הגדרות ועקרונות - חילוף יונים
חילוף יונים -הגדרות ועקרונות מים מים טבעיים מכילים חומרים זרים ,בדרך כלל בכמויות קטנות .מי אגמים ונהרות ,מי בארות וכן מי ברז אינם רק מולקולות H20והם מכילים מעט: מוצקים וחומרים שאינם מסיסים ,כגון חול ופסולת צמחית ,הניתנים )עקרונית לפחות( לסילוק בסינון. חומרים מומסים ,בדרך כלל בלתי נראים ,שאינם ניתנים לסילוק ע"י סינון.חומרים אלה יכולים להיות אנאורגניים או אורגניים ,ויכולים להיות במצב יוני )בעלי מטען חשמלי( או ניטראלי. חומרים מומסים שאינם יונים נמצאים במים בצורת מולקולות בעלות מבנה וגודל שונים .למשל: דו-תחמוצת הפחמן הינה מולקולה קטנה בעלת נוסחה כימית פשוטה.CO2 : סוכר הינה מולקולה גדולה יותר בעלת נוסחה מסובכת.C12H22O11:בדרך כלל ,רצוי לסלק את החומרים המומסים מהמים .ניתן לסלק את החומרים היוניים בטכנולוגית חילוף יונים. יונים החומרים היוניים המומסים נמצאים במים בצורת יונים שהם אטומים או מולקולות טעונים חשמלית .היונים הטעונים מטען חיובי נקראים קטיונים .היונים הטעונים מטען שלילי נקראים אניונים .מאחר והמים ניטראליים מבחינה חשמלית )אחרת נגיעה במים היתה מביאה להלם חשמלי( מספר המטענים החיוביים זהה למספר המטענים השליליים. יונים יכולים להיות בעלי מטען אחד או יותר ,התחום הנפוץ ביותר הינו 1עד .3יונים יכולים להיות בנויים מאטום בודד ,או ממספר אטומים המחוברים יחד באופן קבוע כגון מולקולות. דוגמאות: • • • • • • • • + קטיון אטומי חד ערכי :יון נתרן Na קטיון אטומי דו ערכי :יון סידן Ca++ + קטיון מולקולארי חד ערכי :יון אמוניום NH4 אניון אטומי חד ערכי :יון כלוריד Cl- אניון מולקולארי חד ערכי :יון ניטרט NO3 אניון מולקולארי דו ערכי :יון פחמה =CO3 אניון מורכב דו ערכי :יון כרומט =CrO4 +++ קטיון החמרן )אלומיניום( התלת ערכי Alקיים רק בתמיסות חומציות מאד ולא במים רגילים. יונים יכולים לנוע במים ,הם אינם קבועים במקומם ,ואינם צמודים ליונים בעלי מטען נגדי .סכום כל המטענים הקטיונים זהה לסכום כל המטענים האניונים. תרשים :1היונים במים אינם צמודים .סכום המטענים קבוע. מלחים הם חומרים גבישיים המכילים יחס קבוע של קטיונים ואניונים .למשל ,למלח שולחני יש בדיוק מספר זהה של קטיוני נתרן ) ( Na+ואניוני כלוריד ) (Cl-ונוסחתו היא .NaClכאשר ממיסים מלח במים ,הקטיונים והאניונים שלו חופשיים לנדוד במים כפי שניתן לראות בתרשים .1 יונים במים מחוברים למולקולות המים באופן רופף .הם נמצאים במצב הנקרא "ממוים" ), (Hydrated הקטיונים נמשכים ע"י אטום ) Oחמצן( והאניונים ע"י אטומי ) Hמימן( של מולקולות המים כמוצג בתרשים .2 תרשים :2יונים במים כגון Na+ו) Cl- -מלח שולחני (NaCl מגנזיום סולפאט הוא מלח עם בדיוק אותו מספר קטיוני מגנזיום )עם מטען כפול ( Mg++ואניוני סולפאט )גם הם בעלי מטען כפול = (SO4כך שנוסחת המלח היא . MgSO4 סידן כלוריד בנוי מיוני סידן ) ,Ca++עם שני מטענים ( ויוני כלוריד ) ,Cl-עם מטען אחד בלבד( .נדרשים 2אניוני כלוריד כדי לאזן כל קטיון סידן .לפיכך נוסחת סידן כלוריד היא . CaCl2 באופן דומה ,בנתרן פחמתי )סודה לשתייה( יש קטיוני Na+ואניוני פחמה = ,CO3לפיכך נדרשים 2יוני נתרן עבור כל יון פחמה והנוסחה הנובעת היא Na2CO3. כשמרתיחים ומאיידים מים לאורך זמן ,נשארות בכלי שאריות העשויות ממלחים ויתכנו גם שאריות אחרות כגון סיליקה ותרכובות אורגניות .רק במי ים יש כמויות משמעותיות של שארית חומר יבש 35 ,עד 40ג' חומר יבש לכל ליטר של מי ים .במי ברז ,כמות השארית היבשה בדרך כלל נמוכה ונעה בתחום 50עד 500 מ"ג/ליטר .השארית היבשה נקראת גם כלל מוצקים מומסים ) ( Total Dissolved Solidsובקיצור .TDS מזהמים במים מים מכילים כמויות קטנות של חומרים זרים .בהרבה מקרים חומרים אלה אינם גורמים לכל בעיה .מי שתייה המכילים מידת מה של מליחות נחשבים לטובים יותר מבחינה בריאותית מאשר מים טהורים לחלוטין .מאידך, עבור שמושים מיוחדים חומרים זרים אלה נחשבים למזהמים שיש להרחיקם מהמים. חומרים בלתי מסיסים )חול וכד'( ניתנים לסילוק באמצעות סינון .קיימות טכנולוגיות סינון שונות ,עד אולטרה- פילטרציה היכולות לסלק חלקיקים תת מיקרוניים .עבור חומרים מסיסים יש להשתמש בטכנולוגיות אחרות. חומרים מומסים יוניים ניתנים לסילוק באמצעות חילוף יונים. שרפים מחליפי יונים מדובר בגרגרי פלסטיים קטנים מאד בקוטר של כ 0.6 -מ"מ .גרגרים אלה נקבוביים ומכילים מים שאינם נראים ואלה נמדדים כ"לחות" או "תכולת רטיבות" .מבנה השרף הוא פולימר )כמו כל סוגי הפלסטיק( שאליו הוצמד יון קבוע .יון זה אינו ניתן להזזה או לסילוק; הוא למעשה חלק ממבנה גרגר השרף .כדי לקיים את הניטרליות החשמלית של השרף ,כל יון קבוע חייב להיות מנוטרל ע"י יון נגדי .יון נגדי זה הינו נייד ומסוגל להיכנס לגרגר השרף ולצאת מתוכו .תרשים 3מראה באופן סכמאטי גרגרי שרפים לחילוף קטיונים ואניונים. הקווים הכהים מייצגים את השלד הפולימרי של גרגרי השרף :השלד נקבובי ומכיל מים .היונים הקבועים על פני שרף חילוף הקטיונים שבתרשים הם סולפונטים ) (SO3-המקובעים לשלד .בתרשים זה ,היונים הניידים הם קטיוני נתרן ) .( Na+שרפי חילוף קטיונים מסופקים לרוב במצב נתרני. תרשים :3מראה סכמטי של גרגרי שרפים לחילוף קטיונים ואניונים לגרגרי השרף האניוני שבתרשים יש שלד דומה .הקבוצות הפונקציונליות כאן הן קטיונים של אמין רבעוני המוצגות בתרשים כ ; N+R3נוסחה מדויקת יותר היא .CH2-N+ -(CH3)3היונים הניידים בגרגר השרף האניוני הם יוני כלוריד ) .(Cl-זו גם צורת האספקה של שרפים אניונים רבים .כל יון הנכנס לגרגר חייב להתחלף עם יון היוצא מהגרגר ,זאת ,שוב ,כדי לשמור על הניטרליות החשמלית .לכך אנו קוראים חילוף יונים .רק יונים בעלי סימן מטען זהה יכולים להחליף זה את זה .לא ניתן להכין שרף שיוכל להחליף גם קטיונים וגם אניונים ,מאחר והקטיונים הקבועים בגרגר השרף ינטרלו את האניונים הקבועים ואז לא תיתכן כל החלפת יונים עם העולם החיצוני .לפיכך ,חובה להפריד בין שרפי חילוף קטיונים לשרפי חילוף אניונים. תמונת גרגרי שרף אניוני תמונת גרגרי שרף קטיוני ריכוך מים מבין החומרים המומסים במים קשיות היא הנפוצה ביותר .קשיות הינה מילה פופולארית המייצגת בעיקר קלציום ומגנזיום המומסים במים .יונים אלה יכולים לשקוע בתנאים מסוימים וליצור אבנית )המוכרת מקומקום ההרתחה שבמטבח הביתי( שיכולה לחסום צינורות ולגרום נזק לדודי הרתחת מים ".ריכוך" מים הוא חילוף קטיוני הקשיות ) ( Ca++, Mg++בקטיון שאינו גורם למשקע מאחר והוא הרבה יותר מסיס :יון הנתרן ) Na+או האשלגן .(K+ לריכוך מים משתמשים בשרף חילוף קטיוני שבו היון הנייד בתוך הגרגרים הוא נתרן ) - ( Na+המים הקשים מועברים דרך עמודה מלאה בשרף נתרני .יוני הקשיות Ca++ו Mg++ינועו לתוך גרגרי השרף וכל אחד מקטיונים דו ערכיים אלה יוחלף ע"י שני יוני נתרן Na+שיעזבו את השרף .תהליך החילוף יכול להירשם כדלהלןׁ)כאשר Rמייצג את השרף(: 2 RNa + Ca++ → R2Ca + 2 Na+ תרשים 4מראה את גרגר השרף הטעון מלכתחילה ביוני נתרן ) .( Na+כל יון קלציום או מגנזיום הנכנסים לשרף מפוצה ע"י שני יוני נתרן העוזבים אותו .אניונים מהמים )לא מוצגים( אינם יכולים להיכנס לגרגר מאחר והם יידחו ע"י אניוני הסולפונט ) ( SO3-הקבועים בגרגרים. תרשים :4ריכוך )חילוף נתרן( בגרגר שרף בודד חילוף קטיוני זה יכול להתרחש באופן יעיל רק מפני ששרף חילוף הקטיונים הוא בעל זיקה חזקה יותר ליוני קשיות מאשר לנתרן .בעברית פשוטה ,השרף מעדיף קלציום ומגנזיום על פני נתרן .תוצאת תהליך הריכוך אינו הסילוק נטו של יוני הקשיות מהמים אלא החלפת יוני הקשיות ביוני נתרן .מליחות המים לא השתנתה ,רק מרכיבי המליחות שונים בסוף תהליך הריכוך. כמובן ,חילוף זה אינו בלתי מוגבל :כשהשרף סילק קשיות ממי ההזנה עד שלא נותר מקום על השרף לקליטת קשיות נוספת ,תהליך ההרוויה צריך להיעצר .בשלב זה השרף יוחלף בטרי או יעבור רענון. דמינרליזציה אם יוחלפו את כל הקטיונים המומסים במים ביוני ) H+מימן( וכל האניונים ביוני ) OH-הידרוקסיד( ,אלה יגיבו וייצרו מולקולות מים חדשות .כדי לבצע זאת נדרש שרף חילוף קטיוני במצב Hושרף חילוף אניוני במצב .OH כל הקטיונים והאניונים יוחלפו והתוצאה תהיה "העלמות" גמורה של הזיהום היוני .תהליכי חילוף הקטיונים יהיו: 2 R’H + Ca++ → R2Ca + 2 H+ R’H + Na+ → R’Na + H+ במשוואות אלה R' ,מייצג שרף קטיוני .התהליך מוצג בתרשים .5השרף נמצא בהתחלה במצב מימני ).(H+ בתרשים זה לא מוצגים האניונים שבמים .ניתן לראות שיון Ca++אחד נכנס וגורם לשני יוני H+לעזוב את השרף ,בעוד קטיון Na+אחד מחליף יון H+אחד. תרשים :5דמינרליזציה )כל הקטיונים מוחלפים ע"י (H+ באופן דומה ,שרף חילוף אניוני הנמצא בהתחלה במצב OHיכול להחליף את כל האניונים .תגובות החילוף האניוני יהיו: R’’OH + Cl → R’’Cl + OH 2 R’’OH + SO4= → R’’2SO4 + 2 OHבמשוואות אלה '' Rמייצג שרף אניוני .כל האניונים יוחלפו ביוני הידרוקסיד ) .(OH-אין תרשים לחילוף אניוני זה היות והוא דומה מאד לתיאור החילוף הקטיוני בתרשים 5לעיל. בגמר תהליך החילוף ,גרגרי השרף נטענו בכל הקטיונים והאניונים מהמים ושחררו יוני H+ו .OH- -גרגרי השרפים כמעט רווים )תרשים 6מראה אותם רוויים לחלוטין(: תרשים :6גרגרי השרף רוויים H+ .ו OH- -שוחררו למים. יוני H+ו OH-יתחברו מיידית וייצרו מים: - + H + OH → HOH → H2O הזיהום היוני יושב כעת על שני סוגי השרף ) Naו Ca -על השרף הקטיוני Cl ,ו SO4 -על השרף האניוני( והמים עברו דמינרליזציה מלאה .מליחות המים הופחתה לכמעט אפסית ,כמה יונים "נמלטו" מעמודות שרף, תופעה הנקראת זליגה יונית .ניתן לסכם את תהליך הדמינרליזציה בתרשים הבא: תרשים :7סיכום תהליך דמינרליזציה פעולת העמודות במעבדה כמו במתקנים תעשייתיים ,משתמשים בשרפי חילוף יונים הנמצאים בתוך עמודות .המים או התמיסות לטיפול זורמים דרך השרף .תרשים 8מראה שרף טרי וכיצד הוא מועמס הדרגתית ביונים מתמיסת ההזנה .יונים מהשרף )לא מוצגים( משוחררים לתמיסה המטופלת .הפעולה נעצרת לפני שהיונים ה"כחולים" מתמיסת ההזנה נמלטים לתמיסה המטוהרת. תרשים :8תפקוד עמודה תרשים 9מראה עמודה מעבדתית אופיינית ,עמודה תעשייתית פשוטה וצילום של מתקן ™AMBERPACK )מצע דחוס ומרחף(. תרשים :9עמודות חילוף יונים רענון כאשר השרפים נוצלו ניתן להחזירם למצבם הטרי ולהתחיל מחדש .רענון שרפי חילוף יונים הוא היפוך תהליכי החילוף שהוצגו לעיל .לדוגמא ,שרף ריכוך מרוענן ע"י יוני נתרן ) (Na+שמקורם בתמיסת מלח )מלח בישול: .(NaClתהליך הרענון הינו: R2Ca + 2 NaCl → 2RNa + CaCl2 רענון יכול להתבצע רק כאשר ריכוז המרענן גבוה ,בדרך כלל פי 1000גבוה יותר מריכוזו במים רגילים. לדוגמא ,משתמשים במלח כתמלחת בריכוז ) 10%כ 100גרם/ליטר(. במקרה של דמינרליזציה ,חומצות חזקות כמו חומצת מלח ) (HClאו חומצה גופרתית ) (H2SO4מספקות יוני H+כדי להוציא ממקומם את הקטיונים שהוחלפו ,ושיושבים בתוך גרגרי השרף הקטיוני בתום תהליך הרוויה: R’Na + HCl → R’H + NaCl - בדומה לכך ,משתמשים בבסיסים חזקים כמו סודה קאוסטית ) (NaOHהיכולים לספק יוני OHכדי להחליף את האניונים היושבים על גרגרי השרף האניוני בגמר מחזור השרות: R’’Cl + NaOH → R’’OH + NaCl כפי שניתן לראות מתהליכי הרענון הנ"ל ,הרענון יוצר שפכים מליחים .זהו החיסרון העיקרי של חילוף יונים. מגבלות חילוף יונים כדי שתהליך חילוף יונים יהיה יעיל ,נידרש הפרש בזיקה בין היון הנייד שבשרף ובין היון או היונים שאותם יש להוציא מהתמיסה .לשרף חייבת להיות זיקה חזקה יותר ליון שבתמיסה מאשר ליון הנייד בשרף. טכנולוגיית חילוף יונים היא כלי מושלם לסילוק או החלפת מזהמים בריכוזים נמוכים .במקרה כזה ,זמן העבודה עד לניצול עמודת השרף יכול להיות ארוך ,ומשתנה מכמה שעות ועד מספר חודשים .כאשר ,מאידך, ריכוז המזהמים גבוה ,נניח מספר גרמים בליטר ,מחזורי חילוף יונים הולכים ונעשים קצרים וכמויות המרעננים הנדרשות מגיעות לרמות בלתי כלכליות .במקרה של מים מליחים )מי תהום בעלי מליחות גבוהה כפי שנמצא בארצות צחיחות( ,חילוף יונים אינו מתאים ויש להשתמש בטכנולוגיות אחרות ,כמו אוסמוזה הפוכה או זיקוק .כמו כן ,כל זיהום שאינו יוני אינו יכול להיות מסולק ע"י חילוף יונים .טכנולוגיות אחרות זמינות למטרה זו ,שימוש בפחם פעיל ,ספיחה פולימרית ,סיבים מולקולאריים וחומרים אחרים. חילוף יונים סלקטיבי הודות להבדלים בזיקה ליונים שונים ,ניתן להשתמש בשרפי חילוף יונים כדי לסלק יונים ממים באופן סלקטיבי .אחת הדוגמאות הברורות היא תהליך הריכוך .באופן דומה ,ניתן לסלק ממים בצורה סלקטיבית למדי יונים אחרים ,כגון ניטרט או סולפט ,תוך שימוש בשרף אניוני חזק במצב כלורידי .תהליך זה עובד מפני שלשרף האניוני יש זיקה חזקה יותר ליון הניטרט או הסולפט מאשר ליון הכלוריד ,כאשר סדר הזיקה הוא: –SO4= > NO3– > Cl– > HCO3– > OH– > F עבור שרפים קטיונים המשמשים במרככים סדר הזיקה הוא: > Mg++ > Na+ > H+ ++ > Ca ++ Pb ה) Pb -עופרת( מוצג כאן כדי לציין שכל עופרת מומסת תסולק באופן יעיל ע"י שרפי ריכוך ,כמו גם רוב ,אולם לא כל ,המתכות הכבדות. מזהמים מסוימים אינם מסולקים בנקל באמצעות שרפי חילוף יונים מקובלים .במקרים רבים פותחו שרפים ייחודיים עבור מזהמים אלה .שרפים סלקטיביים זמינים כיום לסילוק: • בורון • כספית ,קדמיום ומתכות כבדות אחרות • כרומט • ניטרט • ניקל • עופרת • פרכלורט ומזהמים נוספים. סיכום חילוף יונים היא טכנולוגיה בעלת עוצמה לסילוק זיהומים ממים ומתמיסות אחרות .תעשיות רבות תלויות בחילוף יונים לייצור מים בדרגת טוהר גבוהה ביותר .דוגמאות הן: • תחנות כוח תרמיות וגרעיניות • מוליכים למחצה ,שבבי מחשב וייצור צגים • סילוק מזהמים רעילים ממי שתייה. ישנם שימושים נוספים בתחומים שמעבר לטיפול במים ,בתעשיית המזון ,קטליזה ,כרייה ,סילק רעלנים משפכים ויישומים רבים נוספים. תמונת מתקן חילוף יונים לסילוק סלקטיבי של בורון ממי שתייה נכתב ע"י Francois de Dardelמחברת Rohm and Haas תורגם מאנגלית ונערך ע"י דרור כהן ומיכאל טרייטל מחברת טרייטל הנדסה כימית בע"מ © כל הזכויות שמורות
© Copyright 2024