การแลกเปลี่ยนไอออนคือการแลกเปลี่ยนแบบผันกลับได้ระหว่างไอออนชนิดหนึ่งที่อยู่ในของแข็งที่ไม่ละลายน้ำกับไอออนอีกชนิดหนึ่งที่มีประจุเหมือนกันซึ่งอยู่ในสารละลายที่ล้อมรอบของแข็งนั้น การแลกเปลี่ยนไอออนถูกนำมาใช้ในการทำให้น้ำอ่อนลงหรือกำจัดแร่ธาตุออกจากน้ำ การทำให้สารเคมีบริสุทธิ์ และการแยกสารต่างๆ

โดยทั่วไป การแลกเปลี่ยนไอออนหมายถึงกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของสารละลายในน้ำโดยใช้เรซินแลกเปลี่ยนไอออนโพลีเมอร์ แข็ง กล่าวโดยละเอียด คำนี้ครอบคลุมกระบวนการที่หลากหลายซึ่งมีการแลกเปลี่ยนไอออนระหว่างอิเล็กโทรไลต์ สองชนิด ^{[ 1 ]} นอกเหนือจากการใช้เพื่อทำให้น้ำดื่มบริสุทธิ์ แล้วเทคนิคนี้ยังถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการทำให้บริสุทธิ์และการแยกสารเคมีที่สำคัญทางอุตสาหกรรมและการแพทย์หลายชนิด แม้ว่าโดยทั่วไปคำนี้จะหมายถึงการใช้งานเรซินสังเคราะห์ (ที่มนุษย์สร้างขึ้น) แต่ก็อาจรวมถึงวัสดุอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ดิน

สารแลกเปลี่ยนไอออนทั่วไป ได้แก่เรซินแลกเปลี่ยนไอออน (พอลิเมอร์ที่มีรูพรุนหรือเจล ที่ผ่านการ ปรับ แต่งทางเคมี ) ซีโอไลต์มอนต์มอริลโลไนต์ดินเหนียวและฮิวมัสในดินสารแลกเปลี่ยนไอออนแบ่งออกเป็นสารแลกเปลี่ยนแคตไอออนซึ่งแลกเปลี่ยน ไอออน ที่มีประจุ บวก ( แคต ไอออน) และสารแลกเปลี่ยนแอนไอออนซึ่งแลกเปลี่ยนไอออนที่มีประจุลบ ( แอนไอออน ) นอกจากนี้ยังมีสารแลกเปลี่ยนแอมโฟเทอริกที่สามารถแลกเปลี่ยนทั้งแคตไอออนและแอนไอออนพร้อมกันได้ อย่างไรก็ตาม การแลกเปลี่ยนแคตไอออนและแอนไอออนพร้อมกันมักทำในเตาปฏิกรณ์แบบผสมซึ่งประกอบด้วยเรซินแลกเปลี่ยนแอนไอออนและแคตไอออนผสมกัน หรือโดยการผ่านสารละลายผ่านวัสดุแลกเปลี่ยนไอออนหลายชนิดที่แตกต่างกัน

สารแลกเปลี่ยนไอออนสามารถมีคุณสมบัติในการจับกับไอออนบางชนิดหรือบางกลุ่มของไอออนได้ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพและโครงสร้างทางเคมีของทั้งสารแลกเปลี่ยนไอออนและไอออน ซึ่งอาจขึ้นอยู่กับขนาด ประจุ หรือโครงสร้างของไอออน ตัวอย่างทั่วไปของไอออนที่สามารถจับกับสารแลกเปลี่ยนไอออนได้ ได้แก่:

• เอช⁺( ไฮโดรน⁾และOH−( ไฮดรอกไซด์ )
• ไอออนอะตอมเดี่ยวที่มีประจุเดียว (เช่น โมโนวาเลนต์) เช่นNa ⁺และK ⁺และCl ⁻.
• ไอออนโมโนอะตอมที่มีประจุสองเท่า (เช่น ไอออนไดวาเลนต์) เช่นCa ²⁺และMg ²⁺.
• ไอออนอนินทรีย์หลายอะตอม เช่นSO ²⁻ และPO ³⁻
• เบสอินทรีย์โดยทั่วไปคือโมเลกุลที่มีหมู่ฟังก์ชันแอมโมเนียม −N ⁺ R H
• กรดอินทรีย์มักเป็นโมเลกุลที่มีหมู่ฟังก์ชัน−COO ⁻ ( คาร์บอกซิเลต )
• โมเลกุลชีวภาพที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ ได้แก่กรดอะมิโนเปปไทด์โปรตีนเป็นต้น

นอกเหนือจากการดูดซึมและการดูดซับแล้วการแลกเปลี่ยนไอออนก็เป็นรูปแบบหนึ่งของการดูดซับเช่น กัน

การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นกระบวนการที่ย้อนกลับได้และสารแลกเปลี่ยนไอออนสามารถฟื้นฟูสภาพหรือเติมไอออนที่ต้องการได้โดยการล้างด้วยไอออนเหล่านั้นในปริมาณที่มากเกินไป

เรซินแลกเปลี่ยนไอออนเป็นตัวกลางทางกายภาพที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออน เรซินประกอบด้วยพอลิเมอร์อินทรีย์ที่เชื่อมโยงกัน โดยทั่วไปจะเป็นเมทริกซ์พอลิสไตรีนและหมู่ฟังก์ชันซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน

การแลกเปลี่ยนไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม โลหะวิทยา การขัดเงาโลหะ เคมี ปิโตรเคมี เทคโนโลยีเภสัชกรรม การผลิตน้ำตาลและสารให้ความหวาน การบำบัดน้ำบาดาลและน้ำดื่ม นิวเคลียร์ การทำให้อ่อนตัว การบำบัดน้ำอุตสาหกรรม เซมิคอนดักเตอร์ พลังงาน และอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกมากมาย^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ทั่วไปคือการเตรียมน้ำบริสุทธิ์สูงสำหรับวิศวกรรมพลังงานอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และนิวเคลียร์ เช่น สารแลกเปลี่ยนไอออน ที่ไม่ละลาย น้ำที่เป็น พอลิเมอร์หรืออนินทรีย์ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการ ทำให้น้ำ อ่อนลงการทำน้ำให้ บริสุทธิ์ ^{[ 5 ] [ 6 ]}การกำจัดสิ่งปนเปื้อนในน้ำเป็นต้น

การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องกรองน้ำในครัวเรือนเพื่อผลิตน้ำอ่อนซึ่งเป็นประโยชน์ต่อผงซักฟอก สบู่ และเครื่องทำน้ำอุ่น ^วิธีการนี้ทำได้โดยการแลกเปลี่ยนไอออนบวกสองประจุ (เช่นแคลเซียม Ca²⁺ และแมกนีเซียม Mg²⁺ ) กับไอออนบวก ^{หนึ่ง}ประจุที่ละลายได้ดี (เช่น Na⁺ ^{​​หรือ} H⁺ ⁾ (ดูการทำให้น้ำอ่อน ) อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้การแลกเปลี่ยนไอออนในการบำบัดน้ำในครัวเรือนคือการกำจัดไนเตรตและสารอินทรีย์ธรรมชาติในระบบกรองน้ำในครัวเรือน การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นหนึ่งในทางเลือกสำหรับการทำให้น้ำอ่อนในครัวเรือนควบคู่ไปกับเยื่อกรองแบบรีเวิร์สออสโมซิส (RO) เมื่อเทียบกับเยื่อกรอง RO การแลกเปลี่ยนไอออนจำเป็นต้องมีการฟื้นฟูซ้ำๆ เมื่อน้ำที่ป้อนเข้ามีความกระด้าง (มีปริมาณแร่ธาตุสูง)

โครมาโทกราฟีแลกเปลี่ยนไอออนทางอุตสาหกรรมและการวิเคราะห์เป็นอีกด้านหนึ่งที่ควรกล่าวถึง โครมาโทกราฟีแลกเปลี่ยนไอออนเป็น วิธี การทางโครมา โทกรา ฟีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์ทางเคมีและการแยกไอออน ตัวอย่างเช่น ในชีวเคมีมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการแยกโมเลกุลที่มีประจุ เช่นโปรตีนพื้นที่การประยุกต์ใช้ที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการสกัดและการทำให้บริสุทธิ์ของสารที่ผลิตขึ้นทางชีวภาพ เช่น โปรตีน ( กรดอะมิโน ) และDNA / RNA

กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนถูกนำมาใช้ในการแยกและทำให้โลหะ บริสุทธิ์ รวมถึงการแยกยูเรเนียมออกจากพลูโทเนียมและธาตุแอคติไนด์ อื่นๆ เช่นธอร์เรียมเนปทูเนียมและอะเมริเซียมกระบวนการนี้ยังใช้ในการแยกธาตุแลนทานัมเช่นแลนทานัมซีเรียมนีโอดีเมียม พรา ซีโอดีเมียมยูโรเปียมและอิตเตอร์เบียมออกจากกัน การแยกนีโอดีเมียมและพราซีโอดีเมียมนั้นยากเป็นพิเศษ และในอดีตเคยคิดว่าทั้งสองเป็นธาตุเดียวกัน คือได ดิเมียม – แต่แท้จริงแล้วมันเป็นโลหะผสมของทั้งสอง ธาตุ

ธาตุโลหะหายากมีสองกลุ่ม ได้แก่แลนทานอยด์และแอกทินอยด์ ซึ่งทั้งสองกลุ่มมีคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพที่คล้ายคลึงกันมาก ในอดีต กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนเป็นวิธีเดียวที่ใช้ได้จริงในการแยกธาตุเหล่านี้ในปริมาณมาก โดยใช้วิธีการที่พัฒนาโดยแฟรงค์ สเปดดิงในทศวรรษ 1940 จนกระทั่งมีการพัฒนาเทคนิค "การสกัดด้วยตัวทำละลาย" ซึ่งสามารถขยายขนาดการผลิตได้อย่างมหาศาล

กรณีสำคัญมากของการแลกเปลี่ยนไอออนคือกระบวนการสกัดพลูโทเนียม-ยูเรเนียม ( PUREX ) ซึ่งใช้ในการแยกพลูโทเนียม (ส่วนใหญ่คือ²³⁹⁾พลูโทเนียม ( Pu ) และ(ในกรณีนี้เรียกว่ายูเรเนียมแปรรูป ) ที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงใช้แล้วจากอะเมริเซียมคูเรียมเนปทูเนียม (แอ คติ ไนด์รอง ) และผลิตภัณฑ์ฟิสชันที่มาจาก เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ดังนั้นจึงสามารถแยกของเสียออกเพื่อกำจัดได้ ต่อมา พลูโทเนียมและยูเรเนียมสามารถนำไปใช้ในการผลิตวัสดุพลังงานนิวเคลียร์ เช่น เชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ใหม่ (เชื้อเพลิง MOX ) และ อาวุธนิวเคลียร์ (ที่ใช้พลูโทเนียมเป็นส่วนประกอบ)ในอดีต ผลิตภัณฑ์ฟิสชันบางชนิด เช่นสตรอนเทียม-90หรือซีเซียม-137ก็ถูกแยกออกมาเพื่อใช้เป็นสารกัมมันตรังสีในอุตสาหกรรมหรือการแพทย์

กระบวนการแลกเปลี่ยนไอออนยังใช้ในการแยกชุดธาตุเคมีที่คล้ายคลึงกันมาก เช่นเซอร์โคเนียมและแฮฟเนียมซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมนิวเคลียร์ ในทางกายภาพ เซอร์โคเนียมแทบจะโปร่งใสต่ออนุภาคนิวตรอนอิสระ จึงใช้ในการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ แต่แฮฟเนียมเป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่แข็งแกร่งมาก จึงใช้ในแท่งควบคุม เครื่องปฏิกรณ์ ดังนั้น การแลกเปลี่ยนไอออนจึงถูกนำมาใช้ในการแปรรูปนิวเคลียร์และการบำบัดกากกัมมันตรังสี

เรซินแลกเปลี่ยนไอออนในรูปของเยื่อ บางๆ ยังถูกนำไปใช้ในกระบวนการผลิตคลอร์อัลคาไลเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่รีดอกซ์วานาเดียมอีก ด้วย

การแลกเปลี่ยนไอออนยังสามารถใช้ในการกำจัดความกระด้างของน้ำได้โดยการแลกเปลี่ยนไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมกับไอออนโซเดียมในคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออน การแยกเกลือออกจากน้ำโดยใช้การแลกเปลี่ยนไอออนในเฟสของเหลว (ในน้ำ) ได้รับการพิสูจน์แล้ว^{[ 8 ]}ในเทคนิคนี้ แอนไอออนและแคตไอออนในน้ำเกลือจะถูกแลกเปลี่ยนกับแอนไอออนคาร์บอเนตและแคตไอออนแคลเซียมตามลำดับโดยใช้อิเล็กโทรโฟเรซิสจากนั้นไอออนแคลเซียมและคาร์บอเนตจะทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตซึ่งจะตกตะกอน เหลือไว้เพียงน้ำจืด การแยกเกลือออกจากน้ำเกิดขึ้นที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อม และไม่จำเป็นต้องใช้เมมเบรนหรือตัวแลกเปลี่ยนไอออนของแข็ง ประสิทธิภาพพลังงานตามทฤษฎีของวิธีนี้เทียบเท่ากับอิเล็กโทรไดอะลิซิสและรีเวิร์สออสโมซิส

ระบบแลกเปลี่ยนไอออนส่วนใหญ่ใช้คอลัมน์ของ เรซินแลกเปลี่ยนไอออนซึ่งทำงานเป็นรอบๆ

ในระหว่างกระบวนการกรอง น้ำจะไหลผ่านคอลัมน์เรซินจนกว่าเรซินจะถือว่าหมดสภาพ ซึ่งจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อน้ำที่ออกจากคอลัมน์มีไอออนที่ถูกกำจัดออกไปมากกว่าความเข้มข้นสูงสุดที่ต้องการ จากนั้นเรซินจะถูกสร้างใหม่โดยการล้างย้อนกลับของชั้นเรซินอย่างต่อเนื่องเพื่อกำจัดของแข็งแขวนลอยที่สะสมอยู่ ล้างไอออนที่ถูกกำจัดออกจากเรซินด้วยสารละลายเข้มข้นของไอออนทดแทน และล้างสารละลายที่ใช้ล้างออกจากเรซิน การเกิดน้ำเสีย จากการล้างย้อนกลับ การล้าง และการล้าง ในระหว่างการสร้างใหม่ของตัวกลางแลกเปลี่ยนไอออนจำกัดประโยชน์ของการแลกเปลี่ยนไอออนสำหรับ การ บำบัดน้ำเสีย^{[ 9 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องทำน้ำอ่อนจะได้รับการฟื้นฟูด้วยน้ำเกลือที่ มี โซเดียมคลอไรด์ 10% ^{[ 10 ]}นอกเหนือจากเกลือคลอไรด์ที่ละลายได้ของแคตไอออนสองวาเลนต์ที่ถูกกำจัดออกจากน้ำอ่อนแล้ว น้ำเสียจากการฟื้นฟูเครื่องทำน้ำอ่อนยังประกอบด้วยน้ำเกลือโซเดียมคลอไรด์ที่ไม่ได้ใช้ 50–70% ซึ่งจำเป็นต่อการย้อนกลับสมดุลของเรซินแลกเปลี่ยนไอออน การฟื้นฟูเรซินกำจัดไอออนด้วยกรดซัลฟิวริกและโซเดียมไฮดรอกไซด์มีประสิทธิภาพประมาณ 20–40% น้ำเสียจากการฟื้นฟูเครื่องกำจัดไอออนที่เป็นกลางประกอบด้วยไอออนที่ถูกกำจัดทั้งหมดบวกกับความเข้มข้นเทียบเท่า 2.5–5 เท่าของ โซเดียมซัลเฟต^{[ 11 ]}

• เยื่อแลกเปลี่ยนไอออนลบอัลคาไล
• ไอออน
• โครมาโทกราฟีไอออน
• เยื่อแลกเปลี่ยนไอออน
• เรซินแลกเปลี่ยนไอออน
• การแยกเกลือออกจากน้ำ
• ระบบรีเวิร์สออสโมซิส

• Betz Laboratories (1976). คู่มือการปรับสภาพน้ำอุตสาหกรรม (  ฉบับที่ 7). Betz Laboratories.
• เครื่องแลกเปลี่ยนไอออน (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991
• ซี.อี. ฮาร์แลนด์, การแลกเปลี่ยนไอออน: ทฤษฎีและการปฏิบัติ, ราชสมาคมเคมี, เคมบริดจ์, 1994
• ฟรีดริช จี. เฮลเฟอริช (1962). การแลกเปลี่ยนไอออน . สำนักพิมพ์คูเรียร์ โดเวอร์. ISBN 978-0-486-68784-1.{{cite book}}: ความไม่เข้ากันของหมายเลข ISBN / วันที่ ( ขอความช่วยเหลือ )
• Kemmer, Frank N. (1979). คู่มือเกี่ยวกับน้ำของ NALCO . McGraw-Hill.
• การแลกเปลี่ยนไอออน (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, นิวยอร์ก, 2000
• AA Zagorodni, วัสดุแลกเปลี่ยนไอออน: คุณสมบัติและการใช้งาน , Elsevier, อัมสเตอร์ดัม, 2006.
• SenGupta, Arup K. (2017). การแลกเปลี่ยนไอออนในกระบวนการทางสิ่งแวดล้อม: หลักการพื้นฐาน การประยุกต์ใช้ และเทคโนโลยีที่ยั่งยืนโฮโบเคน รัฐนิวเจอร์ซีย์ISBN 978-1-119-42125-2. OCLC 1001290476 . {{cite book}}: CS1 maint: ตำแหน่งไม่ชัดเจน ผู้เผยแพร่ ( ลิงก์ )
• ดร. ไอ. และ ลุคแมน เอ็ม. (2012). เทคโนโลยีการแลกเปลี่ยนไอออน เล่ม 1: ทฤษฎีและวัสดุ.สปริงเกอร์ เนเธอร์แลนด์.
• Harland, CE (1994). การแลกเปลี่ยนไอออน: ทฤษฎีและการปฏิบัติ (ฉบับที่ 2)ราชสมาคมเคมี

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนไอออน

• แบบฝึกหัดปฏิบัติการทางเคมีเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนไอออน จากวิทยาลัยดาร์ทมัธ พร้อมภาพประกอบและคำอธิบายอย่างละเอียด
• ตัวอย่างแอปพลิเคชันขนาดเล็กที่แสดงกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน
• คำอธิบายอย่างง่ายเกี่ยวกับการกำจัดไอออน
• การแลกเปลี่ยนไอออน, BioMineWiki เก็บถาวรเมื่อ 2020-08-11 ที่Wayback Machine