Μέθοδος ρητίνης ανταλλαγής ιόντων
Οι ρητίνες ανταλλαγής ιόντων είναι πολύπλοκα οργανικά μόρια που έχουν ένα γιγάντιο πλαίσιο υδρογονάνθρακα. Η ιοντοανταλλακτική ρητίνη είναι δύο τύπων:η ρητίνη ανταλλαγής κατιόντων και η ρητίνη ανταλλαγής ανιόντων. Οι ρητίνες ανταλλαγής ιόντων που περιέχουν όξινες ομάδες ονομάζονται ρητίνες ανταλλαγής κατιόντων (π.χ. R-COOH ή R-So3H). Η ρητίνη ανταλλαγής ιόντων που περιέχει βασικές ομάδες ονομάζονται ανιονανταλλακτική ρητίνη (π.χ. R-NH3OH).
Μέθοδος ρητίνης ανταλλαγής ιόντων
Στη μέθοδο Ion Exchange Resin, χρησιμοποιούνται ρητίνες, οι οποίες μπορούν να αφαιρέσουν πλήρως τα κατιόντα και τα ανιόντα που υπάρχουν στο σκληρό νερό. Οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται είναι γενικά οργανικά, διασυνδεδεμένα και αδιάλυτα πολυμερή με ορισμένες λειτουργικές ομάδες υπεύθυνες για τις ιδιότητες ανταλλαγής ιόντων.
Σκληρό νερό και μαλακό νερό
Το νερό είναι μαλακό αν παράγει αρκετό αφρό με το σαπούνι. Το νερό είναι σκληρό αν σχηματίσει αδιάλυτο αφρό πριν σχηματίσει αφρό με σαπούνι.
Η φόρμουλα του σαπουνιού είναι C17H35COONa. Τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου είναι υπεύθυνα για τη σκληρότητα του νερού και το σχηματισμό αφρού στο σκληρό νερό. Τα ιόντα του νατρίου (Na) θα παραμείνουν στο νερό σε διαλυμένη μορφή.
Η χημική αντίδραση για το σχηματισμό αφρού θα είναι η παρακάτω:
2(C17H35COONa) =(C17H35COO)2Ca + (C17H35COO)2Mg
Η σκληρότητα του φυσικού νερού προκαλείται γενικά από την παρουσία διττανθρακικών [Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2], χλωριδίων[CaCl2, MgCl2] και θειικών [CaSo4, MgSo4] ασβεστίου και μαγνησίου, αλλά στην πραγματικότητα Τα διαλυτά άλατα που σχηματίζουν αφρό με σαπούνι προκαλούν σκληρότητα.
Είναι σημαντικό να έχουμε κατά νου ότι τα διανθρακικά [Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2], τα χλωρίδια[CaCl2, MgCl2] και τα θειικά [CaSo4, MgSo4] δεν ευθύνονται για τη σκληρότητα του νερού, αλλά τα ιόντα του Το ασβέστιο και το μαγνήσιο (Ca2+ και Mg2+) είναι υπεύθυνα για τη σκληρότητα του νερού.
Η προσωρινή σκληρότητα μπορεί επίσης να αφαιρεθεί με τη διαδικασία του Clark, η οποία περιλαμβάνει την προσθήκη σβησμένου ασβέστη Ca(OH)2.
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 =2CaCo3 + 2H2O
Η σκληρότητα του νερού είναι δύο τύπων:
α) Προσωρινή σκληρότητα:Αυτό οφείλεται σε διττανθρακικά άλατα ασβεστίου και μαγνησίου. Η προσωρινή σκληρότητα του νερού μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί με βραστό νερό καθώς τα διττανθρακικά άλατα αποσυντίθενται εύκολα και τα αδιάλυτα ανθρακικά άλατα καθιζάνουν.
Ca(HCO3)2(Θερμότητα) =CaCo3 + H2O +CO2
Mg(HCO3)2 (Θερμότητα) =MgCo3 + H2O +CO2
β) Μόνιμη σκληρότητα:Η σκληρότητα του νερού που οφείλεται σε χλωριούχα και θειικά άλατα Ca2+ και Mg2+ ονομάζεται μόνιμη σκληρότητα. Η διαδικασία βρασμού δεν μπορεί να αφαιρέσει αυτόν τον τύπο σκληρότητας του νερού. Για την αφαίρεση της μόνιμης σκληρότητας, χρησιμοποιούνται ορισμένες κατάλληλες χημικές ουσίες. Αυτές οι ουσίες ονομάζονται αποσκληρυντικά νερού. Μερικοί από τους σημαντικούς αποσκληρυντές νερού είναι:
(i) Σόδα πλυσίματος
(ii) Calgon/ εξαμεταφωσφορικό νάτριο (NaPo3)6
(iii) Μέθοδος Permutit
(iv) Ρητίνη ανταλλαγής ιόντων
Μέθοδος ρητίνης ανταλλαγής ιόντων για την αφαίρεση της σκληρότητας του νερού
Η τεχνική της ιοντοανταλλακτικής ρητίνης μπορεί να αφαιρέσει τόσο τα κατιόντα όσο και τα ανιόντα που προκαλούν σκληρότητα. Αυτή η διαδικασία περιέχει δύο θαλάμους.
- α) Ρητίνη ανταλλαγής κατιόντων:Ονομάζονται ιόντα RH+. Αυτή η ρητίνη περιέχει κοκκώδες αδιάλυτο οργανικό οξύ που έχει γιγάντια μόρια με την ομάδα COOH. Οι ρητίνες ανταλλαγής κατιόντων έχουν λειτουργικές ομάδες όπως – COOH, SO3H κ.λπ., οι οποίες μπορούν να ανταλλάξουν τα ιόντα Η+ με τα κατιόντα που υπάρχουν στο σκληρό νερό. Π.χ. συμπολυμερή διβινυλοβενζολίου στυρενίου
R-COOH + Ca2+ =(R-COO)2Ca + 2H+
R-COOH + Mg2+ =(R-COO)2Mg + 2H+
- β) Ρητίνη Ανταλλαγής Ανιόντων:Ονομάζονται ROH- Αυτή η ρητίνη περιέχει ένα γιγάντιο οργανικό μόριο με βασικές ομάδες που προέρχονται από τις αμίνες R-NH3+OH-. Οι ρητίνες ανταλλαγής ανιόντων έχουν λειτουργικές ομάδες όπως υδροξείδια ή υδροχλωρίδια, τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν τα ανιόντα τους με άλλα ανιόντα στο σκληρό νερό. Π.χ. συμπολυμερή στυρενίου διβινυλοβενζολίου ή αμινοφορμαλδεΰδης
R-NH3+OH- + Cl- =R-NH3Cl + OH-
R-NH3+OH- + So42- =(R-NH3)2So4 + OH-
Σημείωση:Τα ιόντα Η+ που λαμβάνονται από κατιονανταλλακτική ρητίνη αντιδρούν με ιόντα ΟΗ- της ρητίνης ανταλλαγής ανιόντων. Ως εκ τούτου, λαμβάνει χώρα η διαδικασία εξουδετέρωσης.
H+ + OH- =H2O (Netural)
Επαναφόρτιση ρητίνης ανταλλαγής ιόντων:
Όταν οι εναλλάκτες κατιόντων και ανιόντων έχουν εξαντληθεί, θα πρέπει να γίνει αναγέννηση. Η εξαντλημένη κατιονανταλλακτική ρητίνη αναγεννάται με αντίδραση με αραιό υδροχλωρικό οξύ.
(R-COO)2Ca + 2HCl =2 R-COOH + CaCl2
Η εξαντλημένη ρητίνη ανταλλαγής ανιόντων αναγεννάται με αντίδραση με αραιό NaOH.
(R-NH3)2So4 + 2 NaOH =2 R-NH3OH + Na2So4
Απιονιστής μικτής κλίνης
Σε αυτή τη διαδικασία λαμβάνεται μια μονή στήλη που περιέχει ρητίνες κατιόντος και ανιονανταλλάκτη. Όταν το σκληρό νερό διέρχεται από έναν απιονιστή μικτής κλίνης, έρχεται εναλλάξ πολλές φορές σε επαφή με εναλλάκτες ανιόντων και κατιονανταλλάκτες. Έτσι γίνεται πιο αποτελεσματική αποσκλήρυνση και η υπολειπόμενη σκληρότητα του μαλακωμένου νερού είναι μόνο από 1 έως 1 ppm. Όταν η ρητίνη εξαντληθεί, το κρεβάτι πλένεται ξανά. Λόγω της χαμηλότερης πυκνότητάς του, ο εναλλάκτης ανιόντων σχηματίζει ένα ανώτερο στρώμα πάνω από τον εναλλάκτη κατιόντων. Ο εναλλάκτης ανιόντων αναγεννάται από διάλυμα NaOH και ο εναλλάκτης κατιόντων αναγεννάται από διάλυμα θειικού οξέος.
Συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, συζητήσαμε τη μέθοδο ιοντοανταλλακτικής ρητίνης, τύπους ιοντοανταλλακτικής ρητίνης όπως ρητίνη ανταλλαγής κατιόντων και ρητίνη ανταλλαγής ανιόντων, αφαίρεση της σκληρότητας του νερού χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ιοντοανταλλακτικής ρητίνης, επαναφόρτιση ρητίνης ανταλλαγής ιόντων και άλλες σχετικές έννοιες.
