یون چیست؟
برای بررسی فرآیند تبادل یون، ابتدا بیایید به سراغ یون ها برویم و با آن ها شروع کنیم. همانطور که می دانید؛ در هر نمک معدنی، یک آنیون و یک کاتیون در کنار هم قرار گرفته و تحت تاثیر جاذبه های کوالانسی، یک شبکه بلور ایجاد می کنند. این شبکه های از واحد های مثبت و منفی تشکیل شده که به هر یک از آن ها یک یون گفته می شود. یون های مثبت را کاتیون و یون های منفی را اصطلاحا کاتیون می نامیم.
یک یون می تواند به صورت یک اتم مثل اتم کلر، اتم هیدروژن و… یا در قالب یک واحد مولکولی مثل سولفات، فسفات و… باشد. هر یون حمل کننده میزان مشخصی بار الکتریکی است. مهم نیست که اندازه یون چقدر بزرگ یا کوچک باشد؛ تنها عامل تعیین کننده مقدار بار یک یون، اتم های سازنده آن است.
تبادل یون چیست؟
تبادل یون یک فرآیند فیزیکی است که طی آن، دو یون از دو مولکول یا دو ساختار بلوری، جایشان را با هم عوض می کنند. توجه داشته باشید که این فرآیند فرآیندی کاملا فیزیکی و برگشت پذیر است. ما بسیاری از واکنش های شیمیایی را داریم که در آن ها جای دو یون در دو مولکول عوض می شود؛ اما این ها واکنش های شیمیایی بوده و اصلا تبادل یون نیستند.
تبادل یون فرآیندی کاملا فیزیکی، برگشت پذیر و دائمی است. در واکنش های شیمیایی، جا به جایی یون بین دو مولکول فرآیندی برگشت ناپذیر است. یون ها پس از جا به جایی در ساختار دو مولکول، دیگر به مولکول اولیه شان برنمی گردند. اما در تبادل یون، یون ها دائما بین مولکول مبدا و مقصد جا به جا می شوند.
البته لازم است به این نکته اشاره کنیم که تبادل یون فرآیندی است که بین دو یون از دو ساختار که یکی محلول در حلال مورد آزمایش است و دیگر نامحلول اتفاق می افتد. برای تبادل یون، از رزین های تبادل یون استفاده می شود که موادی نامحلول در آب اند.
تبادل یون می تواند آنیونی باشد؛ یعنی در این تبادل فقط آنیون جا به جا شود. همچنین به طور مشابه می تواند کاتیونی باشد که طی آن، کاتیون بین دو مولکول یا ساختار مبادله شود. البته ما نوع دیگری از تبادل یون داریم که تبادل آمفوتری نام دارد. در این نوع تبادل، هم آنیون و هم کاتیون به طور همزمان مبادله می شوند.
برای انجام فرآنید تبادل می توان از انواع رزین های تبادل یونی، مزوپور های مختلفی مثل انواع زئولیت، انواع پلیمر، آهک اصلاح شده و حتی شن و خاک استفاده کرد.
کاربرد های تبادل یون
فرآیند مبادله یون کاربرد های مختلفی در صنایع شیمیایی و غیر شیمیایی دارد که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تصفیه آب و فاضلاب
بسیار پیش می آید که در فرآیند تصفیه آب و فاضلاب صنعتی و شهری، یک یون خطرناک و یا مزاحم مطلوب نبوده و بخواهیم آن را حذف کنیم. به عنوان مثال، یون های آرسنیک، جیوه، کادمیم و… باعث سمیت شدید آب شده و باید حذف شوند. یکی از راه های حذف این یون های خطرناک، استفاده از رزین های تبادل یون است.
- خالص سازی مواد آلی
در فرآیند ساخت مواد آلی، از بسیاری مواد مختلف استفاده می شود. پس از انجام سنتز، باید مواد اضافی و ناخالصی ها را حذف کنیم تا به ماده خالص دست پیدا کنیم. یکی از تکنیک های مورد استفاده برای حذف نمک ها و یون ها، استفاده از رزین های تبادل کننده یون است.
- خالص سازی فلزات در فرآیند استخراج فلزات نادر
همه ما می دانیم که استخراج فلزات نادری مثل اورانیوم، پالادیوم و… چقدر باارزش و مهم است. در برخی فرآیند های استخراج می توان از این رزین ها استفاده کرده و یا برای جداسازی آن ها نیز می توان روی این مواد حساب باز کرد. به عنوان مثال، جداسازی اورانیوم از پالادیوم را می توان با این مواد انجام داد.
- انواع کروماتوگرافی
در انجام کروماتوگرافی های مختلف، بسیار پیش می آید که یک ماده یا یون در روند کروماتوگرافی اخلال ایجاد کرده و باعث اشتباه در نتایج می شود. بنابراین لازم است تا پیش از وارد کردن مواد به ستون کروماتوگرام، این یون ها را حذف کنیم. بهترین راه برای حذف انتخابی این یون ها و مواد مزاحم، انواع مواد توانمند در حذف یون های می باشد.
