İyon Değiştiriciler

İYON DEĞİŞTİRİCİLER

1.1. Tarihçe

Doğadaki sürekli değişimin önemli nedenlerinden biri iyon değişimidir.toprak, kum ve kayalar gibi cansız varlıklarda ve canlı organizmalardaki yaşamsal fonksiyonlarda iyon değişimine ait bir çok örnek mevcuttur.

Bir çok organik inorganik madde iyon değiştirici olarak kullanılmaktadır.Örneğin; protein, selüloz, karbon, basit balçık ve birçok mineral gibi doğal ürünler ile çevrelenmiş bir ortamdaki diğer iyonları değiştiren taşınabilir iyon içerirler. Bu doğal maddeler düşük bir değiştirme kapasitesine sahiptir.Bu özelliklerde pek tercih edilmeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerdir ki iyon değiştirici maddelerin pratik kullanımı sınırlandırırlar.sonuç olarak,1935 yılından önce iyon değiştirme tekniğine laboatuvarlarda ne de endüstiriyel alanlarda geniş bir birim düzeni kullanılmıyordu.

1850’de Thompson ve Way işlenmiş toprakta amonyum gibi çeşitli iyonların,kalsiyum ve magnezyum iyonlarıyla yerdeğiştirebildikleri şeklindeki gözlemlerini yayınladılar.Thompson’unçalışmasından yararlanarak Spence bir cam kolonda amonyum sülfatla işleme tabi tutulmuş kumlu kil yatak hazırlayıp yataktan suyu geçirdiği zaman,yatakta amonyum sülfat yerine alçı bulunduğunu görmüştür.laboratuvarda gerçekleşen bu ilk iyon değişimi Henneberg ve Stohmann kimyasal süreç olarak yorumlamış ve bu süreçlerin tersinin olduğunu öne sürmüşlerdir.bu olayları killer ve zeolitlerde de meydana geldiğini önce Lenberg daha sonra ise Wiegner göstermiştir.

Bu keşifler,suyun sertliğinin giderilmesi ve diğer amaçlara hizmet edebilen malzemelerin kullanımı ve bu özelliklerin gösteren ürünlerin sentezlenmesi çabalarına ışık tutmuştur.ilk sentetik iyon değiştiriciler 1903’te Harm ve Rümpler ile 1905’te Gans tarafından hazırlanmıştır.böylece örneğin deniz suyundan altın tuulması gibi uygulamalar gerçekleşebilecekti.

Modern iyon değiştirici teknolojisi 1935 yılında Adams ve Holmes’in şimdiki klasik araştırmalarıyla başladı.adam ve holmes genel olarak reçine diy bilinen iyonları değiştirme özeliğine sahip olan sentetik polimerleri keşfeden kişilerdir.bu keşfin patenti I.G. Farbenindüstrie şirketi tarafından 1936’da alınarak istenen özllikte iyon değiştirici reçinelerin sistematik üretimine başlanmıştır. Polycondensation yöntemiyle elde edilen ilk iyon değiştiricileri yerini 1945’ten sonra d’Alelionun sülfonik asit gruplarının çapraz bağlanmış polistiren reçineye girdirilmesinde, izlediği yöntem kullanılarak elde edilen polimerizasyon ürünleri alınmıştır. 1945’lerden günümüze değin, iyon değiştiricilerle ilgili araştırmalar, çevresel sorunların önem kazanmasıyla, giderek artan ilgiyle sürmektedir.



1.2. İyon Değiştirici Reçineler

İyon değiştiriciler , degişebilir katyon ve anyonları taşıyan, çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. İyon değiştirici maddelerin yapısını üç boyutlu hidrokarbon ağı ya da (matrix) elastik oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Ayrıca tüm pratik amaçlar için kimyasal inerttir. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, sonuncusu kolayca reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir.

Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların dağasıyla belirlenir. Belli başlı iki iyon değştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonrl grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır.

Tipik bir katyon değiştirici reçinesi olan, sitirendivinil benzen polimeri stiren (1) ve divinil benzenin (2) kopolimerizasyonuyla hazırlanır. Polimeri kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla belli aralıklarla dönüşümlü olarak kovalent bağla bağlanırlar. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Eğer daha sonra sülfirik asit, polimerle birlikte reaksiyona sokulursa, sülfirik asit grupları (-SO3-H+), stiren divinil benzen polimerinin, benzen zincir çemberlerine girerler ve son madde olarak yapısı şekil 1.1’de gösterilen katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir.



CH=CH2 CH=CH2

| |







(1) CH=CH2

(2)



- CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 –

| | |





SO3H | SO3H

- CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 –

| | | |





| SO3H SO3H |

-CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH - CH2 – CH -

| | |





| SO3H |

- CH - - CH -