بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
آزمایشگاه تجزیه 3: رزین مبادله کننده یون
اسلاید 2 :
رزین ها موادی هستند که دارای مولکول های بزرگی می باشند که دو سر آنها قطبی بوده و دارای بارهای مخالف می باشند،
درنتییجه رزین ها چسبندگی خوبی را ایجاد می کنند. رزین ها در ساختن پلاستیک ها، چسب ها و . کاربرد دارند. رزین های موازنه کننده یون، ذرات جامدی هستند که می توانند یون های نامطلوب در محلول را با همان مقدار اکی والان از یون
مطلوب با بار الکتریکی مشابه جایگزین کنند. رزینهای تعویض یونی شامل بار مثبت کاتیونی و بار منفی آنیونی می باشد به گونه ای که از نظر الکتریکی خنثی هستند. موازنه کننده ها با محلول های الکترولیت این تفاوت را دارند که فقط یکی از دو یون ، متحرک و قابل تعویض است به عنوان مثال، یک تعویض کننده کاتیونی سولفونیک دارای نقاط آنیونی غیر متحرکی است که شامل رادیکال های آنیونی -(SO3)2 می باشد که کاتیون متحرکی مثل (H+) یا (Na+) به آن متصل هستند.
این کاتیون های متحرک می توانند در یک واکنش تعویض یونی شرکت کنند به همین صورت یک تعویض کننده آنیونی دارای نقاط کاتیونی غیر متحرکی است که آنیون های متحرکی مثل (Cl-) یا (OH-) به آن متصل می باشد.
اسلاید 3 :
رزین های تبادل یونی به دلیل مزایای زیر برای حذف آلودگی ها مناسب می باشند:
1- رزین های تبادل یونی ظرفیت و بازدهی بالایی برای حذف یون های با غلظت های پایین دارند.
2- رزین ها پایدار هستند و می توانند به راحتی بازیافت شوند.
3- رزین ها در محدوده گسترده ای از دما پایدار هستند.
4- رزین های تبادل یونی در واحدهای کوچک و بزرگ قابل استفاده است.
5- فرایند تبدل یونی با استفاده از رزین های کاتیونی و انیونی، فرایندی برگشت پذیر است. رزین ها بر حسب گروه عامل تعویض متصل به پایه پلیمری رزین به چهار دسته تقسیم میشوند.
اسلاید 4 :
رزین های تبادلی شامل دو دسته کلی رزین های تبادلی کاتیونی و رزین های تبادل آنیونی می باشند. رزین های حاوی کاتیون های قابل تبادل، رزین کاتیونی نامیده می شوند و رزین های حاوی آنیون های قابل تبادل، به عنوان رزین های آنیونی شناخته می شوند. رزین های آنیونی جذب یون های منفی و رزین های کاتیونی جذب یون های مثبت را بر عهده دارند.
رزین های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیون های آب همچون کلسیم، منیزیم، پتاسیم، آهن و… و رزین های آنیونی تمام آنیون های آب شامل سیلیس، سولفات، کلراید، نیترات و … را حذف مینمایند، در نتیجه با استفاده از هر دو نوع رزین می توان آب بدون یون تولید کرد.
به صورت کلی رزین های تبادل یونی قوی در محدوده وسیعی از pH عمل می کنند اما رزین های تبادل یونی ضعیف در محدوده کوچکی از pH مناسب هستند. رزین های یونی قوی دارای گروه های عاملی بسیار یونیزه شده هستند و در نتیجه می توانند در هر pH به راحتی گروه H+یا _OH خود را مبادله کنند. رزین های تبادل یونی ضعیف مانند اسید ها و بازهای ضعیف مقداری یونیزه شده اند، مگر اینکه در pH بالای 7 (برای رزین کاتیونی اسیدی ضعیف) و یا زیر 7 (برای رزین آنیونی بازی ضعیف) قرار گیرند.
اسلاید 5 :
گروه های عاملی که در رزین های تبادل یونی وجود دارند به شرح زیر هستند:
- رزین تبادل یونی کاتیونی اسیدی قوی: گروه عاملی سولفونیک (R-SO3H)
- رزین تبادل یونی آنیونی بازی قوی: گروه عاملی آمونیوم (R-R3N+OH-)
- رزین تبادل یونی کاتیونی اسیدی ضعیف: گروه عاملی کربوکسیل (R-COOH)
- رزین تبادل یونی آنیونی بازی ضعیف: گروه عاملی آمین (R-NH3OH).
ویژگی های فیزیکی رزین های تبادل یونی
مواد تبادل یونی به فرم کروی و یا گاهی گرانول با اندازه و یکنواختی مشخصی برای کاربردهای گوناگون تولید می شوند. بیشتر رزین های تبادل یونی به فرم کروی هستند و توزیع اندازه ذراتی بین 0/3 الی 1/2 میلیمتر (مش 50-16) دارند.
اسلاید 6 :
رزین ها در حالتی که با آب متورم شده باشند، وزن مخصوصی برابر با 1/5- 1/1 دارند. چگالی بالک برای محصولات رزینی خیس عموما در محدوده g/L 560- 960 (lb/ft3 35- 60) می باشد.
ویژگی های شیمیایی رزین های تبادل یونی
1- تورم پذیری رزین تبادل یونی: رزین های تبادل یونی تمایل به جذب رطوبت دارند. مقدار رطوبت جذب شده توسط رزین تبادل یونی به پیوندهای متقابل و گروه عاملی در ساختار آن وابسته می باشد. رزین های ژله ای با پیوندهای متقابل کم و گروه های عاملی سولفونیک اسید یا آمونیوم، محتوی مقادیر زیادی آب هستند که منجر به تورم آنها می شود. تورم و انقباض های پی در پی موجب کاهش عمر رزین تبادل یونی می شود.
- ظرفیت رزین تبادل یونی: طرفیت تبادل یونی برابر است با تعداد یون هایی که توسط یک واحد وزنی (وزن خشک/ وزن تر) و یا حجمی (حجم تر) از رزین جذب می شوند. در اندازه گیری طرفیت رزین بر پایه وزن خشک، وجود پیوندهای متقابل در ساختار رزین تبادل یونی موجب کاهش گروه های عاملی چسبیده به سطح و در نتیجه کاهش ظرفیت می شود.
اسلاید 7 :
- اندازه ذره در رزین تبادل یونی: رزین های تبادل یونی در اندازه ذرات و اندازه بستر مختلف ارائه می شوند. رزین
های تبادل یونی متداول به فرم بسترهای کروی پلی دیسپرس با توزیع اندازه ذرات بین 1/25 – 0/25 میلیمتر و یا اندازه ذرات یکنواخت تولید می شوند. ذرات کوچکتر سینتیک واکنش تبادل یونی را بهبود می دهند اما منجر به افزایش افت فشار آب و کاهش شدت جریان می شوند.
4- پایداری رزین تبادل یونی: پایداری مکانیکی یا پایداری فیزیکی رزین های تبادل یونی عمدتا تحت تاثیر سختی
ساختار پلیمری و تناوب سیکل های تورم و انقباض در رزین های تبادل یونی می باشد. عواملی مانند ته نشین شدن مواد (مانند هیدروکسید آهن) و گرفتگی حفرات رزین تبادل یونی، شکستن ساختار پلیمری رزین تبادلی، تغییر شکل گروه های عاملی و در نتیجه کاهش ظرفیت تبادل یونی منجر به تجزیه شیمیایی رزین های تبادل یونی می شود.
اسلاید 8 :
رزین های تبادل یونی عمدتا مواد پلیمری غیرمحلولی هستند که با روش پلیمریزاسیون تعلیقی (Suspension
Polymerization) با استفاده از استایرن (Styrene) و دی وینیل بنزن (Divinylbenzene, DVB) ساخته می شود
و حامل گروه های عاملی قابل تبادل می باشند. این یون ها می توانند با مقدار معادل استوکیومتری از یون هایی با بار مشابه در محیط مبادله و جایگزین شوند.
در فرایند تولید رزین های تبادل یونی آنیونی و کاتیونی ترکیبات آلی پلیمریزه می شوند تا ماتریکس سه بعدی متخلخلی تشکیل دهند. یک ماده شیمیایی به عنوان عامل ایجاد پیوندهای متقابل در طی فرایند پلیمریزاسیون (Polymerization) اضافه می شود (مانند دی وینیل بنزن) تا ساختار سه بعدی رزین تولید شود. در نهایت رزین به صورت شیمیایی فعال می شود که شامل واکنش ماتریکس پلیمری با ترکیبی است که حاوی گروه عاملی با قابلیت تعویض یونی می باشد (مانند سولفوریک اسید که گروه عاملی سولفونیک را به همراه دارد).
در شکل زیر واکنش تولید رزین تبادل یونی کاتیونی با استفاده از استایرن و دی وینیل بنزین نشان داده شده است.
اسلاید 10 :
کروماتوگرافي مايع يکي از انواع کروماتوگرافي است که فاز متحرک در آن مايع است که 4 نوع اصلی آن عبارتند از :
1- کروماتوگرافی تقسیمی (Partition Chromatography)
2- کروماتوگرافی جذب سطحی (Adsorption Chromatography)
3- کروماتوگرافی تبادل یونی (Ion-Exchange Chromatography)
4- کروماتوگرافی اندازه طردی (Size Exclusion Chromatography)
(Liquid Chromatography)کروماتوگرافي مايع
اسلاید 11 :
3- کروماتوگرافی تبادل یونی
کاتیونها و آنیونها تشکیل یک پیوند ضعیف یونی میدهند.
کاتیونها: فاز ساکن قطبی (e.g. R-SO3–)
فاز متحرک قطبی HNO3 aq.) (e.g
آنیونها: فاز ساکن قطبی (e.g. R-NR3+)
فاز متحرک قطبی Na2CO3 aq.) (e.g
آزمایشگاه تجزیه 3: رزین مبادله کننده یون
اسلاید 12 :
فاز متحرک
فاز متحرک نمونه را در خود حل کرده و انتقال میدهد.
فاز متحرک معمولا محلول میباشد.
Anions
Phthalic acid
Salicylic acid
p-Hydroxybenzoic acid
Benzoic acid
Borate/Gluconate
Potassium hydroxide
Carbonate/Bicarbonate
Hydroxide
Borate
…
Cations
Tartaric acid/Dipicolinic acid
Nitric acid
Tartaric acid
Tartaric acid/Citric acid
Sodium dihydrogene phosphate
Oxalic acid/Ethylene diamine/Acetone
.
(Liquid Chromatography)کروماتوگرافي مايع
3- کروماتوگرافی تبادل یونی
اسلاید 13 :
سوبسترا
Polystyrene / Divinylbenzene
Polymethacrylate
Polyvinylalcohol
Silica gel
تبادلگرآنیونی
Quaternary ammonium groups
Alkyl amines
Hydroxy-alkylamines
تبادلگر کاتیونی
Sulfonates
Carboxylates
فاز ساکن
اسلاید 14 :
فاز ساکن
اسلاید 15 :
مکانیسم جداسازی کاتیونها
فازهای ساکن و متحرک برای آنالیت به رقابت میپردازند.
اسلاید 18 :
لطفا طبق توضیحات ارایه شده در دستور کار آزمایش تجزیه دستگاهی ظرفیت را با ثابت مبادله یون رزین مبادله کننده یون محاسبه نمایید. برای محاسبه ثابت مبادله یون پتاسیم با یون هیدروژن به موارد زیر توجه نمایید:
ثابت تعادل را مطابق واکنش انتهای صفحه 55 بنویسید. سپس غلظت هر یک از اجزا را بدین دشکل محاسبه نموده ودر رابطه ثابت تعادل جایگذاری نمایید.
غلظت در محلول برحسب میلی مول درمیلی لیتر و غلظت در جامد را برحسب میلی مول بر گرم رزین محاسبه نمایید.
اسلاید 19 :
آزمایشات آنجام شده در آزمایشگاه همراه با نتایج
آزمایش شماره 14 صفحه های55-53 دستور کار آزمایشگاه شیمی تجزیه دستگاهی
نتایج حاصل عبارتند از:
برای تعیین ظرفیت:
برای محاسبه ثابت مبادله رزین
