Ioninvaihto on prosessi, jossa liuoksessa olevationit,kationit taianionit, vaihdetaan kiinteän matriisin sisältämiin anioneihin tai kationeihin. Ioninvaihdolla on sovellutuksia veden käsittelyssä,analyyttisessä kemiassa jabiotekniikassa.
Kationinvaihdossa liuoksen kationit vaihtuvat kiinteän matriisin sisältämiinprotoneihin tai muihinmetallikationeihin, tyypillisimminnatriumioneihin. Vaihdettaessa muita metalli-ioneja natriumioneiksi liuoksenpH ei muutu, mutta metallikationin vaihtaminen protoneiksi laskee liuoksen pH-arvoa. Kationinvaihto voidaan kuvata seuraavalla reaktioyhtälöllä:[1]
Anioninvaihtajat ovat positiivisesti varautuneita ja vaihtavat liuoksen anioneja tyypillisestihydroksidi- taikloridi-ioneiksi. Tätä menetelmää käytetään esimerkiksihumushappojen poistamiseen vesistä. Anioninvaihdon toimintaa voidaan kuvata reaktioyhtälöllä:[1]
Ionivaihtohartsit ovatmuoveja, jotka sisältävät joko positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita ryhmiä. Negatiivisesti varautuneet kationinvaihtohartsit voidaan jakaa kahteen tyyppiin, joille on yhteistä suurempi affiniteetti muihin positiivisesti varautuneisiin ioneihin tai yhdisteisiin kuin protoneihin. Voimakkaasti happamissa kationinvaihtohartseissa hartsi koostuu ristisilloitetustastyreeni-divinyylibentseenikopolymeeristä. Polymeeri sulfonoidaan joko väkevänrikkihapon taiklooririkkihapon avulla, jolloin saadaansulfonihapporyhmiä sisältävää hartsia. Heikosti happamiakarboksyyliryhmiä sisältäviä anioninvaihtohartseja valmistetaan hydrolysoimallapolymetyylimetakrylaattia taipolyakryylinitriiliä, jolloin saadaanpolyakryylihappoa. Karboksyyliryhmiä sisältävillä kationinvaihtohartseilla on erityisen suuri affiniteettimaa-alkalimetallien ioneihin ja muihin kaksiarvoisiin kationeihin.[2][1][3]
Anioninvaihtohartsit sisältävät positiivisesti varautuneita ryhmiä, jotka ovat useintertiäärisiä amiineja. Ne ovat emäksisiä ja luovuttavat liuokseenhydroksyyli-ioneja muiden anionien tilalle. Anioninvaihtohartsit voidaan jakaa kahteen ryhmään: heikosti ja vahvasti emäksisiin anioninvaihtajiin. Anioninvaihtajissa polymeerirunkona voi ollapolystyreenirunko, joka on ensin käsiteltykloorimetyylimetyylieetterillä, jolloin on saatu kloorimetyloitu johdannainen. Johdannainen reagoiammoniakin tai amiinien kanssa muodostaen aminojohdannaisia. Yleisimmin käytetyt vahvasti emäksiset anioninvaihtohartsit sisältävät kvaternäärisiä ammoniumryhmiä, esimerkiksi bentsyylitrimetyyliammoniumryhmän, ja vaihtavat liuoksesta lähes kaikki anionit hydroksidi-ioneiksi. Heikommin emäksiset, esimerkiksi tertiäärisiä amiiniryhmiä sisältävät anioninvaihtajat vaihtavat hydroksidi-ioneja ainoastaan vahvojen happojen anioneihin. Myös polyakryylipohjaisia hartseja voidaan käyttää anioninvaihtajina.[1][3]
Ioninvaihtohartsit voivat perustua myöskelaatioon. Tällöin hartsissa on usein esimerkiksitioliryhmiä, jotka sitoutuvat raskasmetalleihin.Iminodietikkahappo-,aminofosfonihappo- jaamidoksiiniryhmiä sisältävien ioninvaihtohartsien kelatoimiskyky on riippuvainen liuoksen happamuudesta, jolloin metalleja voidaan erottaa selektiivisesti toisistaan pH:ta vaihtelemalla.[1][3]
Ioninvaihtogeelit sisältävät matriisina jokoselluloosa- taidekstraanipolymeerin, joihin on liitetty happamia tai emäksisiä ryhmiä. Tyypillisiä happamia ryhmiä ovat karboksimetyyli- ja sulfopropyyli- tai sulfoetyyliryhmät ja emäksisiä ryhmiä kvaternääriset ammoniumryhmät ja dietyyliaminoetyyliryhmät. Ioninvaihtogeelien varaustiheys on pienempi kuin ioninvaihtohartseilla ja ne sitoutuvat erityisesti makromolekyyleihin, kuten proteiineihin.[2]
Ioninvaihtokromatografia onkromatografiamenetelmä, jota käytetäänanalyyttisen kemian tutkimuksissa. Ioninvaihtokromatografiassa komponenttien eluutionopeus riippuu stationäärifaasin ja näytteen komponenttien välisistä vuorovaikutuksista. Jos stationäärifaasi sisältää negatiivisesti varautuneita ryhmiä, niin ulkoisesti varauksettomat ja negatiivisesti varautuneet yhdisteet kulkeutuvat kolonnin läpi nopeammin kuin positiivisesti varautuneet ja voidaan erottaa niistä. Tällöin ioninvaihtaja on tyypiltään kationinvaihtaja. Vastaavasti stationäärifaasin ollessa positiivisesti varautunut anioninvaihtaja, kulkeutuvat negatiivisesti varautuneet komponentit kromatografiakolonnin läpi hitaammin. Retentioaikaan vaikuttaa myös komponentin koko ja eluutioliuoksen pH.[2][4]
Ioninvaihtokromatografiaa hyödynnetään muun muassa biokemiassa ja biotekniikassa proteiinien erottamiseen toisistaan. Proteiinit erottuvat kolonnissa kokonaisvarauksensa perusteella. Positiivisesti varautuneet proteiinit erottuvat negatiivisesti varautuneita karboksimetyyliryhmiä sisältävissä kolonneissa ja negatiivisesti varautuneet proteiinit positiivisesti varautuneita dietyyliaminoetyyliryhmiä sisältävissä kolonneissa. Proteiinit voidaan vapauttaa huuhtelemalla kolonni natriumkloridiliuoksella tai eluutioliuoksen pH:ta muuttamalla. Proteiinien erottamiseen käytetään myös ioninvaihtokalvoja. Kalvojen etuna hartsitäytteisiin kolonneihin on suurempi kapasiteetti sekä helppo steriloitavuus.[5][6]
Vedenkäsittelyssä ioninvaihtoa käytetään erityisesti veden pehmentämiseen ja deionisointiin. Veden pehmentämisessä veden kovuutta lisäävät kalsium- ja magnesiumionit sitoutuvat kationinvaihtomatriisiin ja vapauttavat liuokseen natriumioneja, mikä pehmentää veden. Vedenpehmennyksen yhteydessä poistuu vedestä magnesiumin ja kalsiumin lisäksi usein myös rauta- ja mangaani-ioneja. Deionisaatiossa puhdistettava vesi ohjataan sekä anioninvaihtimen että kationinvaihtimen läpi. Kationinvaihtohartsi on vahvasti hapan, jolloin kationit vaihtuvat protoneiksi, ja anioninvaihtohartsina käytetään usein heikosti emäksistä hartsia, joka vaihtaa anionit hydroksidi-ioneiksi. Hydroksidi-ionit ja protonit reagoivat keskenään muodostaen vettä.[3]