आयन विनिमय रेजिन
आयन विनिमय राल या आयन विनिमय पॉलीमर एक राल या बहुलक है जो आयन विनिमय के माध्यम के रूप में कार्य करता है। यह एक घुलनशील मैट्रिक्स (या समर्थन संरचना) है जो सामान्य रूप से छोटे (0.25-1.43 मिमी त्रिज्या) मिक्रोबाद के रूप में होता है, प्रायः सफेद या पीले रंग का होता है, जो कार्बनिक रसायन बहुलक सब्सट्रेट से बना होता है। मोती प्रायः झरझरा होते हैं, उनके अंदर और अंदर एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं जहां आयनों का फँसाने के साथ-साथ अन्य आयनों की मुक्ति के साथ होता है, और इस प्रकार इस प्रक्रिया को आयन विनिमय कहा जाता है। आयन-विनिमय राल के कई प्रकार होते हैं। अधिकांश व्यावसायिक राल पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट से बने होते हैं।[1]
आयन-विनिमय राल का व्यापक रूप से विभिन्न पृथक्करण प्रक्रिया, शुद्धिकरण और परिशोधन प्रक्रियाओं में उपयोग किया जाता है। सबसे साधारण उदाहरण जल मृदुकरण और जल शोधन हैं। कई घटनाओ में प्राकृतिक या कृत्रिम जिओलाइट्स के उपयोग के अधिक लचीले विकल्प के रूप में ऐसी प्रक्रियाओं में आयन-विनिमय राल प्रस्तुत किए गए थे। इसके अलावा, बायोडीजल निस्पंदन प्रक्रिया में आयन-विनिमय राल अत्यधिक प्रभावी होते हैं।
राल के प्रकार
अधिकांश विशिष्ट आयन-विनिमय राल पार लिंक पॉलीस्टीरीन पर आधारित होते हैं। पोलीमराइजेशन के बाद वास्तविक आयन-विनिमय स्थल प्रस्तुत किए जाते हैं। इसके अतिरिक्त, पॉलीस्टाइनिन के घटनाओं में, क्रॉसलिंकिंग को स्टाइरीन के कोपोलीमराइज़ेशन और डिवीनीलबेन्ज़ेने के कुछ प्रतिशत द्वारा प्रस्तुत किया जाता है। क्रॉसलिंकिंग से राल की आयन-विनिमय क्षमता कम हो जाती है और आयन-विनिमय प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए आवश्यक समय बढ़ जाता है लेकिन राल की मजबूती में सुधार होता है। कण आकार भी राल मापदंडों को प्रभावित करता है; छोटे कणों की बाहरी सतह बड़ी होती है, लेकिन स्तंभ प्रक्रियाओं में बड़े सिर का नुकसान होता है।[2]
मोती के आकार की सामग्री के अलावा, आयन-विनिमय राल भी झिल्ली के रूप में निर्मित होते हैं। ये आयन-विनिमय झिल्ली, जो अत्यधिक क्रॉस-लिंक्ड आयन-विनिमय राल से बने होते हैं जो आयनों के पारित होने की अनुमति देते हैं, लेकिन पानी की नहीं, इलेक्ट्रोडायलिसिस के लिए उपयोग की जाती हैं।
चार मुख्य प्रकार के आयन-विनिमय राल उनके कार्यात्मक समूह में भिन्न होते हैं:
- दृढ़ता से अम्लीय, प्रायः सल्फोनिक एसिड समूहों की विशेषता होती है,उदाहरण- सोडियम पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट या पॉलीएएमपीएस,
- दृढ़ता से बुनियादी, प्रायः चतुर्धातुक एमिनो समूहों की विशेषता होती है, उदाहरण के लिए, चतुर्धातुक अमोनियम समूह, उदाहरण- पॉलीएपीटीएसी),
- कमजोर रूप से अम्लीय, प्रायः कार्बोज़ाइलिक तेजाब समूहों की विशेषता होती है,
- कमजोर बुनियादी, प्रायः प्राथमिक, माध्यमिक और/या तृतीयक अमीनो समूहों की विशेषता होती है, उदाहरण- पॉलीथीन एमाइन।
विशिष्ट आयन-विनिमय राल को चेलेटिंग राल (इमिनोडियासेटिक एसिड, थियोरिया-आधारित राल, और कई अन्य) के रूप में भी जाना जाता है।
आयन-विनिमय प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले दो सबसे साधारण राल आयनों राल और कटियन राल हैं। जबकि अनियन राल नकारात्मक रूप से आवेशित आयनों को आकर्षित करते हैं, कटियन राल सकारात्मक रूप से आवेशित आयनों को आकर्षित करते हैं।
आयनों राल
अनियन राल या तो मजबूत या कमजोर बुनियादी हो सकते हैं। मजबूत बुनियादी आयन राल अपने नकारात्मक चार्ज को एक विस्तृत पीएच रेंज में बनाए रखते हैं, जबकि कमजोर बुनियादी आयनों राल उच्च पीएच स्तर पर बेअसर होते हैं।[3] कमजोर बुनियादी राल एक उच्च पीएच पर अपने चार्ज को बनाए नहीं रखते हैं क्योंकि वे अवक्षेपण से गुजरते हैं।[3] यदपि, वे उत्कृष्ट यांत्रिक और रासायनिक स्थिरता प्रदान करते हैं। यह, आयन विनिमय की उच्च दर के साथ मिलकर, कमजोर आधार वाले आयन राल को कार्बनिक लवण के लिए अच्छी तरह से अनुकूल बनाता है।
आयनों राल के लिए, पुनर्जनन में साधारण तौर पर राल का एक मजबूत बुनियादी समाधान के साथ उपचार सम्मिलित होता है, उदाहरण- जलीय सोडियम हाइड्रोक्साइड। पुनर्जनन के दौरान, पुनर्योजी रसायन राल के माध्यम से पारित किया जाता है, और फंसे हुए नकारात्मक आयनों को बाहर निकाल दिया जाता है, जिससे राल विनिमय क्षमता का नवीनीकरण होता है।
धनायन-विनिमय राल
सूत्र: आर-एच अम्लीय
कटियन विनिमय विधि कठोर पानी को हटा देती है लेकिन उसमें अम्लता उत्पन्न करती है, जिसे आयन विनिमय के माध्यम से इस अम्लीय पानी को पारित करके पानी के उपचार के अगले चरण में हटा दिया जाता है।
प्रतिक्रिया:
- आर-एच + एम+ = आर−एम + एच+.
ऋणायन-विनिमय राल
सूत्र:-एन.आर4+ओह-</सुप>
अक्सर ये स्टाइरीन-डिवाइनिलबेनज़ीन सहबहुल्यr राल होते हैं जिनमें राल मैट्रिक्स के अभिन्न अंग के रूप में चतुर्धातुक अमोनियम केशन होते हैं।[4]
प्रतिक्रिया:
- -एनआर4+ओह− + एचसीएल = –एनआर4+सीएल− + एच2ओ
आयन-विनिमय क्रोमैटोग्राफी इस सिद्धांत का उपयोग मिश्रण या समाधान (रसायन विज्ञान) से सामग्री निकालने और शुद्ध करने के लिए करती है।
उपयोग करता है
जल मृदुकरण
इसआवेदन में, सोडियम आयनों के साथ कठिन पानी में पाए जाने वाले मैगनीशियम और कैल्शियम आयनों को बदलने के लिए आयन-विनिमय राल का उपयोग किया जाता है। जब राल ताजा होता है, तो इसके सक्रिय स्थलों पर सोडियम आयन होते हैं। जब मैग्नीशियम और कैल्शियम आयनों (लेकिन सोडियम आयनों की कम सांद्रता) वाले समाधान के संपर्क में होते हैं, तो मैग्नीशियम और कैल्शियम आयन अधिमानतः राल पर सक्रिय साइटों के समाधान से बाहर निकल जाते हैं, सोडियम आयनों द्वारा समाधान में प्रतिस्थापित किया जाता है। यह प्रक्रिया प्रारंभ की तुलना में समाधान में मैग्नीशियम और कैल्शियम आयनों की बहुत कम सांद्रता के साथ संतुलन तक पहुँचती है।
राल को सोडियम आयनों की उच्च सांद्रता वाले घोल से धोकर पुनर्भरण किया जा सकता है (उदाहरण के लिए इसमें सोडियम क्लोराइड (NaCl) की बड़ी मात्रा घुली हुई है)। कैल्शियम और मैग्नीशियम आयन राल से पलायन करते हैं, जब तक कि एक नया संतुलन नहीं हो जाता तब तक समाधान से सोडियम आयनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। नमक का उपयोग आयन विनिमय राल को पुनर्भरण करने के लिए किया जाता है, जिसका उपयोग पानी को नरम करने के लिए किया जाता है।
जल शोधन
इस आवेदन में, आयन-विनिमय राल का उपयोग जहरीले (जैसे तांबा) और खतरनाक धातु (जैसे सीसा या कैडमियम) आयनों को समाधान से हटाने के लिए किया जाता है, उन्हें सोडियम और पोटैशियम जैसे अधिक अहानिकर आयनों के साथ बदल दिया जाता है।
कुछ आयन-विनिमय राल पानी से क्लोरीन या जैविक दूषित पदार्थों को हटाते हैं - यह प्रायः राल के साथ मिश्रित एक सक्रिय चारकोल फिल्टर का उपयोग करके किया जाता है। कुछ आयन-विनिमय राल हैं जो कार्बनिक आयनों को हटाते हैं, जैसे कि एमआईईएक्स (चुंबकीय आयन-विनिमय) राल। घरेलू जल शोधन राल को प्रायः पुनर्भरण नहीं किया जाता है - राल को तब त्याग दिया जाता है जब इसका उपयोग नहीं किया जा सकता है।
इलेक्ट्रॉनिक्स, वैज्ञानिक प्रयोगों, सुपरकंडक्टर्स के उत्पादन और परमाणु उद्योग आदि के लिए उच्चतम शुद्धता के पानी की आवश्यकता होती है। इस तरह के पानी का उत्पादन आयन-विनिमय प्रक्रियाओं या झिल्ली और आयन-विनिमय विधियों के संयोजन का उपयोग करके किया जाता है।
धातु पृथक्करण में आयन विनिमय
आयन-विनिमय प्रक्रियाओं का उपयोग धातुओं को अलग करने और शुद्ध करने के लिए किया जाता है, जिसमें यूरेनियम को प्लूटोनियम और थोरियम सहित अन्य एक्टिनाइड्स से अलग करना सम्मिलित है; और लेण्टेनियुम,नीयोडिमियम, अटर्बियम, समैरियम, ल्यूटेशियम, एक दूसरे से और अन्य लैंथेनाइड्स। दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं की दो श्रृंखलाएँ हैं, लैंथेनाइड्स और एक्टिनाइड्स। प्रत्येक परिवार के सदस्यों में बहुत समान रासायनिक और भौतिक गुण होते हैं। आयन विनिमय कई वर्षों तक दुर्लभ पृथ्वी को बड़ी मात्रा में अलग करने का एकमात्र व्यावहारिक तरीका था। इस आवेदन को 1940 के दशक में फ्रैंक स्पेडिंग द्वारा विकसित किया गया था। इसके बाद, सॉल्वेंट एक्सट्रैक्शन ने उच्चतम शुद्धता वाले उत्पादों को छोड़कर ज्यादातर आयन-विनिमय राल के उपयोग को दबा दिया है।
एक बहुत ही महत्वपूर्ण घटना पीयूआरईएक्स प्रक्रिया (प्लूटोनियम-यूरेनियम निष्कर्षण प्रक्रिया) है, जिसका उपयोग परमाणु रिएक्टर से व्यय किए गए ईंधन उत्पादों से प्लूटोनियम और यूरेनियम को अलग करने और अपशिष्ट उत्पादों के निपटान में सक्षम होने के लिए किया जाता है। फिर, प्लूटोनियम और यूरेनियम परमाणु-ऊर्जा सामग्री, जैसे नए रिएक्टर ईंधन और परमाणु हथियार बनाने के लिए उपलब्ध हैं।
इन-सीटू लीच यूरेनियम खनन में आयन-विनिमय मोती भी एक आवश्यक घटक हैं। इन-सीटू रिकवरी में यूरेनियम युक्त पानी का निष्कर्षण सम्मिलित है (0.05% ट्राययूरेनियम ऑक्टोक्साइड के रूप में कम ग्रेडिंग|यू3O8) बोरहोल के माध्यम से। निकाले गए यूरेनियम के घोल को राल मोतियों के माध्यम से फ़िल्टर किया जाता है। आयन-विनिमय प्रक्रिया के माध्यम से, राल मोती समाधान से यूरेनियम को आकर्षित करते हैं। यूरेनियम से भरे राल को फिर एक प्रसंस्करण संयंत्र में ले जाया जाता है, जहां यू3ओ8 रेज़िन बीड्स से अलग किया जाता है, और येलो केक का उत्पादन किया जाता है। राल मनकों को फिर आयन-विनिमय सुविधा में लौटाया जा सकता है, जहां उनका पुन: उपयोग किया जाता है।
आयन-विनिमय प्रक्रिया का उपयोग बहुत समान रासायनिक तत्वों के अन्य सेटों को अलग करने के लिए भी किया जाता है, जैसे ज़िरकोनियम और हेफ़नियम, जो परमाणु उद्योग के लिए भी बहुत महत्वपूर्ण है। ज़िरकोनियम मुक्त न्यूट्रॉन के लिए व्यावहारिक रूप से पारदर्शी है, जिसका उपयोग रिएक्टरों के निर्माण में किया जाता है, लेकिन हेफ़नियम न्यूट्रॉन का एक बहुत मजबूत अवशोषक है, जिसका उपयोग रिएक्टर नियंत्रण छड़ में किया जाता है।
कटैलिसीस
आयन विनिमय राल का उपयोग कार्बनिक संश्लेषण में किया जाता है, उदा के लिए- एस्टरीफिकेशन और हाइड्रोलिसिस । उच्च सतह क्षेत्र और अघुलनशील होने के कारण, वे वाष्प-चरण और तरल-चरण प्रतिक्रियाओं के लिए उपयुक्त हैं। उदाहरण पाए जा सकते हैं जहां बुनियादी (OH−-form) आयन विनिमय राल का उपयोग अमोनियम लवणों को बेअसर करने के लिए किया जाता है[5] और चतुर्धातुक अमोनियम हलाइड्स को हाइड्रॉक्साइड्स में परिवर्तित करें।[6] अम्लीय (एच+-रूप) आयन विनिमय राल का उपयोग ईथर की रक्षा करने वाले समूहों के विखंडन के लिए ठोस एसिड उत्प्रेरक के रूप में किया गया है।[7] और पुनर्व्यवस्था प्रतिक्रियाओं के लिए।[8]
रस शोधन
आयन-विनिमय राल का उपयोग संतरे और क्रैनबेरी जूस जैसे फलों के रस के निर्माण में किया जाता है, जहाँ उनका उपयोग कड़वे-स्वाद वाले घटकों को हटाने और स्वाद में सुधार करने के लिए किया जाता है। यह रस उत्पादन के लिए तीखे या खराब स्वाद वाले फलों के स्रोतों का उपयोग करने की अनुमति देता है।
चीनी निर्माण
विभिन्न स्रोतों से चीनी के निर्माण में आयन-विनिमय राल का उपयोग किया जाता है। उनका उपयोग एक प्रकार की चीनी को दूसरे प्रकार की चीनी में बदलने में मदद करने के लिए और चाशनी को रंगहीन और शुद्ध करने के लिए किया जाता है।
फार्मास्यूटिकल्स
आयन-विनिमय राल का उपयोग फार्मास्यूटिकल्स के निर्माण में किया जाता है, न केवल कटैलिसीस कुछ प्रतिक्रियाओं के लिए, बल्कि फार्मास्युटिकल सक्रिय अवयवों को अलग करने और शुद्ध करने के लिए भी।
तीन आयन-विनिमय राल, सोडियम पॉलीस्टाइरीन सल्फोनेट, कोलस्टिपोल और कोलेस्टेरामाइन सक्रिय अवयवों के रूप में उपयोग किए जाते हैं। सोडियम पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट एक मजबूत अम्लीय आयन-विनिमय राल है और इसका उपयोग हाइपरकलेमिया के उपचार के लिए किया जाता है। कोलस्टिपोल एक कमजोर बुनियादी आयन-विनिमय राल है और इसका उपयोग हाइपरकोलेस्ट्रोलेमिया के उपचार के लिए किया जाता है। कोलेस्टारामिन एक प्रबल मूल आयन-विनिमय राल है और इसका उपयोग हाइपरकोलेस्ट्रोलेमिया के उपचार के लिए भी किया जाता है। कोलस्टिपोल और कोलेस्टेरामाइन को पित्त अम्ल अनुक्रमक के रूप में जाना जाता है।
आयन-विनिमय राल का उपयोग फार्मास्युटिकल फॉर्मूलेशन जैसे टैबलेट, कैप्सूल, गम और सस्पेंशन में एक्ससपिएंट के रूप में भी किया जाता है। इन उपयोगों में आयन-विनिमय राल के कई अलग-अलग कार्य हो सकते हैं, जिसमें स्वाद-मास्किंग, विस्तारित रिलीज, टैबलेट विघटन, जैव उपलब्धता में वृद्धि और सक्रिय अवयवों की रासायनिक स्थिरता में सुधार सम्मिलित है।
चयनात्मक पॉलीमेरिक चेलेटिंग राल को कुछ विकृतियों के अनुरक्षण चिकित्सा के लिए प्रस्तावित किया गया है, जहां क्रोनिक आयन जैव संचयन होता है, जैसे कि विल्सन रोग (जहां तांबे का संचय होता है)[9] या वंशानुगत हेमोक्रोमैटोसिस (लौह अधिभार, जहां लौह संचय होता है) [10][11][12] इन पॉलिमर या कणों में एक नगण्य या अशक्त प्रणालीगत जैवउपलब्धता है और उन्हें फ़े2+ और फ़े3+के साथ स्थिर परिसर बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। जठरांत्र पथ में और इस प्रकार इन आयनों के शीघ्रगामी और उनके दीर्घकालिक संचय को सीमित करता है। यद्यपि इस पद्धति की केवल एक सीमित प्रभावकारिता है, केलेशन थेरेपी के विपरीत | छोटे-आणविक चेलेटर्स (डिफेरेसीरॉक्स, डेफेरिप्रोन, या डिफेरोक्सामाइन), इस तरह के दृष्टिकोण से पुरानी विषाक्तता में केवल मामूली दुष्प्रभाव हो सकते हैं | उप-पुरानी अध्ययन।[12]दिलचस्प बात यह है कि फ़े2+ और फ़े3+ का एक साथ केलेशन उपचार की प्रभावकारिता को बढ़ाता है।[12]
सीओ2 परिवेशी वायु से कैप्चर
अनियन विनिमय राल सीओ2 को आसानी से अवशोषित करते हैं सूखने पर और नमी के संपर्क में आने पर इसे फिर से छोड़ दें।[13] यह उन्हें परिवेशी वायु से सीधे कार्बन कैप्चर करने के लिए सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक बनाता है,[14] या प्रत्यक्ष हवा पर अधिकार, क्योंकि नमी स्विंग अधिक ऊर्जा-गहन तापमान स्विंग या अन्य सॉर्बेंट्स के साथ उपयोग किए जाने वाले दबाव स्विंग को बदल देता है। इस प्रक्रिया को प्रदर्शित करने वाला एक प्रोटोटाइप क्लाउस लकनर द्वारा नकारात्मक कार्बन उत्सर्जन केंद्र में विकसित किया गया है।
यह भी देखें
- पॉलीइलेक्ट्रोलाइट
- पानी का नरम होना
टिप्पणियाँ
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- उत्प्रेरक प्रणाली में एक आयन एक्सचेंज राल और एक डाइमिथाइल थियाजोलिडाइन प्रमोटर, हस्यागर यूके, महालिंगम आरजे, किशन जी, डब्ल्यूओ 2012 सम्मिलित हैं।
