Iontová výměna

Iontová výměna je výměna iontů mezi roztokem a ionexem (měničem iontů). Ionex je většinou polymer, někdy i anorganický materiál, který nese permanentní náboj. Ten je kompenzován ionty s opačným nábojem (protionty). Protionty mohou být vyměněny za ionty stejného náboje z roztoku.

Prof. F. Helferich ve své monografii Ion Exchange zmiňuje pasáž z bible, která prý naznačuje použití iontové výměny pro desalinaci brakické vody. Mojžíš prý připravil pitnou vodu z brakické vody s využitím dřeva:

„Hnul pak Mojžíš lidem Izraelským od moře Rudého, a táhli na poušť Sur. I šli tři dni po poušti, a nenalezli vod. A přišedše do Marah, nemohli piti vod z Marah, nebo byly hořké; protož nazváno jest jméno jeho Marah. Z té příčiny reptal lid na Mojžíše, řka: Co budeme píti? I volal k Hospodinu, a ukázal mu Hospodin dřevo, kteréž jakž uvrhl do vod, učiněny jsou sladké vody. Tu vydal jemu práva a soudy, a tu ho zkusil.“ Exodus 15:23-25

Další zmínky pak lze najít v dílech Aristotela (330 př. n. l.) a v díle Sylva Sylvarum Francise Bacona (1627), kteří pozorovali, že mořská voda ztrácí část své solnosti při průchodu určitými druhy půd a písků. Také další pokrok iontové výměny úzce souvisel s půdní chemií. První moderní studii iontové výměny provedli H. Thompson a J. Way v roce 1850. Pozorovali výměnu amoniaku z hnojiva za vápník z půdy. V roce 1858 zjistil německy chemik Eichorn, že iontová výměna v půdách je vratný proces.

První praktické aplikace se dočkaly zeolity v roce 1905. Německý chemik Gans vyvinul proces změkčování vody využívající syntetické zeolity. V roce 1934 pak B. A. Adams a E. L. Holmes syntetizovali první organické ionexy na bázi fenol-formaldehydových pryskyřic. V roce 1944 G. F. D'Alelio připravil katex založený na kopolymeru styrenu a divinylbenzenu (DVB). Styren/DVB kopolymer se pro syntézu ionexů používá dodnes.

Iontová výměna je složitý proces, který nezahrnuje jen vlastní iontovýměnnou reakci. To lze ilustrovat na příkladu výměny iontu A za iont B v ionexové fázi. Ionex je většinou ve formě polymerní nabotnalé perličky. Celý proces lze rozdělit na několik kroků:

• difúze iontu A z roztoku k povrchu ionexové perličky
• difúze iontu A ionexovou perličkou k funkční skupině
• vlastní iontovýměnná reakce
• difúze iontu B ionexovou perličkou k povrchu
• difúze iontu B od povrchu ionexové perličky do roztoku

Nejpomalejším krokem, který určuje celkovou rychlost, bývá většinou difuze gelem. Výjimkou mohou být chelatační ionexy a speciální sorbenty, kde je hlavním mechanismem sorpce tvorba komplexu. Ta pak může být krokem určujícím rychlost.

V oblasti iontové výměny se často používají zakázané jednotky jako jsou valy, nebo ekvivalenty. Pro koncentrace iontů se používají jednotky mol chemického ekvivalentu na litr (eq/l). Což je zjednodušeně koncentrace v molech na litr vynásobená nábojem iontu z. Jeden mol chemického ekvivalentu iontu z roztoku se vymění vždy za jeden mol chemického ekvivalentu iontu z ionexové fáze. V molech to ovšem neplatí. Pokud vezmeme jako příklad změkčování vody, vymění se jeden mol vápenatého iontu (z=2) za 2 moly sodného iontu (z=1).

2 Na⁺(gel) + Ca²⁺(aq) → Ca²⁺(gel) + 2 Na⁺(aq)

Selektivitu iontové výměny ovlivňuje několik faktorů. Preferovány jsou zejména ionty, které mají:

• vyšší náboj
• menší hydratovaný poloměr
• tvoří komplexy s funkční skupinou ionexu

• změkčování vody
• příprava napájecí vody pro kotle elektráren
• příprava ultračisté vody pro elektrotechnický průmysl
• odstraňování dusičnanů z pitné vody
• odstraňování těžkých kovů z pitných a odpadních vod
• přepracování vyhořelého jaderného paliva

• Ionex

• Marhol, Milan. Měniče iontů v chemii a radiochemii, 433 s., Academia, Praha, 1976
• Šmíd, Jaromír a kol. Měniče iontů, jejich vlastnosti a použití, 630 s., SNTL, Praha 1954
• Samuelson, Olof. Měniče iontů v analytické chemii, 403 s., SNTL, Praha, 1966

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Iontová výměna na Wikimedia Commons

• Skupina iontové výměny, Ústav energetiky, VŠCHT Praha Archivováno 17. 6. 2008 na Wayback Machine.