Ion exchange
آئن کا تبادلہ ایک غیر گھلنشیل ٹھوس میں موجود ایک قسم کے آئن کا دوسرے جیسے چارج کے ساتھ قابل واپسی تبادلہ ہے جو ٹھوس کے ارد گرد کے محلول میں موجود ہوتا ہے جس کے رد عمل کو خاص طور پر پانی کو نرم کرنے یا ڈی منرلائز کرنے، کیمیکلز کی صفائی اور مادوں کی علیحدگی کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ آئن ایکسچینج عام طور پر ٹھوس پولیمرک آئن ایکسچینج رال کا استعمال کرتے ہوئے آبی حلوں کی صفائی کے عمل کو بیان کرتا ہے۔ مزید واضح طور پر، یہ اصطلاح مختلف قسم کے عمل پر مشتمل ہے جہاں دو الیکٹرولائٹس کے درمیان آئنوں کا تبادلہ ہوتا ہے۔ پینے کے پانی کو صاف کرنے کے لیے اس کے استعمال کے علاوہ، اس تکنیک کا وسیع پیمانے پر صنعتی اور طبی لحاظ سے اہم مختلف قسم کے کیمیکلز کی صفائی اور علیحدگی کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اگرچہ یہ اصطلاح عام طور پر مصنوعی (انسانی ساختہ) رال کے استعمال سے مراد ہے، لیکن اس میں مٹی جیسے بہت سے دوسرے مواد شامل ہو سکتے ہیں۔ عام آئن ایکسچینجرز آئن ایکسچینج رال (فعال سوراخ دار یا جیل پولیمر)، زیولائٹس، مونٹموریلونائٹ، مٹی، اور مٹی کے نمی ہیں۔ آئن ایکسچینجر یا تو کیشن ایکسچینجر ہوتے ہیں، جو مثبت طور پر چارج شدہ آئنوں (کیشنوں) کا تبادلہ کرتے ہیں، یا آئن ایکسچینجر، جو منفی طور پر چارج شدہ آئنوں (آئنوں) کا تبادلہ کرتے ہیں۔ ایمفوٹیریک ایکسچینجر بھی ہوتے ہیں جو بیک وقت کیٹیشن اور آئن دونوں کا تبادلہ کرنے کے قابل ہوتے ہیں۔ تاہم، کیٹیشن اور آئنوں کا بیک وقت تبادلہ اکثر مخلوط بستروں میں کیا جاتا ہے، جس میں آئن اور کیٹیشن ایکسچینج رال کا مرکب ہوتا ہے، یا حل کو کئی مختلف آئن ایکسچینج مواد سے گزرتا ہے۔ آئن ایکسچینجرز میں آئن ایکسچینجر اور آئن دونوں کی جسمانی خصوصیات اور کیمیائی ساخت کے لحاظ سے بعض آئنوں یا آئنوں کی کلاسوں کے لیے بائنڈنگ ترجیحات ہو سکتی ہیں۔ یہ آئنوں کے سائز، چارج یا ساخت پر منحصر ہو سکتا ہے۔ آئنوں کی عام مثالیں جو آئن ایکسچینجروں سے جڑے رہ سکتے ہیں وہ ہیں: H + (پروٹون) اور OH− (ہائیڈرو آکسائیڈ)۔ واحد چارج شدہ مونوٹومک (یعنی مونوولینٹ) آئن جیسے Na +، K +، اور Cl−۔ دوگنا چارج شدہ مونوٹومک (یعنی ڈیویلینٹ) آئن جیسے Ca2 + اور Mg2 +۔ پولی ایٹومک غیر نامیاتی آئن جیسے اور۔ نامیاتی بیس، عام طور پر امائن فنکشنل گروپ-NR2H + پر مشتمل مالیکیول۔ نامیاتی ایسڈ، اکثر-COO− (کاربوکسلک ایسڈ) فعال گروپوں پر مشتمل مالیکیول۔ بائیو مالیکیولز جنہیں آئنائز کیا جا سکتا ہے: امینو ایسڈ، پیپٹائڈز، پروٹین وغیرہ۔ جذب اور جذب کے ساتھ، آئن کا تبادلہ سورپشن کی ایک شکل ہے۔ آئن کا تبادلہ ایک بدلنے والا عمل ہے، اور آئن ایکسچینجر کو ان آئنوں کی اضافی مقدار سے دھو کر دوبارہ پیدا کیا جا سکتا ہے یا مطلوبہ آئنوں سے بھرا جا سکتا ہے۔ اقسام کیشن ایکسچینج سی ایم (کاربوکسیمیتھائل گروپ، کمزور کیشن ایکسچینج) ایس پی (سلفوپروپائل گروپ، مضبوط کیشن ایکسچینج) آئن ایکسچینج ڈی ای اے ای-سیفروز کیو ایف ایف ایپلی کیشنز آئن ایکسچینج کھانے پینے کی صنعت، ہائیڈرو میٹالرجی، دھاتوں کی تکمیل، کیمیائی، پیٹرو کیمیکل، دواسازی کی ٹیکنالوجی، چینی اور مٹھاس کی پیداوار، زمینی اور پینے کے قابل پانی کے علاج، جوہری، نرم کرنے، صنعتی پانی کے علاج، سیمی کنڈکٹر، بجلی، اور بہت سی دیگر صنعتوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ درخواست کی ایک عام مثال پاور انجینئرنگ، الیکٹرانک اور جوہری صنعتوں کے لیے اعلی طہارت والے پانی کی تیاری ہے۔ پولیمرک یا غیر نامیاتی اگھلنشیل آئن ایکسچینجرز پانی کو نرم کرنے، پانی کو صاف کرنے، پانی کو صاف کرنے وغیرہ کے لیے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ آئن ایکسچینج ایک ایسا طریقہ ہے جو گھریلو فلٹرز میں لانڈری ڈٹرجنٹ، صابن اور واٹر ہیٹر کے فائدے کے لیے نرم پانی تیار کرنے کے لیے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ یہ انتہائی گھلنشیل مونوولینٹ کیٹیشنوں (مثال کے طور پر Na + یا H +) کے ساتھ ڈیویلینٹ کیٹیشنوں (جیسے کیلشیم Ca2 + اور میگنیشیم Mg2 +) کا تبادلہ کرکے پورا کیا جاتا ہے (پانی کو نرم کرنا دیکھیں)۔ گھریلو پانی کے علاج میں آئن کے تبادلے کے لیے ایک اور درخواست نائٹریٹ اور قدرتی نامیاتی مادے کو ہٹانا ہے۔ گھریلو فلٹریشن سسٹم میں آئن ایکسچینج ریورس اوسموسس (آر او) جھلی کے ساتھ گھروں میں پانی کو نرم کرنے کے متبادل میں سے ایک ہے۔ آر او جھلی کے مقابلے میں، آئن کے تبادلے کے لیے تکراری تخلیق نو کی ضرورت ہوتی ہے جب داخلی پانی سخت ہوتا ہے (جس میں معدنی مواد زیادہ ہوتا ہے)۔ صنعتی اور تجزیاتی آئن ایکسچینج کرومیٹوگرافی ایک اور شعبہ ہے جس کا ذکر کیا جانا چاہیے۔ آئن ایکسچینج کرومیٹوگرافی ایک کرومیٹوگرافیکل طریقہ ہے جو کیمیائی تجزیہ اور آئنوں کی علیحدگی کے لیے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، بائیو کیمسٹری میں یہ بڑے پیمانے پر چارج شدہ مالیکیولز جیسے پروٹین کو الگ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ درخواست کا ایک اہم شعبہ حیاتیاتی طور پر پیدا شدہ مادوں جیسے پروٹین (امینو ایسڈ) اور ڈی این اے/آر این اے کو نکالنا اور صاف کرنا ہے۔ آئن ایکسچینج کے عمل کو دھاتوں کو الگ کرنے اور صاف کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، بشمول پلوٹونیم اور دیگر ایکٹینائڈز بشمول تھوریم، نیپٹونیم اور امیریکیم سے یورینیم کو الگ کرنا۔ یہ عمل لینتھانائڈز، جیسے لینتھانم، سیریم، نیوڈیمیم، پریسوڈیمیم، یوروپیم، اور یٹربیئم کو ایک دوسرے سے الگ کرنے کے لیے بھی استعمال ہوتا ہے۔ نیوڈیمیم اور پریزوڈیمیم کی علیحدگی خاص طور پر مشکل تھی، اور ان کو پہلے صرف ایک عنصر ڈیڈیمیم سمجھا جاتا تھا-لیکن یہ دونوں کا مرکب ہے۔ نایاب زمین کی دھاتوں کے دو سلسلے ہیں، لینتھانائڈز اور ایکٹینائڈز، جن کے دونوں خاندانوں میں کیمیائی اور جسمانی خصوصیات بہت ملتی جلتی ہیں۔ 1940 کی دہائی میں فرینک سپیڈنگ کے تیار کردہ طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے، آئن ایکسچینج کے عمل پہلے انہیں بڑی مقدار میں الگ کرنے کا واحد عملی طریقہ تھے، یہاں تک کہ "سالوینٹ نکالنے" کی تکنیکوں کی ترقی تک جنہیں بہت زیادہ بڑھایا جا سکتا ہے۔ آئن ایکسچینج کا ایک بہت اہم معاملہ پلوٹونیم-یورینیم نکالنے کا عمل (پیوریکس) ہے، جو پلوٹونیم (بنیادی طور پر) اور یورینیم (اس صورت میں دوبارہ پروسیس شدہ یورینیم کے نام سے جانا جاتا ہے) کو الگ کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے جو امریکیم، کیوریم، نیپٹونیم (معمولی ایکٹینیڈس)، اور جوہری ری ایکٹرز سے آنے والی فشن مصنوعات سے خرچ شدہ ایندھن میں موجود ہوتا ہے۔ اس طرح فضلہ کی مصنوعات کو ٹھکانے لگانے کے لیے الگ کیا جا سکتا ہے۔ اگلا، پلوٹونیم اور یورینیم جوہری توانائی کے مواد بنانے کے لیے دستیاب ہیں، جیسے کہ نیا ری ایکٹر ایندھن (ایم او ایکس ایندھن) اور (پلوٹونیم پر مبنی) جوہری ہتھیار۔ تاریخی طور پر کچھ فشن مصنوعات جیسے اسٹرونشیم-90 یا سیزیم-137 کو اسی طرح صنعت یا طب میں استعمال ہونے والے ریڈیو نیوکلائڈز کے طور پر استعمال کرنے کے لیے الگ کیا گیا تھا۔ آئن ایکسچینج کا عمل بہت ہی ملتے جلتے کیمیائی عناصر کے دوسرے سیٹوں کو الگ کرنے کے لیے بھی استعمال ہوتا ہے، جیسے زرکونیم اور ہفنیم، جو جوہری صنعت کے لیے بھی بہت اہم ہے۔ جسمانی طور پر، زرکونیم عملی طور پر آزاد نیوٹرانوں کے لیے شفاف ہے، جو جوہری ری ایکٹروں کی تعمیر میں استعمال ہوتا ہے، لیکن ہفنیم نیوٹرانوں کا ایک بہت مضبوط جذب کنندہ ہے، جو ری ایکٹر کنٹرول سلاخوں میں استعمال ہوتا ہے۔ اس طرح، آئن ایکسچینج کا استعمال نیوکلیئر ری پروسیسنگ اور تابکار فضلے کے علاج میں کیا جاتا ہے۔ پتلی جھلیوں کی شکل میں آئن ایکسچینج رال کلورالکالی عمل، ایندھن کے خلیات، اور ونیڈیم ریڈوکس بیٹریوں میں بھی استعمال ہوتے ہیں۔ آئن ایکسچینج کالم میں سوڈیم آئنوں کے لیے کیلشیم اور میگنیشیم آئنوں کا تبادلہ کرکے پانی سے سختی کو دور کرنے کے لیے بھی آئن ایکسچینج کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔ مائع مرحلے (آبی) آئن ایکسچینج ڈی سیلینیشن کا مظاہرہ کیا گیا ہے۔ اس تکنیک میں نمک پانی میں موجود آئنوں اور کیٹیشنوں کو الیکٹروفورسس کا استعمال کرتے ہوئے بالترتیب کاربونیٹ آئنوں اور کیلشیم کیٹیشنوں کے لیے تبدیل کیا جاتا ہے۔ کیلشیم اور کاربونیٹ آئن پھر کیلشیم کاربونیٹ بنانے کے لیے رد عمل ظاہر کرتے ہیں، جو پھر تیز ہو کر تازہ پانی کو پیچھے چھوڑ دیتے ہیں۔ ڈی سیلینیشن ماحول کے درجہ حرارت اور دباؤ پر ہوتی ہے اور اس کے لیے کسی جھلی یا ٹھوس آئن ایکسچینجرز کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ اس طریقہ کار کی نظریاتی توانائی کی کارکردگی الیکٹرو ڈائیلیسس اور ریورس اوسموسس کے برابر ہے۔ مٹی کی سائنس میں، کیشن-تبادلے کی صلاحیت مثبت طور پر چارج شدہ آئنوں کے لیے مٹی کی آئن-تبادلے کی صلاحیت ہے۔ مٹی کو قدرتی کمزور کیشن ایکسچینجر سمجھا جا سکتا ہے۔ آلودگی کے تدارک اور جیو ٹیکنیکل انجینئرنگ میں، آئن ایکسچینج کی صلاحیت سوجن یا وسیع مٹی جیسے مونٹموریلونائٹ کی سوجن کی صلاحیت کا تعین کرتی ہے، جسے آلودگیوں اور چارج شدہ آئنوں کو "پکڑنے" کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ پلانر ویو گائیڈ مینوفیکچرنگ میں، آئن ایکسچینج کا استعمال اضطراب کے اعلی اشاریہ کی رہنما پرت بنانے کے لیے کیا جاتا ہے۔ ڈیکللائزیشن، شیشے کی سطح سے الکلی آئنوں کو ہٹانا۔ کیمیائی طور پر مضبوط شیشہ، جو KNO3 پگھلنے کا استعمال کرتے ہوئے سوڈا شیشے کی سطحوں میں Na + کے لیے K + کا تبادلہ کرکے تیار کیا جاتا ہے۔ رال کی تخلیق نو سے پیدا ہونے والا گندے پانی زیادہ تر آئن ایکسچینج سسٹم آئن ایکسچینج رال کے کالموں کا استعمال کرتے ہیں جو چکور بنیاد پر چلائے جاتے ہیں۔ فلٹریشن کے عمل کے دوران، پانی رال کے کالم سے اس وقت تک بہتا ہے جب تک کہ رال ختم نہ ہو جائے۔ یہ تب ہی ہوتا ہے جب کالم سے نکلنے والے پانی میں ہٹائے جانے والے آئنوں کے زیادہ سے زیادہ مطلوبہ ارتکاز سے زیادہ ہوتا ہے۔ اس کے بعد جمع شدہ معطل ٹھوس مادوں کو ہٹانے کے لیے رال کے بیڈ کو ترتیب وار بیک واش کرکے، رال سے ہٹائے گئے آئنوں کو متبادل آئنوں کے مرتکز محلول سے فلش کرکے، اور رال سے فلشنگ محلول کو دھو کر رال کو دوبارہ پیدا کیا جاتا ہے۔ آئن ایکسچینج میڈیا کی تخلیق نو کے دوران بیک واش، فلشنگ اور گندے پانی کو دھونے کی پیداوار گندے پانی کے علاج کے لیے آئن ایکسچینج کی افادیت کو محدود کرتی ہے۔ پانی کے نرم کرنے والے عام طور پر 10 فیصد سوڈیم کلورائد پر مشتمل برائن کے ساتھ دوبارہ پیدا ہوتے ہیں۔ نرم پانی سے ہٹائے گئے ڈیویلینٹ کیٹیشن کے گھلنشیل کلورائڈ نمکیات کے علاوہ، سافٹینر ری جنریشن گندے پانی میں آئن ایکسچینج رال کے توازن کو ریورس کرنے کے لیے درکار سوڈیم کلورائڈ ری جنریشن فلشنگ برائن کا غیر استعمال شدہ 50-70% ہوتا ہے۔ سلفورک ایسڈ اور سوڈیم ہائیڈروکسائڈ کے ساتھ ڈییونائزنگ رال کی تخلیق نو تقریبا 20-40% موثر ہے۔ غیر جانبدار ڈیونائزر کی تخلیق نو گندے پانی میں ہٹائے گئے تمام آئنوں کے علاوہ 2.5-5 گنا ان کے مساوی ارتکاز پر مشتمل ہوتا ہے۔ الکلی آئن ایکسچینج میمبرین آئن آئن کرومیٹوگرافی آئن ایکسچینج میمبرینز آئن ایکسچینج رال ڈی سیلینیشن ریورس اوسموسس حوالہ جات مزید معلومات آئن ایکسچینجرز (کے۔ ڈورفنر، ایڈ۔ )، والٹر ڈی گروئٹر، برلن، 1991۔ سی۔ ای۔ ہارلینڈ، آئن ایکسچینج: تھیوری اینڈ پریکٹس، رائل سوسائٹی آف کیمسٹری، کیمبرج، 1994۔ آئن ایکسچینج (ڈی موراویف، وی گورشکوف، اے وارشاوسکی)، ایم ڈیکر، نیویارک، 2000۔ اے۔ اے۔ زگوروڈنی، آئن ایکسچینج میٹریلز: پراپرٹیز اینڈ ایپلی کیشنز، ایلسیویئر، ایمسٹرڈیم، 2006۔ بیرونی روابط ڈارٹماؤتھ کالج سے آئن ایکسچینج پر واضح اور اچھی طرح سے بیان کردہ کیمسٹری لیب پریکٹیکل آئن ایکسچینج کے عمل کی عکاسی کرنے والے کچھ ایپلٹ ڈیوونائزیشن آئن ایکسچینج کی ایک سادہ وضاحت، بائیو مائن ویکی تجزیاتی کیمسٹری جنرل کیمسٹری انڈسٹریل واٹر ٹریٹمنٹ