이온 교환

Ion exchange
이온 교환 수지 비즈
단백질 정화에 사용되는 이온 교환 컬럼

이온교환은 불용성 고형물에 존재하는 이온의 한 종류와 고형물을 둘러싼 용액에 존재하는 다른 동류 전하의 가역적 교환으로, 특히 물을 연화 또는 탈염시키는 반응, 화학약품의 정제 및 물질의 분리에 사용된다.

이온 교환은 일반적으로 고체 고분자 이온 교환 수지를 사용하여 수용액을 정제하는 과정을 말합니다.더 정확히 말하면, 이 용어는 두 개의 전해질 [1]사이에서 이온이 교환되는 다양한 과정을 포함합니다.이 기술은 식수 정화에 사용되는 것 외에도 산업 및 의약적으로 중요한 다양한 화학물질의 정제 및 분리에 널리 사용되고 있습니다.이 용어는 일반적으로 합성(인공) 수지의 적용을 의미하지만 토양과 같은 다른 많은 물질을 포함할 수 있습니다.

대표적인 이온 교환기는 이온 교환 수지(관능화 다공질 또는 겔 폴리머), 제올라이트, 몬모릴로나이트, 점토 및 토양 부식입니다.이온 교환기는 양전하 이온(카티온)을 교환하는 양이온 교환기 또는 음전하 이온(음이온)을 교환하는 음이온 교환기입니다.양이온과 음이온을 동시에 교환할 수 있는 양성 교환기도 있습니다.그러나 양이온과 음이온의 동시 교환은 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지가 혼합된 혼합 바닥에서 수행되거나 여러 다른 이온 교환 재료를 통해 용액을 통과시킵니다.

이온 교환기이 장치는 이온 교환 수지로 포장되어 있습니다.

이온 교환기는 이온 교환기와 이온의 물리적 특성과 화학적 구조에 따라 특정 이온 또는 이온 등급에 대한 결합 선호도를 가질 수 있습니다.이는 이온의 크기, 전하 또는 구조에 따라 달라질 수 있습니다.이온 교환기에 결합할 수 있는 이온의 일반적인 예는 다음과 같습니다.

흡수 및 흡착과 함께 이온 교환은 흡착의 한 형태입니다.

이온교환은 가역적인 과정으로 이들 이온을 초과하여 세척함으로써 이온교환기를 재생하거나 바람직한 이온으로 장전할 수 있다.

종류들

양이온 교환

  1. CM(카르복시메틸기, 약카티온 교환)
  2. SP(sulphopropyl기, 강한 양이온 교환)

음이온 교환기

적용들

이온 교환은 식음료 산업, 하이드로메탈리, 금속 마감, 화학, 석유화학, 제약 기술, 설탕 및 감미료 생산, 지하수 및 음용수 처리, 원자력, 연화, 공업용수 처리, 반도체, 전력 및 기타 많은 산업에서 널리 사용됩니다.

대표적인 적용 예는 전력공학, 전자 및 원자력 산업용 고순도 물 제조이다. 즉, 고분자 또는 무기 불용성 이온 교환기는 물의 연화, 정수,[2][3] 오염 제거 등에 널리 사용된다.

이온 교환은 가정용 필터에서 세탁 세제, 비누, 온수기의 장점을 위해 연수를 생산하는 데 널리 사용되는 방법입니다.이는 2가의 양이온(칼슘2+ Ca 및 마그네슘2+ Mg 등)을 용해성이 높은 1가의 양이온(예+: Na 또는+ H)과 교환함으로써 달성됩니다(물 연화 참조).가정용 수처리에서의 이온 교환의 또 다른 적용은 질산염과 천연 유기물의 제거이다.

산업용 및 분석용 이온 교환 크로마토그래피도 언급되어야 할 영역이다.이온 교환 크로마토그래피는 화학 분석 및 이온 분리에 널리 사용되는 크로마토그래피 방법이다.예를 들어, 생화학에서는 단백질과 같은 하전 분자를 분리하는 데 널리 사용된다.응용 프로그램의 중요한 영역은 단백질(아미노산) 및 DNA/RNA와 같은 생물학적으로 생성된 물질의 추출 및 정제이다.

이온 교환 과정은 플루토늄과 토륨, 넵투늄, 아메리슘을 포함한 다른 악티니드로부터 우라늄을 분리하여 금속을 정제하는 데 사용됩니다.이 과정은 랜턴, 세륨, 네오디뮴, 프라시오뮴, 유로피움, 이터비움 등의 랜타니드를 서로 분리하는 데도 사용된다.네오디뮴과 프라세오디뮴의 분리는 특히 어려웠고, 이전에는 하나의 디디뮴으로 생각되었지만, 그것은 두 가지 원소의 합금입니다.

희토류 금속에는 란타니드와 악티니드라는 두 계열의 금속이 있는데, 이 두 계열은 모두 매우 유사한 화학적, 물리적 특성을 가지고 있다.1940년대에 Frank Speedding에 의해 개발된 방법을 사용하여 이온 교환 과정은 "용제 추출" 기술이 크게 발전할 때까지 그것들을 대량으로 분리하는 유일한 실용적인 방법이었다.

이온 교환의 매우 중요한 사례는 플루토늄-우라늄 추출 과정(PUREX)으로, 사용후 연료에 포함된 플루토늄(주로 Pu)과 우라늄(이 경우 재처리된 우라늄)을 아메리슘, 퀴륨, 넵투늄(소악티늄) 및 원자로에서 나오는 핵분열 생성물에서 분리하는 데 사용된다.따라서 폐기물을 분리하여 폐기할 수 있습니다.다음으로 플루토늄과 우라늄은 새로운 원자로 연료(MOX 연료)와 (플루토늄 기반) 핵무기와 같은 핵 에너지 물질을 만드는 데 사용할 수 있다.스트론튬-90 또는 세슘-137과 같은 일부 핵분열 생성물은 산업 또는 의약품에 사용되는 방사성핵종으로 사용하기 위해 분리되었다.

이온 교환 과정은 또한 지르코늄과 하프늄과 같은 매우 유사한 화학 원소의 다른 세트를 분리하는 데 사용되는데, 이것은 원자력 산업에도 매우 중요하다.물리적으로 지르코늄은 원자로 건설에 사용되는 자유 중성자에 대해 실질적으로 투명하지만 하프늄은 원자로 제어봉에 사용되는 중성자의 매우 강한 흡수체이다.따라서 이온 교환은 핵 재처리 및 방사성 폐기물 처리에 이용된다.

얇은 막 형태의 이온 교환 수지는 클로랄칼리 공정, 연료 전지 및 바나듐 산화 환원 배터리에도 사용됩니다.

물 속의 칼슘 이온과 양이온 교환 수지의 나트륨 이온의 교환을 등가 기준으로 하는 물의 연화 과정의 이상적인 이미지.
보일러[4] 급수 정수용 대형 양이온/음이온 교환기

이온교환칼럼에서 칼슘과 마그네슘 이온을 나트륨 이온으로 교환함으로써 물의 경도를 제거하는 데도 사용할 수 있다.액상(수성) 이온 교환 담수화 작업이 [5]입증되었습니다.이 기술에서는 전기영동을 이용하여 소금물 중의 음이온과 양이온을 각각 탄산 음이온과 칼슘 양이온으로 교환한다.칼슘과 탄산 이온은 반응하여 탄산칼슘을 형성하고, 탄산칼슘은 침전되어 민물을 남긴다.담수화 작업은 주위 온도와 압력에서 이루어지며 막이나 고체 이온 교환기가 필요하지 않습니다.이 방법의 이론적 에너지 효율은 전기 투석 및 역삼투와 동등합니다.

기타 응용 프로그램

수지 재생에 의한 폐수

대부분의 이온 교환 시스템은 주기적으로 작동하는 이온 교환 수지 기둥을 사용합니다.

여과 과정에서 수지가 고갈된 것으로 간주될 때까지 물이 수지 기둥을 통해 흐릅니다.이는 컬럼에서 나오는 물이 제거되는 이온의 최대 농도를 초과하는 경우에만 발생합니다.이어서 수지층을 순차적으로 역세척하여 축적된 부유물을 제거하고 제거된 이온을 수지로부터 치환 이온 농축 용액으로 플러싱하여 수지로부터 플러싱 용액을 헹구어 수지를 재생한다.이온 교환 매체의 재생 중 역세척, 플러싱 및 헹굼 폐수의 생산은 폐수 [6]처리에 대한 이온 교환의 유용성을 제한합니다.

물 연화제는 보통 [7]염화나트륨이 10% 함유된 브라인으로 재생됩니다.유연제 재생 폐수는 연화수지에서 제거된 2가 양이온의 수용성 염화물 염분을 제외하고 이온 교환 수지 평형을 되돌리는 데 필요한 염화나트륨 재생 플러싱 브라인의 미사용 50~70%를 함유하고 있다.황산 및 수산화나트륨으로 수지 재생을 탈이온화하면 약 20~40%의 효율이 있다.중화 탈이온제 재생 폐수에는 제거된 모든 이온과 [8]황산나트륨 농도의 2.5~5배가 함유되어 있습니다.

추가정보

  • Betz Laboratories (1976). Handbook of Industrial Water Conditioning (7th ed.). Betz Laboratories.
  • 이온 교환기(K. Dorfner, ed.) (베를린 발터 드 그루이터, 1991년)
  • C. E. Harland, 이온 교환:이론과 실천, 영국 왕립화학회, 케임브리지, 1994.
  • Friedrich G. Helfferich (1962). Ion Exchange. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-68784-1.
  • Kemmer, Frank N. (1979). The NALCO Water Handbook. McGraw-Hill.
  • 이온 교환(D).무라비예프, V. 고르쉬코프, A.Warshawsky), M. Dekker(뉴욕), 2000년.
  • A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, 암스테르담, Elsevier, 2006.
  • SenGupta, Arup K.환경 프로세스에서의 이온 교환: 기초, 응용 프로그램 및 지속 가능한 테크놀로지.와일리,[9] 2017년
  • Dartmouth College의 이온 교환에 관한 실례와 명확한 화학 연구실
  • 이온 교환 프로세스를 나타내는 애플릿
  • 탈이온화에 대한 간단한 설명
  • 이온교환, 바이오마인위키

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Dardel, François; Arden, Thomas V. (2008). "Ion Exchangers". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a14_393.pub2.
  2. ^ Ibrahim, Yazan; Naddeo, Vincenzo; Banat, Fawzi; Hasan, Shadi W. (1 November 2020). "Preparation of novel polyvinylidene fluoride (PVDF)-Tin(IV) oxide (SnO2) ion exchange mixed matrix membranes for the removal of heavy metals from aqueous solutions". Separation and Purification Technology. 250: 117250. doi:10.1016/j.seppur.2020.117250. S2CID 224880249.
  3. ^ Ibrahim, Yazan; Abdulkarem, Elham; Naddeo, Vincenzo; Banat, Fawzi; Hasan, Shadi W. (November 2019). "Synthesis of super hydrophilic cellulose-alpha zirconium phosphate ion exchange membrane via surface coating for the removal of heavy metals from wastewater". Science of the Total Environment. 690: 167–180. Bibcode:2019ScTEn.690..167I. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.07.009. PMID 31288108. S2CID 195870880.
  4. ^ Mischissin, Stephen G. (7 February 2012). "University of Rochester – Investigation of Steam Turbine Extraction Line Failures" (PDF). Arlington, VA. pp. 25–26. Archived from the original (PDF) on 23 September 2015. Retrieved 23 February 2015.
  5. ^ Shkolnikov, Viktor; Bahga, Supreet S.; Santiago, Juan G. (August 28, 2012). "Desalination and hydrogen, chlorine, and sodium hydroxide production via electrophoretic ion exchange and precipitation" (PDF). Physical Chemistry Chemical Physics. Phys. Chem. Chem Phys. 14 (32): 11534–45. Bibcode:2012PCCP...1411534S. doi:10.1039/c2cp42121f. PMID 22806549.
  6. ^ Kemmer, 페이지 12-17, 12-25
  7. ^ Betz Laboratories Inc. (1980). Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition. Betz. p. 52. Archived from the original on 2012-06-20.
  8. ^ Kemmer, 페이지 12~18
  9. ^ SenGupta, Arup K. (2017). Ion exchange in environmental processes: fundamentals, applications and sustainable technology. Hoboken, NJ. ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC 1001290476.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 이온 교환과 관련된 미디어가 있습니다.

이 방법은 permutit(또는)이라고도 합니다.