4 Физико-химические свойства ионитов

4.1 Процесс обмена ионов

Итак, при погружении ионита в воду происходит его набухание и ионизация функциональных групп, при которой образуются две разновидности ионов: фиксированные ионы – неподвижные, прочно связанные с матрицей ионита и не способные покидать твердую фазу ионитов и переходить в раствор, их называют потенциалопределяющими; и противоионы (обменные ионы), эквивалентно равные потенциалопределяющим, но противоположные им по знаку заряда. Они являются подвижными, способны покидать твердую фазу ионита и обмениваться на эквивалентное количество ионов того же знака из раствора.

Обмен ионов ионита на ионы раствора происходит следующим образом. Погруженный в воду и набухший ионит представляет собой раствор электролита и обладает общими с ним свойствами с той разницей, что противоионы, переходящие в раствор под действием полярных молекул воды, остаются вблизи твердой фазы ионитов, так как связаны силами электростатического притяжения с потенциалопределяющими ионами. Образуется так называемый двойной электрический слой. Если в растворе имеются ионы, равные по знаку противоионам ионита, и они оказываются вблизи твердой фазы ионитов, то происходит ионный обмен, и ионы раствора занимают место подвижных ионов ионита, которые, освободившись от электростатических сил притяжения, переходят в раствор. Обмен ионов происходит в строго эквивалентных количествах. В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекающая на внешней и внутренней поверхности ионита.

Процессы ионного обмена, протекающие в гетерогенной среде, обладают скоростью, определяемой фактическими скоростями диффузии - наиболее медленной стадией процесса ионообмена. Этот вывод подтверждается тем, что общая скорость процесса падает с увеличением размеров зерен ионита. Ионный обмен имеет свойство избирательности. Из слабоконцентрированных растворов «извлекаются», обмениваются лучше многовалентные ионы, чем одновалентные, а при высоких концентрациях раствора эффективнее протекает адсорбция одновалентных ионов. Именно на этом свойстве основана технология ионообменной очистки вод и регенерация ионита. Например, при умягчении воды происходит ионный обмен двухвалентных катионов кальция и магния, находящихся в растворе, на одновалентные ионы натрия или водорода – подвижные ионы ионита, при этом одновалентные ионы, находящиеся в растворе, практически не адсорбируются на катионите.

При обработке ионита концентрированным раствором поваренной соли ионы двухвалентных металлов, адсорбированные поверхностью ионита, замещаются ионами натрия. Таким образом, из концентрированных растворов происходит ионный обмен одновалентных ионов. Эту особенность используют при регенерации ионитов – восстановлении ионообменной способности.

4.2 Кислотно-основные свойства ионитов

Как уже было отмечено ранее, различают сильные и слабокислотные катиониты. У сильнокислотных катионитов обменным ионом является водород, у слабокислотных – ион натрия. Также различают сильно- и слабоосновные аниониты. Сильноосновные находятся в ОН-форме, обменным является гидроксид-ион, слабоосновные аниониты содержат в качестве обменного иона анионы слабых кислот, например гидрокарбонат-ион. Существуют иониты смешанного типа. Ионообменную очистку производят последовательным фильтрованием очищаемых вод через катионит, а затем через анионит, при этом осуществляются следующие химические реакции:

m [К] Н⁺ +Ме^m+ →[К]_mМе^m+ + mН⁺,

где [К] - матрица катионита;

H⁺- обменный противоион катионита;

Ме ^m+ - обменный ион раствора, извлекаемый катион.

n [Аn] ОН^- + А^n-→ [Аn]_n А ^n- + nОН^-,

где [Аn] - твердая фаза анионита;

ОН^- - обменный ион анионита;

А ^n-обменный (извлекаемый) ион раствора.

В результате Н-катионирования повышается кислотность воды, при последующем фильтровании обрабатываемой воды через анионит в ОН^-форме происходит нейтрализация кислотности. При наличие в воде анионов сильных и слабых кислот анионирование производят в две ступени, вначале извлекают анионы сильных кислот на слабоосновных анионитах, а затем анионы слабых кислот на сильноосновных анионитах.