આયનવિનિમય

આયનવિનિમય (ion-exchange) : ઘન પદાર્થના ચલાયમાન (mobile) જલયોજિત (hydrated) આયનો અને દ્રાવણમાંના સમાન વીજભારિત આયનો વચ્ચે તુલ્ય-તુલ્ય (equivalent for equivalent) પ્રમાણમાં થતી વિનિમયરૂપ રાસાયણિક પ્રક્રિયા. આયન-વિનિમયકો (exchangers) ત્રિપરિમાણમાં જાળી જેવી રચના ધરાવે છે. વિનિમયકની ઘન આધાત્રી(matrix)ને લાગેલા વીજભારિત સમૂહોનું ચલાયમાન આયનો વડે તટસ્થીકરણ થયેલું હોય છે. વિનિમયકની સ્થાયી સમૂહો ઉપરનો વીજભાર ઋણ હોય તો ધનાયન-વિનિમય થાય છે અને આ પ્રકારના વિનિમયકો ધનાયન-વિનિમયકો (cation exchangers) તરીકે ઓળખાય છે. જો આ સ્થાયી વીજભાર ધન હોય તો ઋણાયન વિનિમય થાય છે અને આ પ્રકારના વિનિમયકો ઋણાયન-વિનિમયકો (anion exchangers) તરીકે ઓળખાય છે. ધન અને ઋણ આયનોનો એકસાથે વિનિમય કરનાર પદાર્થો દ્વિગુણાંક આયન-વિનિમયકો કહેવાય છે. વિનિમયકો એવા અદ્રાવ્ય ઍસિડ કે બેઇઝ છે, જેમના ક્ષારો પણ અદ્રાવ્ય છે એમ ટૂંકમાં કહી શકાય.

સ્વીડિશ રસાયણશાસ્ત્રી સ્વાન્તે આર્હેનિયસે આયન-સિદ્ધાંત રજૂ કર્યો તે પહેલાં આયન-વિનિમય પ્રક્રિયાની જાણ થઈ હતી. એચ. એસ. થૉમસન અને જે. ટી. વેએ 1850માં જમીનમાં થતી આયન-વિનિમય પ્રક્રિયા અંગેનું સંશોધન ‘જર્નલ ઑવ્ ધ રૉયલ સોસાયટી ઑવ્ ઇંગ્લૅન્ડ’માં પ્રસિદ્ધ કર્યું હતું. વેએ તળિયે છિદ્રવાળા પાત્રમાં માટી ભરીને તેમાં પોટૅશિયમ ક્લોરાઇડનું દ્રાવણ રેડ્યું અને બહાર આવતું દ્રાવણ એકઠું કર્યું. ખોખાની માટીમાં વરસાદનું પાણી રેડીને બહાર આવતું દ્રાવણ એકઠું કર્યું. આ બંને દ્રાવણો તપાસતાં તેમાં Ca²⁺, Mg²⁺ અને Cl^– આયનો જ મળ્યાં. K⁺ આયન ગેરહાજર માલૂમ પડ્યું. આનો અર્થ એ થયો કે K⁺ આયનો માટીમાં શોષાઈ ગયાં. આ ઘટનાને તેણે ‘બેઝ એક્સચેંજ’ નામ આપ્યું. 1940 પછી આ ઘટના માટે ‘આયન-વિનિમય’ શબ્દપ્રયોગ ચલણમાં આવ્યો છે. આધુનિક પરિભાષામાં ઉપરની ઘટના અંગે એમ કહી શકાય છે કે K⁺ આયનો અને માટીમાંનાં Ca²⁺/Mg²⁺નો વિનિમય થાય છે. Cl^–આયનો આ વિનિમયમાં ભાગ લેતાં નથી. આ બાબતને સમીકરણ દ્વારા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

2K⁺ + Ca²⁺_(s) / Mg²⁺_(s)   Ca²⁺/Mg²⁺ + 2K⁺_(s)

(s = માટી).

વેએ દર્શાવ્યું કે Ca²⁺નું દ્રાવણ ઉપરના પ્રયોગના અંતે પસાર કરતાં શોષાયેલ K⁺ આયનો બહાર આવે છે. આમ આ પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી (reversible) છે તેમ પણ તેણે સાબિત કર્યું હતું.

આયન-વિનિમયકો : જમીનમાંનાં મૃત્તિકા (માટી, clay) ખનિજો અને હ્યુમિક ઍસિડોને લીધે K⁺ અને Ca²⁺ આયનો જમીનમાં બંધાયેલાં (bound) રહે છે. આ અદ્રાવ્ય ખનિજો અને હ્યુમિક ઍસિડના બંધારણના માળખામાં – આધાત્રીમાં – ઋણભારયુક્ત સમૂહો હોય છે. કુદરતી અને સંશ્લેષિત સિલિકેટો અને ઍલ્યુમિનોસિલિકેટ-સંયોજનોમાં નીચે દર્શાવેલ માળખું હોય છે અને શૃંખલાઓને અંતે ઋણભારવાહી ઑક્સિજન-પરમાણુઓ હોય છે, જેમની સાથે K⁺ જોડાઈ શકે છે :

વિનિમયકને ધનાયનવાળા દ્રાવણમાં મૂકતાં K⁺નો વિનિમય તે ધનાયન સાથે થાય છે. વિનિમયમાં ભાગ લેનાર આયન નાના કદનાં હોવાં જરૂરી છે, જેથી તે અંદર-બહાર સરળતાથી ગતિ કરી શકે. આ આયનો વિનિમયકની જાળીરૂપ રચનાની આંતરબાહ્ય સપાટી ઉપર સ્થાન પામેલાં હોવાં જોઈએ.

વિનિમય માટેની બે જરૂરિયાતો, આધારરૂપ અદ્રાવ્ય ઘન માળખા ઉપર બદ્ધ આયનિક વિદ્યુતભાર અને દ્રાવણ માટેની પારગમ્યતા (permeability) પૂરી પાડી શકે તેવા ખનિજ પદાર્થો (દા.ત., ઝિયોલાઇટ) કુદરતમાં મળે છે. શરૂઆતના આયન-વિનિમય અંગેના પ્રયોગો આવા ખનિજપદાર્થો ઉપર જ કરવામાં આવ્યા હતા. કુદરતી ઝિયોલાઇટ ઍસિડ અને આલ્કલી વડે વિઘટિત થતા હોઈ બહુ ઉપયોગી ન બન્યા. આવા સંશ્લેષિત પદાર્થો 1903થી જાણીતા છે (દા.ત., પર્મ્યુટિટ). 1955માં માલૂમ પડ્યું કે ટાઇટેનિયમ, ઝર્કોનિયમ અને થોરિયમના ફૉસ્ફેટ, આર્સેનેટ અને મોલિબ્ડેટ સારા ધનાયન વિનિમયકો છે. આમાંના કેટલાકનું હાલમાં મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદન પણ થાય છે. આ વિનિમયકો વિકિરણની અસરથી મુક્ત હોઈ પરમાણુ-ઊર્જા મથકમાં ભેગા થતા વિકિરણધર્મી કચરામાંથી પ્રબળ વિકિરણધર્મી સિઝિયમ-137(Cs-137)ને દૂર કરવામાં ઉપયોગી છે. અણુચાળણી (molecular sieve) પણ આયન-વિનિમયકનો જ એક પ્રકાર છે.

આમ છતાં આયન-વિનિમયકોનો બહોળો વપરાશ સંશ્લેષિત કાર્બનિક આયન-વિનિમયકોની શોધ પછી જ શક્ય બન્યો છે. આયન-વિનિમયકોની ઝડપ તથા કાર્યક્ષમતાને કારણે પ્રયોગશાળા અને ઉદ્યોગમાં તે બહોળા ઉપયોગમાં આવેલ છે.

હ્યુમિક ઍસિડ કુદરતમાં મળતું કાર્બનિક વિનિમયક છે. શરૂઆતમાં કાર્બનિક પદાર્થની આધાત્રીમાં આયનિક સમૂહો દાખલ કરવા માટે ખનિજ કોલસાનું સલ્ફોનેશન કરીને વિનિમયકો તૈયાર કરવામાં આવેલ (દા.ત., ઝિયોકાર્બ). આમાં કુદરતમાં મળતા કાર્બનના માળખાનો આધાત્રી તરીકે ઉપયોગ થયો છે. 1935માં બેસિલ આલ્બર્ટ એડમ્સ અને એરિક લેઇટન હૉલ્મ્સ નામના બ્રિટિશ રસાયણશાસ્ત્રીઓએ સૌપ્રથમ આયન-વિનિમયક રેઝિન સંશ્લેષિત રીતે તૈયાર કરીને આ દિશામાં પ્રથમ પગલું ભર્યું. તેમણે પૉલિહાઇડ્રિક ફીનૉલ અથવા ફીનૉલ સલ્ફોનિક ઍસિડનું ફૉર્માલ્ડિહાઇડ સાથે સંઘનન (condensation) કરીને બૅકેલાઇટ પ્રકારનું, સ્થાયી ઋણભારવાહી સમૂહો ધરાવતું  રેઝિન બનાવ્યું. 1944માં સ્ટાયરીન અને ડાયવાઇનાઇલ બેન્ઝિનનો સહબહુલક (copolymer) બનાવીને આયનિક સમૂહોને બેન્ઝિન-વલયમાં દાખલ કરીને ઘણા જ ઉપયોગી આયન-વિનિમયકો નિપજાવ્યા. સ્ટાયરીન અને ડાયવાઇનાઇલ બેન્ઝિનના પ્રમાણમાં વધઘટ કરીને કાર્બન આધાત્રીને ઓછીવધતી અક્કડ (rigid) અને છિદ્રાળુ બનાવી શકાય છે. સામાન્ય રીતે 1થી 15 % જેટલા આડબંધ (cross-linking) દાખલ કરાય છે, વધુ આડબંધથી છિદ્રો નાનાં બને છે :

આ બહુલકમાં સલ્ફોનેશનથી –SO^–₃H⁺ તથા ક્લૉરોમિથિલેશન અને એમાઇન સાથેની પ્રક્રિયાથી CH₂N⁺(CH₃)₃Cl^– સમૂહ દાખલ કરીને ધનાયન/ઋણાયન વિનિમયકો સરળતાથી મેળવી શકાય છે :

RH + H₂SO₄ → R-S H⁺ + H₂O       

                        ધનાયન-વિનિમયક

RH + HCHO + HCl → RCH₂Cl + H₂O

         RCH₂Cl + (CH₃)₃N → RCH₂N⁺(CH₃)₃Cl–     

                                ઋણાયન-વિનિમયક

હાલમાં વપરાતા 90 ટકા વિનિમયકો આ પ્રકારના છે. H⁺ ને Na⁺ વડે અને Cl^–ને OH^– વડે વિસ્થાપિત કરી શકાય છે. R-SO^–₃H⁺ અને RCH₂N⁺(CH₃)₃OH^– અનુક્રમે પ્રબળ ઍસિડ અને બેઇઝ તરીકે વર્તે છે. બહુલીકરણમાં બહુલક મણકા-દાણા-રૂપ (વ્યાસ કેટલાક માઇક્રોનથી 2 મિમી.) હોય છે. અને આ મણકા છિદ્રાળુ હોઈ પાણીની હાજરીમાં ફૂલે છે. સામાન્ય વિનિમયકો પ્રતિગ્રામ 2-10 મિલિ-તુલ્યભાર જેટલી વિનિમયશક્તિ ધરાવે છે. ઇમિનોએસેટેટ-CH₂N(CH₂COOH)₂ સમૂહ દાખલ કરવાથી આલ્કલી ધાતુઓ સિવાયની ધાતુઓ સાથે સંકીર્ણ બનાવી શકે તેવું વિનિમયક મળે છે, જે સૂક્ષ્મમાત્રક (trace) ધાતુઓના અલગન તથા સંકેન્દ્રણમાં તથા રાસાયણિક પૃથક્કરણમાં ઉપયોગી છે. પૉલિમિથાઇલ-મિથાક્રિલેટમાંથી કાબૉર્ક્સિલ (-COOH) સમૂહ ધરાવતું વિનિમયક મળે છે. આ આયુર્વિજ્ઞાન અને જીવરસાયણમાં ઉપયોગી છે.

સેલ્યુલોઝ અણુમાંના હાઇડ્રૉક્સિલ સમૂહ સાથે પ્રક્રિયા કરીને આયનિક સમૂહો દાખલ કરી શકાય છે. આ સમૂહો સેલ્યુલોઝના તારરૂપ અણુની બહારની બાજુએ રહેલા હોઈ મોટા કદનાં આયનો ત્યાં સરળતાથી પહોંચી શકે છે. આવા વિનિમયક જીવરસાયણમાં વધુ અનુકૂળ છે.

કાર્બનિક પ્રવાહી વિનિમયકને કાર્બનિક દ્રાવણ ગણી શકાય. દીર્ઘ કાર્બનિક શૃંખલાને કારણે આ પદાર્થો પાણીમાં અદ્રાવ્ય હોય છે, પણ વિરુદ્ધ વિદ્યુતભાર ધરાવતાં આયનો આકર્ષી શકે છે; દા.ત., ડાયનોનાઇલ નૅપ્થેલીન સલ્ફોનિક ઍસિડ [(C₉H₁₉)₂C₁₀H₅SO₃H].

આયન-વિનિમયકોને પોલી નળી અથવા મોટા વ્યાસવાળા નળાકારમાં ભરીને તેમાંથી દ્રાવણ પસાર કરવામાં આવે છે. સ્તંભના ઉપયોગથી પ્રતિવર્તી આયન-વિનિમય પ્રક્રિયા એક દિશામાં જ પૂર્ણ થાય છે. સ્તંભમાંથી નીચે વહેતું દ્રાવણ સતત તાજા આયન-વિનિમયક સાથે સંપર્કમાં આવ્યાં કરે છે. વિનિમયકના પ્રથમ એક સેમી. થરમાં 1/2 જેટલું શોષણ થતું હોય તો બીજા સેમી. થરના અંતે 3/4 અને ત્રીજા સેમી. થરના અંતે 7/8 જેટલું શોષણ થતું હોય છે અને આમ દ્રાવણ જેમ જેમ વધુ થરમાંથી પસાર થાય તેમ તેમ શોષણ વધુ ને વધુ પ્રમાણમાં પૂર્ણતા તરફ જતું હોય છે. આમ, અમુક સમય પછી વિનિમય પામતા આયન(પદાર્થ)નું પ્રમાણ પારખી પણ ન શકાય તેટલું અલ્પ થઈ જાય છે. બહાર આવતા દ્રાવણમાં શોષણ પામતા પદાર્થ માલૂમ પડે તો વિનિમયકની વિનિમયશક્તિ ખર્ચાઈ ગયેલી મનાય છે. જે આયનોનો વિનિમય થઈ ગયો હોય તેનું સંકેન્દ્રિત દ્રાવણ સ્તંભમાંથી પસાર કરતાં વિનિમયક પુનર્જીવન પામે છે અને ફરીથી વપરાશમાં લઈ શકાય છે. આમ, સૈદ્ધાંતિક રીતે અનંત કાળ સુધી વિનિમયક ફરીફરીને વાપરી શકાય; પણ વહેવારમાં આવું શક્ય નથી. દ્રાવણમાંના બીજા પદાર્થોની અસરથી વિનિમયકનું રાસાયણિક અને ભૌતિક વિઘટન થતાં અમુક સમય પછી તેને બદલી નાખવું જરૂરી બને છે; દા.ત., પાણીમાંનું ક્લોરિન રેઝિનનું ઉપચયન કરે છે. વળી કલિલરૂપ પદાર્થોનું રેઝિનના દાણા ઉપર અસ્તર લાગી જવાથી તેની કાર્યક્ષમતા ઘટી જાય છે. રેઝિનના ચતુર્થ એમોનિયમ સમૂહનું પણ વિઘટન થાય છે.

વહેતા દ્રાવણવાળો વિનિમયક-સ્તંભ અસંતુલિત પ્રણાલી છે. તેમાં થતી પ્રક્રિયાના સ્પષ્ટીકરણમાં સંતુલિત વિતરણ ઉપરાંત પદાર્થના સ્થાનાન્તરનો વેગ અને વિનિમયકના દાણાઓ વચ્ચે થઈને પસાર થતા દ્રાવણના વહનમાં થતી રુકાવટ વગેરે બાબતો નજર સમક્ષ રાખવી જરૂરી છે. શરૂઆતમાં દાણાઓને પાણીમાં રાખીને ફૂલવા દેવાય છે. પછીથી પરપોટા ન રહે તેવી રીતે સ્તંભમાં તેમને ભરવામાં આવે છે. રેઝિનના દાણા ફૂલે છે, તેનું આંતરિક બંધારણ ખુલ્લું થાય છે અને તેની સપાટી (આંતર-બાહ્ય) ઉપર રેઝિન-જલની જેલરૂપ કલા (phase) ઉત્પન્ન થાય છે. વિનિમય માટે આ કલામાંથી બહાર તેમજ અંદર આયનોનું પ્રસરણ થાય છે. આ પ્રક્રિયા ઘણી સંકીર્ણ છે. તેને સમજાવવા માટે કેટલાક સિદ્ધાંતો રજૂ કરવામાં આવ્યા છે.

સ્તંભ ઉપરાંત કાગળ જેવા પટલ-રૂપમાં પણ આયન-વિનિમયકો વપરાય છે. પૃથક્કરણ, ઇંધનકોષ, ઇલેક્ટ્રો-ડાયાલિસિસ વગેરેમાં આ પટલો ઉપયોગી છે. આયન-વિનિમય પ્રક્રિયાનું ધનાયન વિનિમય માટે સંતુલન નીચે દર્શાવેલ સામાન્ય સમીકરણ મારફત રજૂ કરી શકાય :

સ્તંભ ઉપરાંત કાગળ જેવા પટલ-રૂપમાં પણ આયન-વિનિમયકો વપરાય છે. પૃથક્કરણ, ઇંધનકોષ, ઇલેક્ટ્રો-ડાયાલિસિસ વગેરેમાં આ પટલો ઉપયોગી છે. આયન-વિનિમય પ્રક્રિયાનું ધનાયન વિનિમય માટે સંતુલન નીચે દર્શાવેલ સામાન્ય સમીકરણ મારફત રજૂ કરી શકાય :

A⁺ + B⁺R^– B⁺ + A⁺R^–

જ્યાં A⁺ અને B⁺ એક-સંયોજક (monovalent) ધનાયનો અને R^– વિનિમયક છે. સક્રિય જથ્થાનો નિયમ (law of mass action) આ સંતુલનને લાગુ પડતાં સંતુલન અચળાંક K_ABની કિંમત નીચે પ્રમાણે મેળવી શકાય :

અહીં ચોરસ કૌંસ સાંદ્રતા દર્શાવે છે. (સક્રિયતાગુણાંક-activity coefficient-ની અસરની સરળતા ખાતર ઉપેક્ષા કરી છે.) વિવિધ આયન-જોડકાં માટે K_ABની કિંમતમાં ફેરફાર થાય છે. રેઝિનમાંનાં આયનોની સાંદ્રતા માટે રેઝિન-માળખાના પ્રતિગ્રામે ગતિશીલ આયનોનું વજનપ્રમાણ ઉપયોગમાં લેવાય છે.

દ્વિસંયોજક ધનાયન (C²⁺) માટેનાં સમીકરણો નીચે પ્રમાણે યોજી શકાય :

C²⁺ + 2B⁺R^– ↔ 2B⁺ + C²⁺(R^–)₂

B⁺ અને C²⁺ જેવાં અસમ વિદ્યુતભાર ધરાવનાર આયનોના વિતરણનો આધાર દ્રાવણની કુલ સાંદ્રતા ઉપર છે. વિનિમયકમાં બે વિદ્યુતભાર ધરાવનાર આયન દાખલ થઈને એક વિદ્યુતભાર ધરાવનાર બે આયનોને બહાર ધકેલે છે. એટલે દ્રાવણ મંદ હોય તો આ પ્રતિસ્થાપન (exchange) વધુ પ્રમાણમાં થાય. આ સિદ્ધાંતના આધારે કઠિન પાણી જે મંદ છે તેમાંથી Ca²⁺ આયનોનો વિનિમયક સ્વીકાર કરે છે. આ વિનિમયક વપરાઈ જાય ત્યારે તેને પુનર્જીવિત કરવા માટે તેમાં મીઠાનું દ્રાવણ પસાર કરતાં તે સોડિયમ સ્વીકારે છે અને Ca²⁺ બહાર ધકેલે છે, કારણ કે મીઠાના દ્રાવણની સાંદ્રતા વધુ છે.

સંતુલન-અચળાંક અંગે વિગતવાર અભ્યાસ થયો છે. સલ્ફોનેટ રેઝિનની બાબતમાં આયન સાથેના જોડાણની પ્રબળતાનો ક્રમ આલ્કલી ધાતુઓ માટે Li < Na < K < Rb < Cs છે. આલ્કેલાઇન મૃદ્-તત્વોની બાબતમાં આ ક્રમ Be < Mg < Ca < Sr < Ba < Ra છે. -S H⁺ જેવાં આયનમાં વિદ્યુતભાર વિશાળ સપાટી ઉપર પથરાયેલ હોઈ ક્ષેત્રબળ નબળું હોય છે. તેથી ગતિશીલ આયનો તેમનું પ્રાથમિક જલકવચ (primary hydration shell) પકડી રાખે છે અને જ્યાં વધુ પાણી હોય ત્યાં એટલે કે બહારની તરફ ગતિ કરે છે. જ્યાં આયનિક વિદ્યુતભાર વધુ સંકેન્દ્રિત હોય (દા.ત., સિલિકેટમાં છેડાના ઑક્સિજન —O^–) ત્યાં ગતિશીલ આયનો એટલી પ્રબળતાથી ખેંચાય છે કે જલકવચ દૂર થઈને સ્થિર અને ગતિશીલ આયનો સીધા સંપર્કમાં આવે છે. જેમ ગતિશીલ આયન નાનું તેમ તે સ્થિર આયનની વધુ નજદીક આવે છે અને વધુ પ્રબળતાથી ચીટકી રહે છે. આવા સંજોગોમાં ઉપર દર્શાવેલ ક્રમ ઊલટાઈ જાય છે : લિથિયમ, સિઝિયમ કરતાં વધુ પ્રબળતાથી વિનિમયકને ચીટકી રહે છે. કાચ-વીજધ્રુવ અને જૈવિક પટલોની વરણાત્મકતા આ વિચાર અનુસાર સમજાવી શકાય.

ચતુર્થ એમોનિયમ  પ્રકારના સ્થિર આયનની બાબતમાં હેલાઇડનો વરણાત્મકતા ક્રમ F^– < Cl^– < Br^– < I^– છે. એટલે કે F^–નું જોડાણ સૌથી વધુ નબળું છે. આ ક્રમ ઉપર આપેલ ધનાયનોના ક્રમને મળતો આવે છે, જોકે જોડાણની પ્રબળતાની માત્રામાં મોટો તફાવત છે. 8 % આડબંધ(cross-linking)વાળા રેઝિનમાં I^–, F^–ની સરખામણીમાં સોગણી પ્રબળતાથી જોડાયેલ છે, જ્યારે તેવા જ – રેઝિનમાં Cs⁺, Li⁺ કરતાં ફક્ત ચારગણી પ્રબળતાથી જોડાયેલ છે. ઋણાયનોનાં કદ, ધનાયનની સરખામણીમાં મોટાં હોય છે. તેમના માટે હાઇડ્રોજન બંધ તોડીને પાણીમાં પેસવું મુશ્કેલ હોઈ તેઓ પાણીમાંથી રેઝિન તરફ ગતિ કરે છે; દા.ત., ClO₄^–, આયોડાઇડની સરખામણીમાં દસગણી વધુ પ્રબળતાથી રેઝિન સાથે જોડાયેલ હોય છે. ઘણી વાર મોટા કદની અસર વધુ આયનિક વિદ્યુતભાર વડે રદ થાય છે. જોકે સામાન્ય રીતે એમ કહી શકાય કે મોટા કદના આયન માટે રેઝિનમાં પ્રવેશ મેળવવાનું વધુ મુશ્કેલ છે.

આયનવિનિમય પ્રક્રિયા ઝડપી હોય છે, કારણ પ્રક્રિયામાં કોઈ રાસાયણિક બંધ તોડવાના હોતા નથી. પ્રક્રિયાની ઝડપનો આધાર રેઝિનમાં તથા બહાર કેટલી ઝડપથી પ્રસરણ થાય છે તેના ઉપર જ છે. જેમ રેઝિન પાણીથી ઓછું ફૂલે તેમ પ્રસરણ ધીમું થાય છે; દા.ત., -COO^– રેઝિન.

ઉપયોગો : આયનવિનિમય-પ્રવિધિ પ્રયોગશાળામાં, આયુર્વિજ્ઞાનમાં તથા ઉદ્યોગમાં ઘણી ઉપયોગી છે. પ્રયોગશાળામાં તે મુખ્યત્વે પૃથક્કરણમાં અને વિશિષ્ટ સંજોગોમાં રસાયણોની બનાવટમાં વપરાય છે. રુધિરજળમાંના અથવા પ્રોટીનના જલવિઘટનથી મળતા ઍમિનોઍસિડને અલગ પાડવા માટે તેમના ઍસિડમય દ્રાવણને ધનાયન વિનિમયકમાંથી પસાર કરાય છે. આ માટે થોડા મિ.ગ્રામ નમૂનાની જ જરૂર પડે છે અને પૃથક્કરણ થોડા કલાકોમાં જ પૂરું થાય છે. આ પદ્ધતિનો રોગનિદાનમાં રોજિંદો (routine) વપરાશ છે. ન્યૂક્લીઇક ઍસિડના બંધારણ અંગેની માહિતી મેળવવા આ પદ્ધતિ અણુજીવવિજ્ઞાનમાં વપરાય છે. લેન્થેનાઇડ આયનોના મિશ્રણને ધનાયન વિનિમયકમાંથી પસાર કરતાં તેઓ વિનિમયક સાથે ચીટકી જાય છે. આ આયનો સાથે સંકીર્ણ બનાવી શકે તેવા ક્ષારો(સાઇટ્રેટ, લૅક્ટેટ વગેરે)નું દ્રાવણ વિનિમયક સ્તંભમાંથી પસાર કરતાં વધુ સ્થાયી સંકીર્ણ આપનાર લેન્થેનાઇડ આયન દ્રાવણમાં આવી જાય છે. જે આયન નિર્બળ સંકીર્ણ બનાવી શકે અથવા સંકીર્ણ ન જ બનાવી શકે તે આયન પાછળથી દ્રાવણમાં આવે છે. આમ સંકીર્ણની સ્થાયિતાના આધારે આયનોનું અલગન શક્ય બને છે. ધાતુઆયનોના અલગન માટે હાઇડ્રોક્લૉરિક ઍસિડની હાજરીમાં ઋણાયન વિનિમય પ્રક્રિયા વધુ અસરકારક છે. ઋણ વીજભારયુક્ત સંકીર્ણો બનાવતા ધાતુ-આયનો ચતુર્થ એમોનિયમ-સમૂહ (-NR⁺₄) ધરાવતા ઋણાયન વિનિમયકો દ્વારા જકડાયેલા રહે છે. આ સંકીર્ણોમાં દ્રાવણમાંની સ્થાયિતા તથા વિનિમયક રેઝિન તરફની બંધુતા(affinity)ની દૃષ્ટિએ ભિન્નતા હોય છે. ધાતુઆયનોના દ્રાવણમાંના તથા રેઝિનમાંના વિતરણનો આધાર હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડના સાંદ્રણ તથા આયનની પ્રકૃતિ ઉપર છે. હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડની સાંદ્રતામાં જરૂરી વધઘટ કરવાથી ધાતુ આયનોનું અસરકારક અલગન કરી શકાય છે. આ પ્રકારની આયનવિનિમય આધારિત અલગન-પદ્ધતિ બહોળા પ્રમાણમાં વપરાય છે. એસેટોન-પાણી જેવા મિશ્ર દ્રાવકો વાપરવાથી સક્રિયન પૃથક્કરણ(activation analysis)માં આ પદ્ધતિ વધુ વરણાત્મક બનાવી શકાય છે. અજ્ઞાત નમૂના પર ન્યૂટ્રૉનનો મારો ચલાવી ઉત્પન્ન થતા વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકોને ઋણાયન-વિનિમયથી અલગ કરી શકાય છે. ચંદ્ર પરના ખડકોના પૃથક્કરણમાં આ પદ્ધતિ ઉપયોગમાં લેવામાં આવી હતી. કુદરતમાં મળી આવતા પાણીમાંના દ્રાવ્ય ક્ષારોના પૃથક્કરણ માટે પાણીના નમૂનાને ધનાયન વિનિમયકમાંથી પસાર કરતાં મળતા ઍસિડનું અનુમાપન (titration) કરાય છે. અસાધારણ ઍસિડ (દા.ત., હાઇડ્રોફેરોસાયનિક) કે બેઇઝ(દા.ત., સિઝિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ)ની બનાવટમાં, આયનિક કે બિન-આયનિક અશુદ્ધિઓ દૂર કરવા અને કાર્બનિક પ્રક્રિયાઓમાં ઉદ્દીપક તરીકે, વગેરે આયનવિનિમયકના વિરચન-રસાયણ(preparative chemistry)માંના કેટલાક ઉપયોગો છે.

કઠિન પાણીને મૃદુ બનાવવા માટે આયનવિનિમય પદ્ધતિ બહોળા પ્રમાણમાં વપરાય છે. સોડિયમ વિનિમયકમાંથી કઠિન પાણી પસાર કરતાં તેમાંનાં કૅલ્શિયમ અને મૅગ્નેશિયમ આયનો સોડિયમ વડે વિસ્થાપિત થઈ જાય છે. વિનિમયકને પુનર્જીવિત કરવા તેમાંથી મીઠાનું પાણી પસાર કરાય છે. કઠિન પાણીને H⁺ વિનિમયકમાંથી અને પછી ઋણાયન વિનિમયકમાં પસાર કરતાં ધનાયનો અને ઋણાયનો દૂર થતાં નિરાયનિત (demineralised, deionised) પાણી મળે છે, આ પાણી તેમાં અલ્પ પ્રમાણમાં રહેલી બિનઆયનિક અશુદ્ધિઓને બાદ કરતાં લગભગ નિસ્યંદિત પાણી જેવું ગણી શકાય.

ઔષધ-ઉદ્યોગમાં તથા પીણા-ઉદ્યોગમાં આ પદ્ધતિ ઘણી ઉપયોગી છે. ખાંડની ચાસણીમાંથી આયનવિનિમયકો મારફત ક્ષારો દૂર કરી ખાંડનું ઉત્પાદન વધારી શકાય છે. આલ્કેલૉઇડ જેવાં વનસ્પતિજ ઔષધદ્રવ્યોને મોટા પાયે શુદ્ધ રૂપમાં અલગ કરવા માટે આયનવિનિમયકો ઘણા ઉપયોગી સાબિત થયા છે. અલ્પ પ્રમાણમાં મળી આવતી ઉપયોગી કીમતી ધાતુઓને તેમના દ્રાવણમાંથી વિનિમયકો મારફત મેળવી શકાય છે. વિરલ પાર્થિવ તત્વોનું અલગન વિનિમયકો મારફત શક્ય છે. ઇલેક્ટ્રૉ-ડાયાલિસિસ માટે આયનવિનિમયક પટલો વધુ કાર્યક્ષમ માલૂમ પડ્યા છે.

હાઇડ્રોજન અથવા એમોનિયમ પ્રકારના વિનિમયકો મુખ વાટે લેવાથી સોડિયમ આયન દૂર થતાં શોથ (edema) ઓછો થાય છે. આવી રીતે જઠરમાંનો ઍસિડ શોષીને જઠરના ચાંદાને રુઝાવવામાં મદદ થાય છે. રેઝિનોની આડઅસરને કારણે આ ઉપયોગો બહુ સામાન્ય બની શક્યા નથી. કૃત્રિમ મૂત્રપિંડમાં વિનિમયકો વપરાય છે. જમીનનું બંધારણ તથા વનસ્પતિમાં આયનોના શોષણ વગેરેમાં આયનવિનિમય અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. કોષદીવાલમાં COO^–H⁺, દરિયાઈ શેવાળના કાર્બોહાઇડ્રેટમાં –COSO^–₃Na⁺ અને ન્યૂક્લીઇક ઍસિડના પ્રોટીનમાંના –NH₂ સમૂહોને કારણે કુદરતમાં આયનવિનિમય ક્રિયાઓ ચાલતી હોય છે.

રસિકલાલ કે. શાહ