Ioonuitruiling

Harskorrels wat gebruik word in ioonuitruiling.

Ioonuitruiling is die uitruiling van ione tussen twee elektroliete, of tussen 'n elektrolietoplossing en 'n kompleks. In die meeste gevalle word die term gebruik vir die prosesse van suiwering, skeiding en reiniging van waterige en ander ioonbevattende oplossings met 'n vastestof polimeeragtige of mineraalagtige "ioonuitruiler".

Geskiedenis

Ioonuitruiling is beskryf as die oudste wetenskaplike verskynsel wat aan die mensdom bekend is. Hierdie bewering spruit voort uit beskrywings wat in die Bybel en in die geskrifte van Aristoteles voorkom, maar die eerste werklik wetenskaplike toespeling op ioonuitruiling word toegeskryf aan twee Engelse landbouchemici in 1850. Dit was J. T. Way en H. S. Thompson, wat onafhanklik van mekaar die vervanging van kalsium deur ammoniumione in gronde waargeneem het. Hierdie ontdekking was die voorloper van die studie van anorganiese materiale wat in staat was tot 'basis'-uitruiling. In 1858 het C. H. Eichhorn getoon dat natuurlike seolietminerale (chabasiet en natroliet) katione omkeerbaar kon uitruil. Die belangrikheid van hierdie eienskap in waterversagting is erken deur H. Gans wat aan die begin van die eeu 'n reeks sintetiese amorfe aluminosilikate vir hierdie doel gepatenteer het. Hy het hulle 'permutiete' genoem. Hulle is tot onlangse tye wyd gebruik om industriële en huishoudelike watervoorrade te versag, sowel as om in kernafvalbehandeling gebruik te word. Permutiete het nogtans lae ioonuitruilvermoë gehad en was beide chemies en meganies onstabiel.

Dit het 'n paar mites geskep wat algemeen in elementêre tekste genoem word, naamlik dat seolietminerale verantwoordelik is vir die uitruiling in gronde en dat permutiete sintetiese seoliete is. Dis egter die teenwoordigheid van kleiminerale in gronde wat verantwoordelik vir die meerderheid van hul uitruilvermoë is en seoliete is per definisie kristallyn en nie amorf soos die permutiete nie. Die klem het in die 1930's begin verander toe die Permutit Company organiese ioonuitruilmateriale bemark het. Hulle was gebaseer op gesulfoneerde kole, wat vanaf ongeveer 1900 bekend was. Dit is as 'Zeo-Karb'-uitruilers verkoop en, ten spyte van hul lae kapasiteit en onstabiliteit, was hulle nog in die 1970's beskikbaar.

Ioonruilerproduksie is radikaal verander deur die ontdekking van sintetiese harswisselaars deur B. A. Adams en E. L. Holmes in 1935. Hulle het 'n kondensasiepolimerisasiereaksie gebruik om 'n korrelmateriaal te skep wat in kolomme gebruik kan word en tot baie onlangs is die meerderheid van ioonuitruiling uitgevoer op hars-gebaseerde materiale.

Gebruike

Ioonskeiding en -uitruiling is belangrik vir analitiese tegnieke, grootskaalse industriële watersuiwering, farmaseutiese produksie, proteïenchemie, afvalwaterbehandeling (insluitend kernafval) en metaalherwinning (hidrometallurgie). Daarbenewens speel dit 'n kritieke rol in lewensprosesse, grondchemie, suikerverfyning, katalise en in membraantegnologie.

Kinetiek

Mordeniet se struktuur

Die kinetiek van ioonuitruiling bestudeer die evolusie in die tyd van die migrasie van die uitruilende ioon na die middel of die vervanging van die aanvanklike katione in die struktuur. Die migrasie van die uitruilioon vind plaas binne die stilstaande film rondom die deeltjie. Die film se dikte neem af wanneer die vloeistof geroer word. Die katioon diffundeer deur hierdie film, deur porieë en kanale na die plekke van die interne katione waar die uitruiling plaasvind en dan beweeg die vervangde katioon in die teenoorgestelde rigting. Die ioonwisseling se spoed word beïnvloed deur die korrelgrootte en die temperatuur van ioonuitruilmateriaal. Klein deeltjies verseker 'n hoër diffusietempo van die ione deur die porieë. As die feit in ag geneem word dat die katioonposisie binne-in die materiaal nie vas is nie, kan die ioonuitruiling in een of meer stadiums verloop. Die algehele tempo van die proses wat in verskeie stadiums ontwikkel, word beperk deur die stadigste stadium se tempo.

Ioonuitruiling is 'n massa-oordragproses in 'n heterogene sisteem wat deur 'n diffusiemodel beskryf kan word. Die uitruiling van die gebonde en mobiele katione is volg kinetiek van die eerste orde. Die diffusie is slegs die spoed van die migrasie van die mobiele katione en nie van die gebonde katione nie. Die diffusie kan volgens Fick se tweede wet beskryf word:

${\frac {\partial C_{i}}{\partial t}}=D_{i}{\frac {\partial ^{2}C_{i}}{\partial x^{2}}}$

C_i is die konsentrasie van ioon i.

D_i is diffusiekoëffisiënt van hierdie ioon in die uitruiler

t is die tyd

x is afstand wat die ioon aflê.

D_i is afhanklik van verskeie faktore soos die materiaal waaruit die uitruiler bestaan, die grootte en lading van die ioon en die temperatuur. Met radioaktiewe spoorders kan die selfdiffusie in 'n materiaal gemeet word. Die volgende tabel gee 'n indruk van die effekte van ioongrootte en -lading op die selfdiffusie in mordeniet ('n seolietmineraal).

Katioon	Radius, Å	Di, [cm2/s]	S(BET), [cm2/g]	T, °C	Ea, [kcal/mol]
Na+	0,95	2,5 × 10−13	2 520	24,0	8,74
K+	1,33	1,22 × 10−13	6 370	20,0	7,14
Rb+	1,48	1,31 × 10−13	4 980	22,0	20,26
Cs+	1,69	0,05 × 10−13	4 980	28,75	4,31
Ca2+	0,90	1,13 × 10−17	9 090	27,0	10,45
Sr2+	1,13	0,15 × 10−15	10 600	20,5	15,97
Ba2+	1,35	0,45 × 10−15	10 100	18,5	10,14

Die sesiumioon se koëffisiënt D_i is net 2% van die natrium s'n. Dit kan goed verklaar word omdat sy radius amper tweemaal so groot is en mordeniet se struktuur twee soorte kanale besit. Die sesiumione kan nie deur die vensters van 2,8 Å (tussen die aangrensende kanale) diffundeer nie, maar slegs deur mordeniet se groot kanale (6,95 × 5,81 Å).

Sien ook

• Chemiese ewewig