Ion exchange
आयन विनिमय एक अघुलनशील ठोस में मौजूद एक प्रकार के आयन का एक प्रतिवर्ती आदान-प्रदान है जो ठोस के आसपास के घोल में मौजूद समान आवेश के साथ होता है और प्रतिक्रिया का उपयोग विशेष रूप से पानी को नरम करने या खनिजहीन बनाने, रसायनों के शुद्धिकरण और पदार्थों को अलग करने के लिए किया जाता है। आयन विनिमय आमतौर पर ठोस पॉलीमेरिक आयन-विनिमय राल का उपयोग करके जलीय घोल के शुद्धिकरण की प्रक्रिया का वर्णन करता है। अधिक सटीक रूप से, इस शब्द में विभिन्न प्रकार की प्रक्रियाएँ शामिल हैं जहाँ दो इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच आयनों का आदान-प्रदान होता है। पीने के पानी को शुद्ध करने के लिए इसके उपयोग के अलावा, तकनीक का व्यापक रूप से विभिन्न प्रकार के औद्योगिक और औषधीय रूप से महत्वपूर्ण रसायनों के शुद्धिकरण और पृथक्करण के लिए उपयोग किया जाता है। हालांकि यह शब्द आमतौर पर सिंथेटिक (मानव निर्मित) रेजिन के अनुप्रयोगों को संदर्भित करता है, इसमें मिट्टी जैसी कई अन्य सामग्री शामिल हो सकती हैं। विशिष्ट आयन विनिमायक आयन-विनिमय रेजिन (कार्यात्मक झरझरा या जेल बहुलक), जिओलाइट, मॉन्टमोरिलोनाइट, मिट्टी और मिट्टी के ह्यूमस हैं। आयन विनिमायक या तो आधान विनिमायक होते हैं, जो धनात्मक आवेशित आयनों (आधान) का आदान-प्रदान करते हैं, या आयन विनिमायक होते हैं, जो ऋणात्मक आवेशित आयनों (आधान) का आदान-प्रदान करते हैं। एम्फोटेरिक एक्सचेंजर्स भी हैं जो एक साथ कैटायन और आयनों दोनों का आदान-प्रदान करने में सक्षम हैं। हालांकि, धनायनों और आयनों का एक साथ आदान-प्रदान अक्सर मिश्रित बिस्तरों में किया जाता है, जिसमें आयन-और धनाय-विनिमय रेजिन का मिश्रण होता है, या कई अलग-अलग आयन-विनिमय सामग्रियों के माध्यम से समाधान को पारित किया जाता है। आयन विनिमायकों में आयन विनिमायक और आयन दोनों के भौतिक गुणों और रासायनिक संरचना के आधार पर कुछ आयनों या आयनों के वर्गों के लिए बाध्यकारी प्राथमिकताएं हो सकती हैं। यह आयनों के आकार, आवेश या संरचना पर निर्भर हो सकता है। आयन विनिमायकों से जुड़ने वाले आयनों के सामान्य उदाहरण हैंः H + (प्रोटॉन) और OH− (हाइड्रॉक्साइड)। एकल आवेशित मोनोटोमिक (अर्थात, मोनोवेलेंट) आयन जैसे Na +, K +, और Cl−। दोहरा आवेशित मोनोटोमिक (यानी, द्विवेलेंट) आयन जैसे Ca2 + और Mg2 +। पॉलीएटोमिक अकार्बनिक आयन जैसे और। कार्बनिक क्षार, आमतौर पर एमाइन कार्यात्मक समूह-NR2H + वाले अणु। कार्बनिक एसिड, अक्सर-COO− (कार्बोक्जिलिक एसिड) कार्यात्मक समूहों वाले अणु। जैव अणु जिनका आयनीकरण किया जा सकता हैः अमीनो एसिड, पेप्टाइड्स, प्रोटीन आदि। अवशोषण और अधिशोषण के साथ, आयन विनिमय अवशोषण का एक रूप है। आयन विनिमय एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है, और आयन विनिमायक को इन आयनों की अधिकता से धोकर पुनः उत्पन्न किया जा सकता है या वांछनीय आयनों से भरा जा सकता है। प्रकार केशन एक्सचेंज सी. एम. (कार्बोक्सीमिथाइल समूह, कमजोर केशन एक्सचेंज) एस. पी. (सल्फोप्रोपाइल समूह, मजबूत केशन एक्सचेंज) आयन एक्सचेंज डी. ई. ए. ई.-सेफेरोज क्यू. एफ. एफ. अनुप्रयोग आयन एक्सचेंज का व्यापक रूप से खाद्य और पेय उद्योग, हाइड्रोमेटलर्जी, धातु परिष्करण, रासायनिक, पेट्रोकेमिकल, दवा प्रौद्योगिकी, चीनी और स्वीटनर उत्पादन, भू-और पीने योग्य-जल उपचार, परमाणु, नरम करने, औद्योगिक जल उपचार, अर्धचालक, बिजली और कई अन्य उद्योगों में उपयोग किया जाता है। अनुप्रयोग का एक विशिष्ट उदाहरण बिजली इंजीनियरिंग, इलेक्ट्रॉनिक और परमाणु उद्योगों के लिए उच्च शुद्धता वाले पानी की तैयारी है। पॉलीमेरिक या अकार्बनिक अघुलनशील आयन विनिमायकों का व्यापक रूप से जल को नरम करने, जल शोधन, जल कीटाणुशोधन आदि के लिए उपयोग किया जाता है। आयन एक्सचेंज एक ऐसी विधि है जिसका व्यापक रूप से घरेलू फिल्टर में कपड़े धोने के डिटर्जेंट, साबुन और वॉटर हीटर के लाभ के लिए नरम पानी का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता है। यह अत्यधिक घुलनशील मोनोवेलेंट कैटायनों (जैसे, Na + या H +) के साथ द्विवेलेंट कैटायनों (जैसे कैल्शियम Ca2 + और मैग्नीशियम Mg2 +) का आदान-प्रदान करके पूरा किया जाता है। घरेलू जल उपचार में आयन विनिमय के लिए एक अन्य अनुप्रयोग नाइट्रेट और प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थों को निकालना है। घरेलू निस्पंदन प्रणालियों में आयन विनिमय रिवर्स ऑस्मोसिस (आरओ) झिल्ली के साथ घरों में पानी को नरम करने के विकल्पों में से एक है। आर. ओ. झिल्ली की तुलना में, आयन विनिमय के लिए दोहराए जाने वाले पुनर्जनन की आवश्यकता होती है जब प्रवेश जल कठोर होता है (जिसमें उच्च खनिज सामग्री होती है)। औद्योगिक और विश्लेषणात्मक आयन-विनिमय क्रोमैटोग्राफी एक अन्य क्षेत्र है जिसका उल्लेख किया जाना चाहिए। आयन-विनिमय क्रोमैटोग्राफी एक क्रोमैटोग्राफिक विधि है जिसका व्यापक रूप से रासायनिक विश्लेषण और आयनों के पृथक्करण के लिए उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, जैव रसायन में इसका व्यापक रूप से प्रोटीन जैसे आवेशित अणुओं को अलग करने के लिए उपयोग किया जाता है। अनुप्रयोग का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र जैविक रूप से उत्पादित पदार्थों जैसे प्रोटीन (अमीनो एसिड) और डी. एन. ए./आर. एन. ए. का निष्कर्षण और शुद्धिकरण है। आयन-विनिमय प्रक्रियाओं का उपयोग धातुओं को अलग करने और शुद्ध करने के लिए किया जाता है, जिसमें प्लूटोनियम और थोरियम, नेप्च्यूनियम और एमेरिकियम सहित अन्य एक्टिनाइड्स से यूरेनियम को अलग करना शामिल है। इस प्रक्रिया का उपयोग लैंथेनाइड्स, जैसे कि लैंथेनम, सेरियम, नियोडियमियम, प्रासियोडियमियम, यूरोपियम और यटर्बियम को एक दूसरे से अलग करने के लिए भी किया जाता है। नियोडियमियम और प्रासियोडियमियम का पृथक्करण विशेष रूप से कठिन था, और उन्हें पहले केवल एक तत्व डिडिमियम माना जाता था-लेकिन यह दोनों का एक मिश्र धातु है। दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं की दो श्रृंखलाएँ हैं, लैंथेनाइड्स और एक्टिनाइड्स, जिनके दोनों परिवारों में बहुत समान रासायनिक और भौतिक गुण हैं। 1940 के दशक में फ्रैंक स्पेडिंग द्वारा विकसित विधियों का उपयोग करते हुए, आयन-विनिमय प्रक्रियाएं पहले उन्हें बड़ी मात्रा में अलग करने का एकमात्र व्यावहारिक तरीका थीं, जब तक कि "विलायक निष्कर्षण" तकनीकों का विकास नहीं हुआ, जिन्हें काफी बढ़ाया जा सकता है। आयन-विनिमय का एक बहुत ही महत्वपूर्ण मामला प्लूटोनियम-यूरेनियम निष्कर्षण प्रक्रिया (प्यूरेक्स) है, जिसका उपयोग प्लूटोनियम (मुख्य रूप से) और यूरेनियम (उस मामले में पुनर्संसाधित यूरेनियम के रूप में जाना जाता है) को अलग करने के लिए किया जाता है, जो अमेरिकियम, क्यूरियम, नेप्च्यूनियम (माइनर एक्टिनाइड्स) और परमाणु रिएक्टरों से आने वाले विखंडन उत्पादों से खर्च किए गए ईंधन में निहित होता है। इस प्रकार अपशिष्ट उत्पादों को निपटान के लिए अलग किया जा सकता है। इसके बाद, प्लूटोनियम और यूरेनियम परमाणु-ऊर्जा सामग्री बनाने के लिए उपलब्ध हैं, जैसे कि नए रिएक्टर ईंधन (एमओएक्स-ईंधन) और (प्लूटोनियम-आधारित) परमाणु हथियार। ऐतिहासिक रूप से कुछ विखंडन उत्पादों जैसे स्ट्रोंटियम-90 या सीज़ियम-137 को इसी तरह उद्योग या चिकित्सा में नियोजित रेडियोन्यूक्लाइड के रूप में उपयोग के लिए अलग किया गया था। आयन-विनिमय प्रक्रिया का उपयोग बहुत समान रासायनिक तत्वों के अन्य समूहों को अलग करने के लिए भी किया जाता है, जैसे कि जिरकोनियम और हैफनियम, जो परमाणु उद्योग के लिए भी बहुत महत्वपूर्ण है। भौतिक रूप से, जिरकोनियम व्यावहारिक रूप से मुक्त न्यूट्रॉन के लिए पारदर्शी है, जिसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों के निर्माण में किया जाता है, लेकिन हैफनियम न्यूट्रॉन का एक बहुत मजबूत अवशोषक है, जिसका उपयोग रिएक्टर नियंत्रण छड़ में किया जाता है। इस प्रकार, आयन-विनिमय का उपयोग परमाणु पुनर्संसाधन और रेडियोधर्मी अपशिष्ट के उपचार में किया जाता है। पतली झिल्ली के रूप में आयन-विनिमय रेजिन का उपयोग क्लोराल्कली प्रक्रिया, ईंधन कोशिकाओं और वैनेडियम रेडॉक्स बैटरी में भी किया जाता है। आयन विनिमय का उपयोग आयन-विनिमय स्तंभ में सोडियम आयनों के लिए कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों का आदान-प्रदान करके पानी से कठोरता को दूर करने के लिए भी किया जा सकता है। तरल-चरण (जलीय) आयन-विनिमय विलवणीकरण का प्रदर्शन किया गया है। इस तकनीक में इलेक्ट्रोफोरेसिस का उपयोग करके क्रमशः कार्बोनेट आयनों और कैल्शियम धनायनों के लिए खारे पानी में आयनों और धनायनों का आदान-प्रदान किया जाता है। कैल्सियम और कार्बोनेट आयन तब प्रतिक्रिया करके कैल्सियम कार्बोनेट बनाते हैं, जो फिर ताजा पानी छोड़कर अवक्षेपित होता है। विलवणीकरण परिवेश के तापमान और दबाव पर होता है और इसके लिए किसी झिल्ली या ठोस आयन विनिमायकों की आवश्यकता नहीं होती है। इस विधि की सैद्धांतिक ऊर्जा दक्षता इलेक्ट्रोडायलिसिस और रिवर्स ऑस्मोसिस के बराबर है। अन्य अनुप्रयोग मृदा विज्ञान में, धनात्मक आवेशित आयनों के लिए मिट्टी की आयन-विनिमय क्षमता कैटायन-विनिमय क्षमता है। मिट्टी को प्राकृतिक कमजोर धनाय विनिमायक माना जा सकता है। प्रदूषण उपचार और भू-तकनीकी इंजीनियरिंग में, आयन-विनिमय क्षमता सूजन या विस्तृत मिट्टी जैसे मॉन्टमोरिलोनाइट की सूजन क्षमता को निर्धारित करती है, जिसका उपयोग प्रदूषकों और आवेशित आयनों को "पकड़ने" के लिए किया जा सकता है। प्लेनर वेवगाइड निर्माण में, आयन विनिमय का उपयोग अपवर्तन के उच्च सूचकांक की मार्गदर्शक परत बनाने के लिए किया जाता है। डीलकेलाइजेशन, कांच की सतह से क्षारीय आयनों को निकालना। रासायनिक रूप से मजबूत ग्लास, के. एन. ओ. 3 पिघलने का उपयोग करके सोडा ग्लास सतहों में के + के लिए के + का आदान-प्रदान करके उत्पादित किया जाता है। राल पुनर्जनन द्वारा उत्पादित अपशिष्ट जल अधिकांश आयन-विनिमय प्रणालियाँ आयन-विनिमय राल के स्तंभों का उपयोग करती हैं जो चक्रीय आधार पर संचालित होते हैं। निस्पंदन प्रक्रिया के दौरान, पानी राल स्तंभ के माध्यम से तब तक बहता है जब तक कि राल समाप्त नहीं हो जाता है। ऐसा तभी होता है जब स्तंभ से निकलने वाले पानी में हटाए जा रहे आयनों की अधिकतम वांछित सांद्रता से अधिक होती है। रेजिन को फिर से जमा किए गए निलंबित ठोस पदार्थों को हटाने के लिए रेजिन बेड को क्रमिक रूप से बैकवॉश करके, रेजिन से हटाए गए आयनों को प्रतिस्थापन आयनों के केंद्रित समाधान के साथ फ्लश करके और रेजिन से फ्लशिंग समाधान को धो कर पुनर्जीवित किया जाता है। आयन-विनिमय माध्यम के पुनर्जनन के दौरान बैकवॉश, फ्लशिंग और अपशिष्ट जल को धोने का उत्पादन अपशिष्ट जल उपचार के लिए आयन विनिमय की उपयोगिता को सीमित करता है। वाटर सॉफ्टनरों को आमतौर पर 10 प्रतिशत सोडियम क्लोराइड युक्त लवण के साथ पुनः उत्पन्न किया जाता है। नरम पानी से हटाए गए द्विवेलेंट कैटायन के घुलनशील क्लोराइड लवणों के अलावा, सॉफ्टनर पुनर्जनन अपशिष्ट जल में आयन-विनिमय राल संतुलन को उलटने के लिए आवश्यक सोडियम क्लोराइड पुनर्जनन फ्लशिंग ब्राइन का अप्रयुक्त 50-70% होता है। सल्फ्यूरिक एसिड और सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ डीयोनाइजिंग राल पुनर्जनन लगभग 20-40% कुशल है। तटस्थ डियोनाइज़र पुनर्जनन अपशिष्ट जल में सभी हटाए गए आयन होते हैं और सोडियम सल्फेट के बराबर उनकी सांद्रता 2.5-5 गुना होती है। क्षारीय आयन विनिमय झिल्ली आयन आयन क्रोमैटोग्राफी आयन-विनिमय झिल्ली आयन-विनिमय राल विलवणीकरण रिवर्स ऑस्मोसिस संदर्भ और अधिक जानकारी आयन एक्सचेंजर्स (के. डॉर्फनर, एड। ), वाल्टर डी ग्रुइटर, बर्लिन, 1991। सी. ई. हारलैंड, आयन एक्सचेंजः थ्योरी एंड प्रैक्टिस, द रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री, कैम्ब्रिज, 1994। आयन एक्सचेंज (डी. मुरावीव, वी. गोर्शकोव, ए. वार्शॉस्की), एम. डेकर, न्यूयॉर्क, 2000। ए. ए. ज़गोरोडनी, आयन एक्सचेंज मैटेरियल्सः प्रॉपर्टीज एंड एप्लीकेशन, एल्सेवियर, एम्स्टर्डम, 2006। बाहरी लिंक डार्टमाउथ कॉलेज से आयन विनिमय पर सचित्र और अच्छी तरह से परिभाषित रसायन विज्ञान प्रयोगशाला व्यावहारिक आयन विनिमय प्रक्रियाओं को दर्शाने वाले कुछ एपलेट डियोनाइजेशन आयन विनिमय की एक सरल व्याख्या, बायोमाइनविकी विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान सामान्य रसायन विज्ञान औद्योगिक जल उपचार