التبادل الأيوني

التبادل الأيوني هو عملية تبادل عكسية بين نوع من الأيونات الموجودة في مادة صلبة غير قابلة للذوبان وأيونات أخرى ذات شحنة مماثلة موجودة في محلول يحيط بالمادة الصلبة. يُستخدم التبادل الأيوني في تليين المياه أو إزالة المعادن منها، وتنقية المواد الكيميائية، وفصل المواد.

يشير مصطلح التبادل الأيوني عادةً إلى عملية تنقية المحاليل المائية باستخدام راتنجات التبادل الأيوني البوليمرية الصلبة . وبشكل أدق، يشمل المصطلح طيفًا واسعًا من العمليات التي يتم فيها تبادل الأيونات بين محلولين إلكتروليتيين . ^{[ 1 ]} وإلى جانب استخدامه في تنقية مياه الشرب، تُطبَّق هذه التقنية على نطاق واسع لتنقية وفصل مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية ذات الأهمية الصناعية والطبية. ورغم أن المصطلح يشير عادةً إلى استخدامات الراتنجات الاصطناعية (المصنعة)، إلا أنه قد يشمل العديد من المواد الأخرى مثل التربة.

تشمل المبادلات الأيونية النموذجية راتنجات التبادل الأيوني (بوليمرات مسامية أو هلامية مُعدَّلة وظيفيًا ) ، والزيوليت ، والمونتوموريلونيت ، والطين ، ودبال التربة . وتنقسم المبادلات الأيونية إلى نوعين: مبادلات الكاتيونات ، التي تتبادل الأيونات الموجبة الشحنة ( الكاتيونات )، ومبادلات الأنيونات ، التي تتبادل الأيونات السالبة الشحنة ( الأنيونات ). كما توجد مبادلات مذبذبة قادرة على تبادل الكاتيونات والأنيونات معًا. ومع ذلك، غالبًا ما يتم التبادل المتزامن للكاتيونات والأنيونات في طبقات مختلطة ، تحتوي على مزيج من راتنجات التبادل الأنيوني والكاتيوني، أو بتمرير المحلول عبر عدة مواد مختلفة للتبادل الأيوني.

قد تُظهر المبادلات الأيونية ميلاً للارتباط بأيونات معينة أو فئات محددة منها، وذلك تبعاً للخصائص الفيزيائية والتركيب الكيميائي لكل من المبادل الأيوني والأيون. وقد يعتمد هذا الميل على حجم الأيونات أو شحنتها أو تركيبها. ومن الأمثلة الشائعة على الأيونات التي يمكنها الارتباط بالمبادلات الأيونية ما يلي:

• H ⁺( هيدرون ) و OH ⁻( هيدروكسيد ).
• الأيونات أحادية الذرة أحادية الشحنة (أي أحادية التكافؤ) مثل Na ⁺ و K ⁺و Cl ⁻.
• الأيونات أحادية الذرة ذات الشحنة المزدوجة (أي ثنائية التكافؤ) مثل Ca ²⁺و Mg ²⁺.
• الأيونات غير العضوية متعددة الذرات مثل SO ²⁻ ₄ و PO ³⁻ ₄ .
• القواعد العضوية ، وعادة ما تكون جزيئات تحتوي على المجموعة الوظيفية للأمونيوم ، −N ⁺ R ₂ H.
• الأحماض العضوية ، وغالباً ما تكون جزيئات تحتوي على مجموعات وظيفية −COO ⁻ ( كربوكسيلات ).
• الجزيئات الحيوية التي يمكن تأيينها: الأحماض الأمينية ، والببتيدات ، والبروتينات ، وما إلى ذلك.

إلى جانب الامتصاص والامتزاز ، يعد التبادل الأيوني شكلاً من أشكال الامتزاز .

إن عملية التبادل الأيوني هي عملية قابلة للعكس ، ويمكن تجديد مبادل الأيونات أو تحميله بالأيونات المرغوبة عن طريق الغسل بكمية زائدة من هذه الأيونات.

تُعدّ راتنجات التبادل الأيوني الوسط الفيزيائي الذي يُسهّل تفاعلات التبادل الأيوني. ويتكون الراتنج من بوليمرات عضوية متشابكة، عادةً ما تكون مصفوفة من البوليسترين ومجموعات وظيفية حيث تتم عملية التبادل الأيوني.

يُستخدم التبادل الأيوني على نطاق واسع في صناعات الأغذية والمشروبات، والمعالجة المائية للمعادن، وتشطيب المعادن، والصناعات الكيميائية والبتروكيميائية، والتكنولوجيا الصيدلانية، وإنتاج السكر والمحليات، ومعالجة المياه الجوفية ومياه الشرب، والطاقة النووية، وتليين المياه، ومعالجة المياه الصناعية، وأشباه الموصلات، والطاقة، والعديد من الصناعات الأخرى. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

ومن الأمثلة النموذجية للتطبيق تحضير المياه عالية النقاء لهندسة الطاقة والصناعات الإلكترونية والنووية؛ أي أن المبادلات الأيونية غير القابلة للذوبان البوليمرية أو غير العضوية تستخدم على نطاق واسع لتليين المياه وتنقية المياه ^{[ 5 ] [ 6 ]} وإزالة التلوث من المياه ، وما إلى ذلك .

^{يُعدّ التبادل الأيوني طريقة شائعة الاستخدام في فلاتر المياه} المنزلية لإنتاج مياه مُنعمّة ^، مما يُفيد في تحضير منظفات الغسيل والصابون وسخانات المياه. ويتم ذلك عن طريق استبدال الكاتيونات ثنائية التكافؤ (مثل الكالسيوم Ca²⁺ والمغنيسيوم Mg²⁺ ) بكاتيونات أحادية التكافؤ عالية الذوبان (مثل الصوديوم Na⁺ أو ^{الهيدروجين} H⁺ ⁾ (انظر: تليين المياه ). ومن التطبيقات الأخرى للتبادل الأيوني في معالجة المياه المنزلية إزالة النترات والمواد العضوية الطبيعية . في أنظمة الترشيح المنزلية، يُعدّ التبادل الأيوني أحد البدائل لتليين المياه في المنازل، إلى جانب أغشية التناضح العكسي (RO). وبالمقارنة مع أغشية التناضح العكسي، يتطلب التبادل الأيوني تجديدًا دوريًا عندما تكون المياه الداخلة عسرة (ذات محتوى معدني عالٍ).

يُعدّ الفصل الكروماتوغرافي بالتبادل الأيوني الصناعي والتحليلي مجالًا آخر جديرًا بالذكر. وهو أسلوب كروماتوغرافي يُستخدم على نطاق واسع في التحليل الكيميائي وفصل الأيونات. فعلى سبيل المثال، يُستخدم بكثرة في الكيمياء الحيوية لفصل الجزيئات المشحونة كالبروتينات . ومن أهم تطبيقاته استخلاص وتنقية المواد المنتجة بيولوجيًا، مثل البروتينات ( الأحماض الأمينية ) والحمض النووي DNA / RNA .

تُستخدم عمليات التبادل الأيوني لفصل المعادن وتنقيتها ، بما في ذلك فصل اليورانيوم عن البلوتونيوم والأكتينيدات الأخرى ، كالثوريوم والنبتونيوم والأمريكيوم . كما تُستخدم هذه العملية لفصل اللانثانيدات ، مثل اللانثانوم والسيريوم والنيوديميوم والبراسيوديميوم واليوروبيوم والإيتربيوم ، عن بعضها. وكان فصل النيوديميوم والبراسيوديميوم صعبًا للغاية ، إذ كان يُعتقد سابقًا أنهما عنصر واحد يُسمى الديديميوم ، ولكنه في الواقع سبيكة منهما.

توجد سلسلتان من المعادن الأرضية النادرة ، وهما اللانثانيدات والأكتينيدات، وتتشابه كلتاهما في الخصائص الكيميائية والفيزيائية. وباستخدام الطرق التي طورها فرانك سبيدينغ في أربعينيات القرن العشرين، كانت عمليات التبادل الأيوني هي الطريقة العملية الوحيدة لفصلها بكميات كبيرة، إلى أن تم تطوير تقنيات "استخلاص المذيبات" التي يمكن توسيع نطاقها بشكل هائل.

تُعد عملية استخلاص البلوتونيوم واليورانيوم ( PUREX ) مثالًا مهمًا جدًا على التبادل الأيوني، حيث تُستخدم لفصل البلوتونيوم (وخاصة ²³⁹⁾البلوتونيوم ( Pu ) واليورانيوم(المعروف في هذه الحالة باليورانيوم المُعاد معالجته ) الموجود في الوقود المستهلك من الأمريسيوم والكوريوموالنبتونيوم( الأكتينيدات الثانوية )، ونواتج الانشطار الناتجة عن المفاعلات النووية . وبذلك ، يمكن فصل النفايات للتخلص منها. بعد ذلك، يصبح البلوتونيوم واليورانيوم متاحين لصنع مواد الطاقة النووية، مثل وقود المفاعلات الجديد ( وقود MOX ) والأسلحة النووية (القائمة على البلوتونيوم). تاريخيًا، تم فصل بعض نواتج الانشطار، مثل السترونتيوم-90 أو السيزيوم-137، لاستخدامها كنظائر مشعة في الصناعة أو الطب.

تُستخدم عملية التبادل الأيوني أيضًا لفصل مجموعات أخرى من العناصر الكيميائية المتشابهة جدًا، مثل الزركونيوم والهافنيوم ، وهو أمر بالغ الأهمية للصناعة النووية. فالزركونيوم، من الناحية الفيزيائية، شفاف عمليًا للنيوترونات الحرة، ويُستخدم في بناء المفاعلات النووية، بينما يُعد الهافنيوم مادة ماصة قوية جدًا للنيوترونات، ويُستخدم في قضبان التحكم في المفاعلات . لذا ، يُستخدم التبادل الأيوني في إعادة معالجة الوقود النووي ومعالجة النفايات المشعة .

تُستخدم راتنجات التبادل الأيوني على شكل أغشية رقيقة أيضًا في عملية الكلور القلوي ، وخلايا الوقود ، وبطاريات الفاناديوم المؤكسدة والمختزلة .

يمكن استخدام التبادل الأيوني لإزالة عسر الماء عن طريق استبدال أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم بأيونات الصوديوم في عمود التبادل الأيوني. وقد تم إثبات جدوى تحلية المياه باستخدام التبادل الأيوني في الطور السائل (المائي). ^{[ 8 ]} في هذه التقنية، يتم استبدال الأنيونات والكاتيونات في الماء المالح بأنيونات الكربونات وكاتيونات الكالسيوم على التوالي باستخدام الرحلان الكهربائي . ثم تتفاعل أيونات الكالسيوم والكربونات لتكوين كربونات الكالسيوم ، التي تترسب بدورها، تاركةً وراءها ماءً عذباً. تتم عملية التحلية في درجة حرارة وضغط الغرفة، ولا تتطلب أغشية أو مبادلات أيونية صلبة. وتُعادل الكفاءة النظرية للطاقة لهذه الطريقة كفاءة التحليل الكهربائي والتناضح العكسي .

تستخدم معظم أنظمة التبادل الأيوني أعمدة من راتنج التبادل الأيوني التي يتم تشغيلها بشكل دوري.

أثناء عملية الترشيح، يتدفق الماء عبر عمود الراتنج حتى يُعتبر الراتنج مُستنفدًا. يحدث ذلك فقط عندما يحتوي الماء الخارج من العمود على تركيز أعلى من الحد الأقصى المطلوب للأيونات المراد إزالتها. بعد ذلك، يُجدد الراتنج عن طريق غسل طبقة الراتنج عكسيًا بشكل متتابع لإزالة المواد الصلبة العالقة المتراكمة، ثم شطف الأيونات المُزالة من الراتنج بمحلول مُركز من الأيونات البديلة، وأخيرًا شطف محلول الشطف من الراتنج. إن إنتاج مياه الصرف الناتجة عن الغسل العكسي والشطف أثناء تجديد وسائط التبادل الأيوني يُحد من جدوى التبادل الأيوني في معالجة مياه الصرف الصحي . ^{[ 9 ]}

تُجدد أجهزة تنقية المياه عادةً بمحلول ملحي يحتوي على 10% من كلوريد الصوديوم . ^{[ 10 ]} وبغض النظر عن أملاح الكلوريد الذائبة للأيونات ثنائية التكافؤ التي تُزال من الماء المُنقى، فإن مياه الصرف الناتجة عن تجديد جهاز التنقية تحتوي على 50-70% من محلول كلوريد الصوديوم المستخدم في عملية التجديد، وهو المحلول اللازم لعكس توازن راتنج التبادل الأيوني. وتبلغ كفاءة تجديد راتنج إزالة الأيونات باستخدام حمض الكبريتيك وهيدروكسيد الصوديوم حوالي 20-40%. وتحتوي مياه الصرف المُعادِلة الناتجة عن تجديد جهاز إزالة الأيونات على جميع الأيونات المُزالة بالإضافة إلى 2.5-5 أضعاف تركيزها المكافئ على شكل كبريتات الصوديوم . ^{[ 11 ]}

• غشاء تبادل الأنيونات القلوية
• أيون
• كروماتوغرافيا الأيونات
• أغشية التبادل الأيوني
• راتنج التبادل الأيوني
• تحلية المياه
• التناضح العكسي

• مختبرات بيتز (1976). دليل معالجة المياه الصناعية (  الطبعة السابعة). مختبرات بيتز.
• المبادلات الأيونية (K. Dorfner، ed.)، والتر دي جرويتر، برلين، 1991.
• سي إي هارلاند، التبادل الأيوني: النظرية والتطبيق، الجمعية الملكية للكيمياء، كامبريدج، 1994.
• فريدريش ج. هيلفريش (1962). التبادل الأيوني . منشورات كوريير دوفر. رقم ISBN 978-0-486-68784-1.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
• كيمر، فرانك ن. (1979). دليل نالكو للمياه . ماكجرو هيل.
• التبادل الأيوني (د. مورافييف، ف. غورشكوف، أ. وارشاوسكي)، م. ديكر، نيويورك، 2000.
• AA Zagorodni، مواد التبادل الأيوني: الخصائص والتطبيقات ، Elsevier، أمستردام، 2006.
• سينغوبتا، أروب ك. (2017). التبادل الأيوني في العمليات البيئية: الأساسيات والتطبيقات والتكنولوجيا المستدامة . هوبوكين، نيوجيرسي. ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC 1001290476 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
• د.، إ.، ولقمان، م. (2012). تكنولوجيا التبادل الأيوني 1: النظرية والمواد. سبرينغر هولندا.
• هارلاند، سي إي (1994). التبادل الأيوني: النظرية والتطبيق (الطبعة الثانية) . الجمعية الملكية للكيمياء.

• كتاب عملي مصور ومفصل جيدًا عن تبادل الأيونات في مختبر الكيمياء من كلية دارتموث
• بعض التطبيقات المصغرة التي توضح عمليات التبادل الأيوني
• شرح بسيط لعملية إزالة الأيونات
• التبادل الأيوني، BioMineWiki، مؤرشف بتاريخ 11 أغسطس 2020 في Wayback Machine