6.5. Ионообменная адсорбция

Помимо адсорбции ионов возможен обмен между ионами раствора и твердой поверхности. Ионный обмен связан с адсорбцией ионов из раствора электролита и десорбции ионов из твердой поверхности в раствор. Поэтому ионный обмен называют ионообменной адсорбцией.

Ионный обмен – это обратимый процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена ионами между раствором электролитов и твердым телом (ионитом). Иониты, которые еще называют ионо-обменниками или ионообменными сорбентами, представляют собой вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Ионит имеет две группы ионов (рис. 6.7), одна из них содержится в фазе ионита, а другая способна диссоциировать и является электролитом.

Рис. 6.7. Модель матрицы катионита:

1 — каркас; 2 — фиксированный анион;

3 — подвижный катион, способный к ионному обмену

По знаку обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Они состоят из каркаса (матрицы), который обладает определенным зарядом, и ионом, способным к обмену. Катионит имеет закрепленные анионогенные группы и катионы, способные к обмену с окружающей средой. Если обозначить каркас катионита через [...], то типичная реакция катионного обмена выглядит следующим образом:

Кат⁺₁ [...]^– + Кат⁺₂→ Кат⁺₂ [...]^– + Кат⁺₁ . (6.20)

Анионы содержат закрепленные катионогенные группы и способные к обмену анионы. Реакция анионного обмена происходит по схеме

[...]⁺ Ан^–₁ + Ан^–₂ → [...]⁺ Ан^–₂ + Ан^–₁ . (6.21)

Катиониты содержат катионы Кат⁺, которые способны обмениваться на такие ионы раствора, как H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. У анионов обменными являются анионы Ан^–: ОН^–, С1^–, SO^2-₄ и др., а каркас несет положительный заряд. Существуют еще амфолиты, которые в зависимости от условий способны проявлять катионообменные и анионообменные свойства.

Процесс ионного обмена включает следующие последовательные стадии: 1) движение адсорбированного иона к поверхности зерна адсорбента; 2) перемещение адсорбированного иона внутри зерна адсорбента; 3) собственно ионный обмен; 4) перемещение вытесняемого иона внутри зерна адсорбента; 5) переход вытесняемого иона от поверхности зерна адсорбента в раствор. Все стадии, кроме собственно химической реакции обмена, носят диффузионный характер, который и определяет суммарную скорость ионного обмена. Расчеты диффузионных стадий базируются на законах Фика (см. параграф 9.3). Коэффициенты диффузии определяют экспериментально; их значения для внешней диффузии составляют 10^–9м² ∙ с^–1, а для внутренней (на второй и четвертой стадиях ионного обмена) – от 10^–10 до 10^–15 м² ∙ с^–1.

Ионный обмен имеет некоторое сходство с адсорбцией – на поверхности твердого тела происходит концентрирование ионов растворенного вещества. В то же время ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение – в обмен на адсорбцию ионит отдает в раствор эквивалентное количество другого иона с зарядом того же знака. Подобный процесс в случае адсорбции отсутствует. На практике, однако, трудно провести грань между процессами адсорбции и замещения, особенно учитывая, что адсорбенты могут быть одновременно и ионитами.

Различают природные и синтетические иониты. К природным относятся алюмосиликатные материалы – монтмориллонит, гидрослюда, цеолиты и др., а к синтетическим – ионообменные смолы. сульфированные угли (сульфоуголь), ионообменные целлюлозы, содержащие следующие функциональные группы: –SO₃H, –COOН, –РО(ОН)₂, –CH₂OH.

Ионообменные свойства ионитов характеризуются некоторыми особенностями. Oни селективны, т.е. проявляются для определенных ионов и зависят от ряда условий, в том числе от рН среды. Ионообменная способность ионитов небезгранична. Она характеризуется емкостью, показывающей, какое число г-экв ионов может адсорбироваться на 1 кг сухого ионита. В связи со специфичностью свойств ионитов их ионообменную способность (емкость) определяют по отношению к 0,1 н раствору NaOH (для катионита) или 0,1 н раствора НСl (для анионита) Поэтому емкость ионита является условной величиной. Именно эта величина приведена в табл. 6.2.

Иониты находят широкое применение в различных отраслях. Например, иониты в аналитической химии позволяют концентрировать мельчайшие количества определяемых веществ, оценивать состав и концентрацию различных ионов, удалять мешающие обмену ионы, разделять количественно компоненты сложных смесей.

Ионообменная адсорбция применяется для очистки от примесей, умягчения и обессоливания воды в очистительных сооружениях (в том числе и городских и в приборах индивидуального пользования), в атомной энергетике, в электронной и других отраслях промышленности, для гидрометаллургической переработки бедных руд различных цветных металлов, при получении лекарственных препаратов, для очистки сточных вод и других целей. Причем часто осуществляется комплексная очистка с помощью анионитов и катионитов.

Т а б л и ц а 6.2