İyon DeĞİŞtİrİcİler

xD* · 19-02-08, 12:55

1.1. Tarihçe
Doğadaki sürekli değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur.
Bir çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu.
1850’de Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir.
Bu keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler 1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi uygulamalar gerçekleşebilecekti.
Modern iyon değiştirici teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından 1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek artan ilgiyle sürmektedir.

1.2. İyon Değiştirici Reçineler
İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir.
Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır.
Tipik bir katyon değiştirici reçinesi olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2) kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir.

[RaTaTullE] - MSN üzeri Mesaj gönder

Exclamation İyon DeĞİŞtİrİcİler
1.1. Tarihçe
Doğadaki sürekli değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur.
Bir çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu.
1850’de Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir.
Bu keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler 1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi uygulamalar gerçekleşebilecekti.
Modern iyon değiştirici teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından 1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek artan ilgiyle sürmektedir.

1.2. İyon Değiştirici Reçineler
İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir.
Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır.
Tipik bir katyon değiştirici reçinesi olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2) kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir.

Reçinenin birim hacmindeki fonksiyonel grupların toplam sayısı onun teorik iyon değiştirme kapasitesini belirler .
Tipik bir zayıf asidik katyon iyon değiştiricisi divinil benzenin ve metokril asidin veya resorsilik asit ve formaldehitin kopolimerizasyonu ile hazırlanır.
Tipik bir anyon değiştirici reçinesine, çapraz bağlı poli stirenin klorometillendirilmesi ve sonra da ürünün trimetil amin bigi tersiyer bir aminle muamelisiyle hazırlanır. Bu da yapısı şekil –1.2’de gösterilen bir değiştiricinin klorit tuzunu verir.
Klorometillendirilmiş polistren tersiyer amin yerine, sekonder aminle muamele edilirse, oluşan ürün zayıf bir anyon değiştiricisidir

Örneğin belli iyonlar için yüksek seçici ya da serum proteinler, nüklerik asit ve enzimleri gibi makro moleküllerin froksiyonlarında kullanılırlar.
Çapraz bağlı vinilbenzen reçineleri çok yönlüdür ve diğer iyon değiştirici maddelerden daha çok kullanılırlar. Bu nedenle, diğer değiştirici reçine çeşitlerinden çok, bu tip üzerinde durulacaktır. Yine de çapraz bağlı reçinelerin prensipleri ve kavramları diğer iyon değiştirici maddelere kolayca uygulanabilir.
************************************************** **
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.
Reçinenin değiştirme tarzı ihtiva ettiği fonksiyonel gruplara bağlıdır. Kuvvetli bir asidik reçine (sülfonik asit tipi) bütün şartlarda az çok hidroliz olur. Karboksilik asit ve fenolik reçineler zayıf elektrolit gibi davranırlar. Bunların teorik kapasitesine sadece bazik çözeltilerde varılır. Zayıf bazik reçineler iyi iyonlaşmadıklarından zayıf asitlerin absorbsiyonunda kullanılmazlar. Fakat kuvvetli bazik reçiniler (quarterner aminler gibi ) H2SiO3 ve H2CO3’le yer değiştirme reaksiyonları verirler. Kuvvetli reçinelerin tuzları yıkamayla hidroliz olmazlar. Zayıf reçinelerin tuzları ise zayıfça hidroliz olurlar. Eğer reçine tuz formundaysa değiştirme hızı büyüktür.
Hafif ve gözenekli katılar olan iyon değiştirici reçineler küre, boncuk ya da levhalar halinde hazırlanır.
Bunların başlıca kullanım alanları şunlardır.
a) endüstride sulardaki Ca2+, Mg2+, Fe2+ ve Mn2+ iyonlarının uzaklaştırılması (suyn yumuşatılması)
b) şekerin saflaştırılması
c) minerallerden altın, gümüş ve uranyum gibi değerli elementlerin ayrılması
d) esterleşme ve hidroliz reaksiyonlarında katalizör olarak kullanılması
*************************************************
1. 5 (9-7) İyon Değiştiricilerin Sınıflandırılması
Suların yumuşatılması, genellikle katyonik ve anyonik iyon değiştiricileriyle apılır. Katyon iyon değiştiriciler sodyum iyon değiştiriciler ve hidrojen iyon değiştiriciler olmak üzere ikiye ayrılır. Birinciler, sulu çözeltilerdeki katyonlerı Na+ iyonları ile, ikincisi ise H+ iyonları ile değiştirirler.
Anyonik iyon değiştiriciler ise iki grupta incelenir. Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler, zayıf bazik anyon değiştiriciler.
İyon değiştiriciler bundan başka kimyasal birleşimlerine göre organik ve anorganik olarak gruplandırılabilir. Organik kökenli iyon değiştiriciler iki sınıfta toplanır.
A) Reçine kökenli iyon değiştiriciler .
B) Sulfone kömür kökenli iyon değiştiriciler.
Anorganik kökenli olanlar ise başlıca ikiye ayrılırlar.
Doğal zeolitler, sentetik zeolitler. Bunlardan başka zirkonyum ve titan fosfatlar zirkonyum ve kalay oksit , amonyum, fosfomolibdat gibi maddeler anorganik iyon değiştiricilerdir.
9.8 Katyon İyon Değiştiriciler
a) Sodyum iyon değiştiriciler
Bunlar başlıca slikat, sülfone kömür ve reçine kökenli olabilirler. Yumuşatılacak su, iyon değiştirici kolonundan geçerken sudaki Ca2+ ve Mg2+ iyonları Na+ iyonları ile yer değiştirir. Yer değiştirme reaksiyonları şunlardır.

2RNa+Ca(HCO3)2 à R2Ca+ 2NaHCO3
2RNa+CaSO4 à R2Ca+ Na2SO4
2RNa+CaCl2 à R2Ca+ 2NaCl
Buradaki R, reçine ve sülfone kömür esaslı reçinelerde organik kök zeolit tipi reçinelerde ise -O-Xal2O3 YSiO2 ZH2O dur.
b) Hidrojen iyon değiştiriciler
Sülfone kömür ve reçine kökenli olan bu sistemlerde sudaki Ca2+ Mg2+ 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 yumuşutulması sırasında şu reaksiyonlar oluşur.

MgSO4 + H2R à H2SO4 + MgR

2NaCl + H2R à 2HCl + Na2R

MgCl2 + H2R à 2HCl + MgR

Ca(HCO3)2 + H2R à 2H2CO4 + CaR

Rejenerasyon % 5-10 HCl veya H2SO4 ile gerçekleştirilir. Asitin stökiometrik miktarının % 150-300 ü kullanılır. Rejenerasyon reaksiyonları şunlardır.
CaR + H2SO4 à H2R + CaSO4
MgR + H2SO4 à H2R + MgSO4
Na2R + H2SO4 à H2R + Na2SO4
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.
9.9 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. Sonuç olarak sodyum ve hidrojen iyon değiştiricilerde vukubulan reaksiyonlar ortaya çıkar.
Ca(HCO3)2 + H2R à 2H2O + 2CO2 +CaR
Reaksiyonduda oluşan CO2 , gaz gidericileriyle uzaklaştırılırlar.
Bu arada H2SO4 ve HCl oluşur. İki kolondan çıkan su uygun oranlarda karıştırılarak, ikinvi kolonda oluşan asitler ilk kolondan çıkan sudaki sodyum bikarbonat ile nötralleştirilirler.
2NaHCO3 + H2SO4 « Na2SO4 + 2H2O + CO2
NaHCO3 + HCl « NaCl + H2O + CO2
İlk kolonun rejenerasyonu NaCl, ikinci kolonunki ise %1* luk HCl ile yapılır. İki kolonsan 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
9.10 Ayon İyon Değiştiriciler
a) kuvvetli bazik anyon değiştiriciler
Bunların eldesi için önce stiren-divinilbenzen reçinesi klorometillerdirme reaksiyonuna sokulur.
Daha sonra tersiyer aminle muamele edilerek quaterner amonyum tuzları oluşur. Bu polimer reçineler NH4OH gibi hareket ederler ve -CH2N+R3Cl- grupları ihtiva edrler. Sulu çözeltilerdeki SO42- , Cl- ,NO-3 gibi kuvvetli asit anyonlarını ve HCO-3 ve SiO2-3 gibi zayıf asit anyonlarını bünyelerinde tutarlar. Hidroksil grupları içeren bu reçineler aşağıdaki reaksiyonlarda görüldüğü gibi zayıf ve kuvvetli asitleri nötralleştirirler.
2R4NOH + H2SO4 à (R4N)2SO4 + 2H2O
2R4NOH + H2SiO3 à (R4N)2SiO3 + 2H2O Bunların rejenerasyonları için NaOH çözeltilerinden yararlanılır.
(R4N)2 SiO3 + 2NaOH à 2R4NOH + Na2SiO3
Pahalı reçinelerdir. Genellikle NO-3 iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanılırlar. Kanalizasyon sularının tasfiyesinde kullanıldıklarında, NO-3 ve PO3-4 iyonlarının %95’i uzaklaştırılır.
b) zayıf bazik anyon değiştiriciler

19-02-08, 12:55	#1 (permalink)
xD* éé Giriş Tarihi: 23-01-2008 Yer: Bursa Atatürk Stadi Taraftar Grubu : TeXas Yaş: 17 Mesajlar: 1,349 Rep Puanı: 30719842 Rep Gücü: 307219	İyon DeĞİŞtİrİcİler 1.1. Tarihçe Doğadaki sürekli değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur. Bir çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu. 1850’de Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir. Bu keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler 1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi uygulamalar gerçekleşebilecekti. Modern iyon değiştirici teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından 1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek artan ilgiyle sürmektedir. 1.2. İyon Değiştirici Reçineler İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir. Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır. Tipik bir katyon değiştirici reçinesi olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2) kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir. [RaTaTullE] - MSN üzeri Mesaj gönder Exclamation İyon DeĞİŞtİrİcİler 1.1. Tarihçe Doğadaki sürekli değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur. Bir çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu. 1850’de Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir. Bu keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler 1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi uygulamalar gerçekleşebilecekti. Modern iyon değiştirici teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından 1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek artan ilgiyle sürmektedir. 1.2. İyon Değiştirici Reçineler İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir. Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır. Tipik bir katyon değiştirici reçinesi olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2) kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir. Reçinenin birim hacmindeki fonksiyonel grupların toplam sayısı onun teorik iyon değiştirme kapasitesini belirler . Tipik bir zayıf asidik katyon iyon değiştiricisi divinil benzenin ve metokril asidin veya resorsilik asit ve formaldehitin kopolimerizasyonu ile hazırlanır. Tipik bir anyon değiştirici reçinesine, çapraz bağlı poli stirenin klorometillendirilmesi ve sonra da ürünün trimetil amin bigi tersiyer bir aminle muamelisiyle hazırlanır. Bu da yapısı şekil –1.2’de gösterilen bir değiştiricinin klorit tuzunu verir. Klorometillendirilmiş polistren tersiyer amin yerine, sekonder aminle muamele edilirse, oluşan ürün zayıf bir anyon değiştiricisidir Örneğin belli iyonlar için yüksek seçici ya da serum proteinler, nüklerik asit ve enzimleri gibi makro moleküllerin froksiyonlarında kullanılırlar. Çapraz bağlı vinilbenzen reçineleri çok yönlüdür ve diğer iyon değiştirici maddelerden daha çok kullanılırlar. Bu nedenle, diğer değiştirici reçine çeşitlerinden çok, bu tip üzerinde durulacaktır. Yine de çapraz bağlı reçinelerin prensipleri ve kavramları diğer iyon değiştirici maddelere kolayca uygulanabilir. ************************************************ 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. Reçinenin değiştirme tarzı ihtiva ettiği fonksiyonel gruplara bağlıdır. Kuvvetli bir asidik reçine (sülfonik asit tipi) bütün şartlarda az çok hidroliz olur. Karboksilik asit ve fenolik reçineler zayıf elektrolit gibi davranırlar. Bunların teorik kapasitesine sadece bazik çözeltilerde varılır. Zayıf bazik reçineler iyi iyonlaşmadıklarından zayıf asitlerin absorbsiyonunda kullanılmazlar. Fakat kuvvetli bazik reçiniler (quarterner aminler gibi ) H2SiO3 ve H2CO3’le yer değiştirme reaksiyonları verirler. Kuvvetli reçinelerin tuzları yıkamayla hidroliz olmazlar. Zayıf reçinelerin tuzları ise zayıfça hidroliz olurlar. Eğer reçine tuz formundaysa değiştirme hızı büyüktür. Hafif ve gözenekli katılar olan iyon değiştirici reçineler küre, boncuk ya da levhalar halinde hazırlanır. Bunların başlıca kullanım alanları şunlardır. a) endüstride sulardaki Ca2+, Mg2+, Fe2+ ve Mn2+ iyonlarının uzaklaştırılması (suyn yumuşatılması) b) şekerin saflaştırılması c) minerallerden altın, gümüş ve uranyum gibi değerli elementlerin ayrılması d) esterleşme ve hidroliz reaksiyonlarında katalizör olarak kullanılması ************************************************* 1. 5 (9-7) İyon Değiştiricilerin Sınıflandırılması Suların yumuşatılması, genellikle katyonik ve anyonik iyon değiştiricileriyle apılır. Katyon iyon değiştiriciler sodyum iyon değiştiriciler ve hidrojen iyon değiştiriciler olmak üzere ikiye ayrılır. Birinciler, sulu çözeltilerdeki katyonlerı Na+ iyonları ile, ikincisi ise H+ iyonları ile değiştirirler. Anyonik iyon değiştiriciler ise iki grupta incelenir. Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler, zayıf bazik anyon değiştiriciler. İyon değiştiriciler bundan başka kimyasal birleşimlerine göre organik ve anorganik olarak gruplandırılabilir. Organik kökenli iyon değiştiriciler iki sınıfta toplanır. A) Reçine kökenli iyon değiştiriciler . B) Sulfone kömür kökenli iyon değiştiriciler. Anorganik kökenli olanlar ise başlıca ikiye ayrılırlar. Doğal zeolitler, sentetik zeolitler. Bunlardan başka zirkonyum ve titan fosfatlar zirkonyum ve kalay oksit , amonyum, fosfomolibdat gibi maddeler anorganik iyon değiştiricilerdir. 9.8 Katyon İyon Değiştiriciler a) Sodyum iyon değiştiriciler Bunlar başlıca slikat, sülfone kömür ve reçine kökenli olabilirler. Yumuşatılacak su, iyon değiştirici kolonundan geçerken sudaki Ca2+ ve Mg2+ iyonları Na+ iyonları ile yer değiştirir. Yer değiştirme reaksiyonları şunlardır. 2RNa+Ca(HCO3)2 à R2Ca+ 2NaHCO3 2RNa+CaSO4 à R2Ca+ Na2SO4 2RNa+CaCl2 à R2Ca+ 2NaCl Buradaki R, reçine ve sülfone kömür esaslı reçinelerde organik kök zeolit tipi reçinelerde ise -O-Xal2O3 YSiO2 ZH2O dur. b) Hidrojen iyon değiştiriciler Sülfone kömür ve reçine kökenli olan bu sistemlerde sudaki Ca2+ Mg2+ 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 yumuşutulması sırasında şu reaksiyonlar oluşur. MgSO4 + H2R à H2SO4 + MgR 2NaCl + H2R à 2HCl + Na2R MgCl2 + H2R à 2HCl + MgR Ca(HCO3)2 + H2R à 2H2CO4 + CaR Rejenerasyon % 5-10 HCl veya H2SO4 ile gerçekleştirilir. Asitin stökiometrik miktarının % 150-300 ü kullanılır. Rejenerasyon reaksiyonları şunlardır. CaR + H2SO4 à H2R + CaSO4 MgR + H2SO4 à H2R + MgSO4 Na2R + H2SO4 à H2R + Na2SO4 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. 9.9 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. Sonuç olarak sodyum ve hidrojen iyon değiştiricilerde vukubulan reaksiyonlar ortaya çıkar. Ca(HCO3)2 + H2R à 2H2O + 2CO2 +CaR Reaksiyonduda oluşan CO2 , gaz gidericileriyle uzaklaştırılırlar. Bu arada H2SO4 ve HCl oluşur. İki kolondan çıkan su uygun oranlarda karıştırılarak, ikinvi kolonda oluşan asitler ilk kolondan çıkan sudaki sodyum bikarbonat ile nötralleştirilirler. 2NaHCO3 + H2SO4 « Na2SO4 + 2H2O + CO2 NaHCO3 + HCl « NaCl + H2O + CO2 İlk kolonun rejenerasyonu NaCl, ikinci kolonunki ise %1* luk HCl ile yapılır. İki kolonsan 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 9.10 Ayon İyon Değiştiriciler a) kuvvetli bazik anyon değiştiriciler Bunların eldesi için önce stiren-divinilbenzen reçinesi klorometillerdirme reaksiyonuna sokulur. Daha sonra tersiyer aminle muamele edilerek quaterner amonyum tuzları oluşur. Bu polimer reçineler NH4OH gibi hareket ederler ve -CH2N+R3Cl- grupları ihtiva edrler. Sulu çözeltilerdeki SO42- , Cl- ,NO-3 gibi kuvvetli asit anyonlarını ve HCO-3 ve SiO2-3 gibi zayıf asit anyonlarını bünyelerinde tutarlar. Hidroksil grupları içeren bu reçineler aşağıdaki reaksiyonlarda görüldüğü gibi zayıf ve kuvvetli asitleri nötralleştirirler. 2R4NOH + H2SO4 à (R4N)2SO4 + 2H2O 2R4NOH + H2SiO3 à (R4N)2SiO3 + 2H2O Bunların rejenerasyonları için NaOH çözeltilerinden yararlanılır. (R4N)2 SiO3 + 2NaOH à 2R4NOH + Na2SiO3 Pahalı reçinelerdir. Genellikle NO-3 iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanılırlar. Kanalizasyon sularının tasfiyesinde kullanıldıklarında, NO-3 ve PO3-4 iyonlarının %95’i uzaklaştırılır. b) zayıf bazik anyon değiştiriciler

Konu Araçları
Çıktı Görüntüsünü Göster Sayfayı E-posta İle Yolla