News
News
İyon değiştiriciler , çözünür olmayan katı maddenin yüzeyindeki anyon veya katyonun, çözeltideki benzer yüklü iyon ile yer değiştirmesi ilkesine dayanır.
Bu sentetik reçineler yapı olarak iki kısımdan oluşur. Bunlardan birincisi üç boyutlu hidrokarbon ağı (polimer), diğer kısmı ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplardan oluşturur. Bu hidrokarbon ağ genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Polimerizasyon sonucunda. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimeye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir. Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların özellikleri ile belirlenir. Belli başlı iki iyon değiştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonel grupları, sulu ortamdaki katyonlarla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları, sulu ortamdaki anyonlar ile reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır.
En bilinen reçine stiren ve divinil benzenin kopolimerizasyonuyla hazırlanan stirendivinil benzen polimeridir. Kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla divinil benzene bağlanır. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Bu polimerin daha sonra anyonik ve katyonik reçine oluşturmak için çeşitli kimyasallar ile reaksiyona sokulurlar.
Katyonik iyon değiştirici reçinede stirendivinil benzen polimerin sülfürik asit ile reaksiyonu sonucunda sülfonik asit grubu (-SO3-H+ ), stiren divinil benzen polimerinin benzen zincir çemberlerine girerek katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir.
xRSO3-H+ (Katı) + Mx+ (çözelti) (RSO3-)xMx+ (katı) + xH+ Çözelti (Kuvvetli asidik katyon değiştirici)
Zayıf asidik katyon değiştirici reçinede yapıya ise zayıf bir asit olan( –COO-H+) grubu bağlıdır.
xRCOO-H+ (Katı) + Mx+ (çözelti) (RCOO-)xMx+ (katı) + xH+ Çözelti (Zayıf asidik katyon değiştirici)
Reçinenin birim hacmindeki fonksiyonel grupların toplam sayısı onun teorik iyon değiştirme kapasitesini belirler .
Anyonik iyon değiştirici reçine, stirendivinil benzen polimerin yapısına kuvvetli bir baz olan tersiyer amin grupları (-N(CH3)3+OH-) veya zayıf bir baz olan primer amin gruplarının (-NH3+OH-) bağlanması ile oluşur.
xRN(CH3)3+OH- + [RN(CH3)3+]x Ax- + xOH-
Anyon değiştiricilerinin kimyasal stabiliteleri, katyon değiştiricilerden daha azdır.Yüksek sıcaklıkta aminler hemen hidrojenlenir ve iyon değiştiricinin kapasitesini azaltır ve çözeltinin çözünebilen organik madde ile bulaşmasına neden olur.
Reçineler mükemmel bir termal yatkınlığa ve büyük bir “değiştirme kapasitesi”ne sahiptir. Bu stiren-divnil benzen matrixinin benzen zincirlerinin büyük orandaki eklenmiş iyonik fonksiyonel grupları içermesi gerektiği anlamına gelir. Reçine matrix’ine kovalent bağla bağlanmış olan iyonik gruplar sulu eriyiklerde gösterdikleri özelliklerin aynısını gösterirler ve sanki serbert monomerik formlarındaymış gibi davranırlar. Sonuç olarak, polimere bağlı olan iyonik grup, iyon değiştirici materyalin yapısını belirler. Bu nedenle zayıf ve güçlü iyonlu asit ve bazlarda olduğu gibi iyon değiştirici reçinelerinde bu tür sınıflandırılmaları olabilir.
Sülfolanmış katyon değiştirici reçine için Kdeğ (denge sabiti) değerinin büyük olması katı fazın, katyonu alıkoyma meyilininin kuvvetli olduğunu gösterir.
Tek yüklü katyonlar için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.
Tl+ Ag+ Cs+ Rb+ K+ NH4+ Na+ H+ Li+
İki yüklü katyonlar için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.
Ba+2 Pb+2 Sr+2 Ca+2 Ni+2 Cd+2 Cu+2 Co+2 Zn+2 Mg+2
Anyonlarda kuvvetli bazik reçineler için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.
SO4-2 C2O4-2 I- NO3- Br- Cl- HCO2- CH3COO- OH- F-
İyon değiştiriciler yüksek oranda polar gruplar ihtiva ettiklerinden reçineler kuvvetli hidrofilik olup su çekerler. Şişip büzülürler, hidroskopik jel gibi hareket ederler. Kuru reçinenin bir gramı 0,5-1g su absorblar.. Hafif ve gözenekli katılar olan iyon değiştirici reçineler küre, boncuk ya da levhalar halinde hazırlanır.
İyon değiştirici reçinelerin başlıca kullanım alanları şunlardır.
a) Su içerisindeki Ca2+, Mg2+, Fe2+ve Mn2+iyonlarının uzaklaştırılmasında (suyun yumuşatılması),
b) Deiyonize su üretiminde,
c) Şekerin saflaştırılmasında,
c) ****llerin ve anyonların ayrılmasında ,
f) Renk giderici olarak,
01. Suların Yumuşatılması
Suların yumuşatılması, genellikle katyonik ve anyonik iyon değiştiricileriyle yapılır. Katyon iyon değiştiriciler sodyum iyon değiştiriciler ve hidrojen iyon değiştiriciler olmak üzere ikiye ayrılır. Birinciler, sulu çözeltilerdeki katyonları Na+ iyonları ile, ikincisi ise H+ iyonları ile değiştirirler.
01.01 Katyon İyon Değiştiriciler
a) Sodyum iyon değiştiriciler
Bunlar başlıca slikat, sülfone kömür ve reçine kökenli olabilirler. Yumuşatılacak su, iyon değiştirici kolonundan geçerken sudaki Ca 2+ ve Mg 2+ iyonları Na+ iyonları ile yer değiştirir. Yer değiştirme reaksiyonları şunlardır.
2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+ 2NaHCO3 (aq)
2RNa+CaSO4 R2Ca+ Na2SO4 (aq)
2RNa+CaCl2 R2Ca+ 2NaCl (aq)
b) Hidrojen iyon değiştiriciler
Sülfone kömür ve reçine kökenli olan bu sistemlerde sudaki Ca 2+ Mg 2+ iyonları ve ayrıca Na+ iyonlarıda H+ iyonları ile değiştirilirler. Bu tip iyon değiştiriciden çıkan su düşük pH a sahip olup H2SO4, HCl, H2CO3 gibi asitler ihtiva eder.
Hidrojen iyon değiştiricisi kısaca H2R olarak gösterilirse suyun yumuşatılması sırasında şu reaksiyonlar oluşur.
MgSO4+ H2R H2SO4+ MgR
2NaCl + H2R 2HCl + Na2R
MgCl2 + H2R 2HCl + MgR
Ca(HCO3)2 + H2R 2H2CO3 + CaR
Rejenerasyon % 5-10 HCl veya H2SO4 ile gerçekleştirilir. Asitin stökiometrik miktarının % 150-300 ü kullanılır. Rejenerasyon reaksiyonları şunlardır.
CaR + H2SO4 H2R + CaSO4 (aq)
MgR + H2SO4 H2R + MgSO4 (aq)
Na2R + H2SO4 H2R + Na2SO4 (aq)
Bu yöntemde oluşan H2CO3 suyun havalandırılması veya vakumla giderilir. Sularda kalan HCl ve H2SO4 ise NaOH ile nötralleştirilir veya bu asitli su Na+ iyon değiştiriciden gelen ve Na2CO3 içeren suyla karıştırılarak istenilen pH elde edilir. Baz hallerde eğer baziklik belirli bir değere ayarlanmak istenirse o zaman hidrojen iyon değiştiricisiyle sodyum iyon değiştiricisi birlikte kullanılır.
c) Sodyum Ve Hidrojen İyon Değiştiricilerinin Birlikte Kullanılması
Bazı iyon değiştirme işlemleri sonucu ortaya çıkan alkalinite izin verilemez düzeydedir. Bu durumda biri Na+ formunda reçineyle öteki H+ formunda reçineyle yüklenmiş iki kolon kullanılır. Yumuşatılacak su önce birinci kolondan (Na formundaki reçineyle dolu olan) sonrada ikinci kolondan geçirilir..
Ca(HCO3)2 + H2R 2H2O + 2CO2 +CaR
Reaksiyonduda oluşan CO2 , gaz gidericileriyle uzaklaştırılırlar.
Bu arada H2SO4 ve HCl oluşur. İki kolondan çıkan su uygun oranlarda karıştırılarak, ikinci kolonda oluşan asitler ilk kolondan çıkan sudaki sodyum bikarbonat ile nötralleştirilirler.
2NaHCO3 + H2SO4 Na2SO4 (aq) + 2H2O + CO2
NaHCO3 + HCl NaCl (aq) + H2O + CO2
İlk kolonun rejenerasyonu NaCl, ikinci kolonunki ise %1’ lik HCl ile yapılır. İki kolondan çıkan su aşağıdaki denkleme uyularak karıştırılır.
X= (N – m) / (M + N)
X : Hidrojen iyon değiştiricisinden geçirilmesi gereken su yüzdesi
m : iki kolondan çıkan suların karıştırılması sonucu toplanan suyun istenilen toplam alkalinitesi
M : Yumuşatılacak suyun toplam alkalinitesi
N : Yumuşatılacak sudaki nötr tuzlarının (Cl- + SO42-) yüzdesi
01.02. Anyon İyon Değiştiriciler
Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler
Sulu çözeltilerdeki SO4 2-, Cl -, NO3- gibi kuvvetli asit anyonlarını ve HCO3- ve SiO3-2 gibi zayıf asit anyonlarını bünyelerinde tutarlar. Hidroksil grupları içeren bu reçineler aşağıdaki reaksiyonlarda görüldüğü gibi zayıf ve kuvvetli asitleri nötralleştirirler.
2R4 NOH + H2SO4 (R4N)2SO4+ 2H2O
2R4NOH + H2SiO3 (R4N)2SiO3 +2H2O
Bunların rejenerasyonları için NaOH çözeltilerinden yararlanılır.
(R4N)2 SiO3 + 2NaOH 2R4NOH + Na2SiO3
Pahalı reçinelerdir. Genellikle NO3– iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanılırlar. Kanalizasyon sularının tasfiyesinde kullanıldıklarında NO3– ve PO4- iyonlarının % 95’i uzaklaştırılır.
