Ionenaustauschverfahren
Ionenaustausch
Einfach ausgedrückt, ist Ionenaustausch das Geben und Empfangen von Ionen zwischen einem Ionenaustauschermaterial und einer Prozeßflüssigkeit. Sie findet statt, wenn die Prozessflüssigkeit durch das Ionenaustauschermaterial fließt. Mobile Ionen auf dem Ionenaustauschermaterial werden mit Ionen im Prozeßfluid ausgetauscht. Bei den Ionenaustauschanwendungen von La Habra Welding ist das Ionenaustauschermaterial eine aktivierte Copolymermatrix, die aus porösen Perlen (Harz) besteht und das Prozessfluid Systemabwasser ist.
Typische Ionenaustauscher sind Ionenaustauscherharze (funktionalisiertes poröses oder Gelpolymer), Zeolithe, Montmorillonit, Ton und Bodenhumus. Ionenaustauscher sind entweder Kationenaustauscher, die positiv geladene Ionen (Kationen) oder Anionenaustauscher austauschen, die negativ geladene Ionen (Anionen) austauschen. Es gibt auch amphotere Austauscher, die gleichzeitig Kationen und Anionen austauschen können. Der gleichzeitige Austausch von Kationen und Anionen kann jedoch wirksamer in Mischbetten durchgeführt werden, die ein Gemisch von Anionen- und Kationenaustauscherharzen enthalten oder die behandelte Lösung durch verschiedene Ionenaustauschermaterialien hindurchführen.
Ionenaustauscher können unselektiv sein oder abhängig von ihrer chemischen Struktur Bindungspräferenzen für bestimmte Ionen oder Klassen von Ionen aufweisen. Dies kann von der Größe der Ionen, ihrer Ladung oder ihrer Struktur abhängen. Typische Beispiele für Ionen, die an Ionenaustauscher binden können, sind:
* H + (Proton) und OH- (Hydroxid);
* Einfach geladene monatomare Ionen wie Na +, K + und Cl-
* Double-geladene einatomige Ionen wie Ca2 + und Mg2 +;
* Mehratomige anorganische Ionen wie SO42- und PO43-;
* Organische Basen, in der Regel Moleküle, die die Amino-funktionelle Gruppe -NR2H +;
* Organische Säuren, oft Moleküle, die funktionelle Gruppen -COO- (Carbonsäure) enthalten,
* Biomoleküle, die ionisiert werden können: Aminosäuren, Peptide, Proteine, etc.
Ionenaustausch in der Metalltrennung
Ionenaustauschverfahren werden verwendet, um Metalle zu trennen und zu reinigen, einschließlich der Abtrennung von Uran aus Plutonium und anderen Actiniden, einschließlich Thorium; Und Lanthan, Neodym, Ytterbium, Samarium, Lutetium, voneinander und den anderen Lanthaniden. Es gibt zwei Serien von Seltenerdmetallen, die Lanthanide und die Actinide. Mitglieder jeder Familie haben sehr ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften. Der Ionenaustausch war für viele Jahre der einzige praktische Weg, um die Seltenen Erden in großen Mengen zu trennen. Diese Anwendung wurde in den 1940er Jahren von Frank Spedding entwickelt. Anschließend hat die Lösungsmittelextraktion die Verwendung von Ionenaustauscherharzen meistens unterdrückt, mit Ausnahme der Produkte mit der höchsten Reinheit.
Ein sehr wichtiger Fall ist das PUREX-Verfahren (Plutonium-Uran-Extraktionsprozess), mit dem das Plutonium und das Uran aus den abgebrannten Brennelementen aus einem Kernreaktor abgetrennt und die Abfallprodukte entsorgt werden können. Dann stehen Plutonium und Uran zur Herstellung von Kernenergie-Materialien, wie z. B. neuer Reaktorkraftstoff und Atomwaffen, zur Verfügung
Ionenaustauschperlen sind auch eine wesentliche Komponente im In-situ-Lauge-Uranbergbau. In-situ-Rückgewinnung beinhaltet die Gewinnung von Uran-tragendem Wasser (Abstufung so niedrig wie .05% U3O8) durch Bohrlöcher. Die extrahierte Uranlösung wird dann durch die Harzperlen filtriert. Durch ein Ionenaustauschverfahren ziehen die Harzperlen Uran aus der Lösung an. Uran-beladene Harze werden dann zu einer Verarbeitungsanlage transportiert, wo U3O8 von den Harzperlen abgetrennt wird und gelber Kuchen erzeugt wird. Die Harzperlen können dann zu der Ionenaustauscheinrichtung zurückgeführt werden, wo sie wieder verwendet werden.
Das Ionenaustauschverfahren wird auch verwendet, um andere Sätze von sehr ähnlichen chemischen Elementen, wie Zirkonium und Hafnium, zu trennen, was übrigens auch für die Nuklearindustrie sehr wichtig ist. Zirkonium ist praktisch transparent für freie Neutronen, die beim Bau von Reaktoren verwendet werden, aber Hafnium ist ein sehr starker Neutronenabsorber, der in Reaktorsteuerstäben verwendet wird.
Ionenaustauscherharz
Ein Ionenaustauscherharz oder ein Ionenaustauschpolymer ist eine unlösliche Matrix (oder Trägerstruktur), die normalerweise in Form von kleinen (0,5-1 mm Durchmesser) Perlen, üblicherweise weiß oder gelblich, hergestellt ist, die aus einem organischen Polymersubstrat hergestellt sind. Die Perlen sind typischerweise porös, was eine hohe Oberfläche ergibt. Das Einfangen von Ionen erfolgt unter gleichzeitiger Freisetzung anderer Ionen; Also wird der Prozess Ionenaustausch genannt. Es gibt mehrere Arten von Ionenaustauschharz. Die handelsüblichen Harze bestehen aus Polystyrolsulfonat.
Ionenaustauschharze sind weit verbreitet in verschiedenen Trenn-, Reinigungs- und Dekontaminationsprozessen eingesetzt. Die häufigsten Beispiele sind Wasserenthärtung und Wasserreinigung. In vielen Fällen wurden Ionenaustauscherharze in solchen Prozessen eingeführt als eine flexiblere Alternative zur Verwendung von natürlichen oder künstlichen Zeolithen. Auch Ionenaustauschharze sind im Biodieselfiltrationsverfahren hochwirksam.
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