetyylimetyylieetterillä, jolloin on saatu kloorimetyloitu johdannainen. Johdannainen reagoi ammoniakin tai amiinien kanssa muodostaen aminojohdannaisia. Yleisimmin käytetyt vahvasti emäksiset anioninvaihtohartsit sisältävät kvaternäärisiä ammoniumryhmiä, esimerkiksi bentsyylitrimetyyliammoniumryhmän, ja vaihtavat liuoksesta lähes kaikki anionit hydroksidi-ioneiksi. Heikommin emäksiset, esimerkiksi tertiäärisiä amiiniryhmiä sisältävät anioninvaihtajat vaihtavat hydroksidi-ioneja ainoastaan vahvojen happojen anioneihin. Myös polyakryylipohjaisia hartseja voidaan käyttää anioninvaihtajina.
Ioninvaihtohartsit voivat perustua myös kelaatioon. Tällöin hartsissa on usein esimerkiksi tioliryhmiä, jotka sitoutuvat raskasmetalleihin. Iminodietikkahappo-, aminofosfonihappo- ja amidoksiiniryhmiä sisältävien ioninvaihtohartsien kelatoimiskyky on riippuvainen liuoksen happamuudesta, jolloin metalleja voidaan erottaa selektiivisesti toisistaan pH:ta vaihtelemalla.
Ioninvaihtogeelit.
Ioninvaihtogeelit sisältävät matriisina joko selluloosa- tai dekstraanipolymeerin, joihin on liitetty happamia tai emäksisiä ryhmiä. Tyypillisiä happamia ryhmiä ovat karboksimetyyli- ja sulfopropyyli- tai sulfoetyyliryhmät ja emäksisiä ryhmiä kvaternääriset ammoniumryhmät ja dietyyliaminoetyyliryhmät. Ioninvaihtogeelien varaustiheys on pienempi kuin ioninvaihtohartseilla ja ne sitoutuvat erityisesti makromolekyyleihin, kuten proteiineihin.
Ioninvaihdon sovellutuksia.
Ioninvaihtokromatografia.
Ioninvaihtokromatografia on kromatografiamenetelmä, jota käytetään analyyttisen kemian tutkimuksissa. Ioninvaihtokromatografiassa komponenttien eluutionopeus riippuu stationäärifaasin ja näytteen komponenttien välisistä vuorovaikutuksista. Jos stationäärifaasi sisältää negatiivisesti varautuneita ryhmiä, niin ulkoisesti varauksettomat ja negatiivisesti varautuneet yhdisteet kulkeutuvat kolonnin läpi nopeammin kuin positiivisesti varautuneet ja voidaan erottaa niistä. Tällöin ioninvaihtaja on tyypiltään kationinvaihtaja. Vastaavasti stationäärifaasin ollessa positiivisesti varautunut anioninvaihtaja, kulkeutuvat negatiivisesti varautuneet komponentit kromatografiakolonnin läpi hitaammin. Retentioaikaan vaikuttaa myös komponentin koko ja eluutioliuoksen pH.
Ioninvaihtokromatografiaa hyödynnetään muun muassa biokemiassa ja biotekniikassa proteiinien erottamiseen toisistaan. Proteiinit erottuvat kolonnissa kokonaisvarauksensa perusteella. Positiivisesti varautuneet proteiinit erottuvat negatiivisesti varautuneita karboksimetyyliryhmiä sisältävissä kolonneissa ja negatiivisesti varautuneet proteiinit positiivisesti varautuneita dietyyliaminoetyyliryhmiä sisältävissä kolonneissa. Proteiinit voidaan vapauttaa huuhtelemalla kolonni natriumkloridiliuoksella tai eluutioliuoksen pH:ta muuttamalla. Proteiinien erottamiseen käytetään myös ioninvaihtokalvoja. Kalvojen etuna hartsitäytteisiin kolonneihin on suurempi kapasiteetti sekä helppo steriloitavuus.
Vedenkäsittely.
Vedenkäsittelyssä ioninvaihtoa käytetään erityisesti veden pehmentämiseen ja deionisointiin. Veden pehmentämisessä veden kovuutta lisäävät kalsium- ja magnesiumionit sitoutuvat kationinvaihtomatriisiin ja vapauttavat liuokseen natriumioneja, mikä pehmentää veden. Vedenpehmennyksen yhteydessä poistuu vedestä magnesiumin ja kalsiumin lisäksi usein myös rauta- ja mangaani-ioneja. Deionisaatiossa puhdistettava vesi ohjataan sekä anioninvaihtimen että kationinvaihtimen läpi. Kationinvaihtohartsi on vahvasti hapan, jolloin kationit vaihtuvat protoneiksi, ja anioninvaihtohartsina käytetään usein heikosti emäksistä hartsia, joka vaihtaa anionit hydroksidi-ioneiksi. Hydroksidi-ionit ja protonit reagoivat keskenään muodostaen vettä.