1.3. Ионообменное равновесие
1.3.1. Основные понятия
Пусть
имеем катионит в форме
.
Поместим
ионит в раствор с катионитом
.
Ионный обмен протекает по схеме:
.
Через время, называемое временем установления равновесного состояния, раствор и ионит будут содержать определенные количества иона А и иона В.
Селективность ионообменной сорбции характеризуют коэффициентом распределения (относительным содержанием ионов в каждой фазе):
,
,
где
,
– эквивалентные доли иона в ионите и
растворе;
– суммарная концентрация ионов в
электролите (
);
,
– суммарное число эквивалентов ионов
в ионите и растворе на 1 г Н2О.
Коэффициент разделения характеризует количественно селективность ионита и выражается через относительные количества ионов в каждой из фаз. Величина коэффициента разделения не зависит от выбора единиц концентрации:
. (21)
Коэффициент разделения можно легко определить из изотермы сорбции, когда на осях отложены эквивалентные доли обменивающихся ионов (рис. 8).
(22)
т.к.
,
ионит селективен к иону А.
Площадь
фигуры
,
а площадь фигуры
.
Т.е.
.
Р
ис.
8. Изотерма сорбции.
Коэффициент разделения зависит от тех же величин, что и изотерма сорбции, т.е. от общей концентрации равновесного раствора и эквивалентной доли иона.
При несимметричной изотерме коэффициент разделения различен для различных точек изотермы.
Изотерма сорбции показывает количество обменивающихся ионов в каждой из фаз в состоянии равновесия (при t=const). Обычно изотермы строятся в виде графиков.
1.3.2. Изотермы сорбции
Метод переменных концентраций. Данный метод используется для снятия изотерм сорбции, когда коэффициент равновесия мало зависит от общей концентрации ионов в растворе.
Метод заключается в следующем: в ряд колбочек помещается по 1 г. Ионита, высушенного до постоянной массы, в соответствующей форме и приливают по 100 мл раствора, содержащего 2-й ион в различной концентрации. После установления равновесия ионит отделяется от раствора и в растворе определится содержание ионов обычными аналитическими методами. Количество поглощенных ионов находится по разности мг-экв ионов в исходном и равновесном растворе.
Для более точных исследований определяется количество поглощенных ионов в твердой фазе путем их десорбции, а иногда растворением или сжиганием навески ионита.
Метод переменных объемов. Этот метод наиболее широко используется при снятии изотерм сорбции. Определение равновесных концентраций производится в растворах с постоянной ионной силой. Это во многих случаях дает возможность принять постоянным отношение коэффициентов активностей обменивающихся ионов в твердой и жидкой фазе.
При определения изотерм сорбции данным методам к пробам ионита массой 1 г в соответствующей форме приливают различные по объему раствора, в которых содержится второй ион в постоянной концентрации.
Обмен
ионов протекает в эквивалентных
количествах, поэтому общая концентрация
ионов в растворе
остается постоянной.
Недостатками метода являются трудности в установлении объемов электролита добавляемых к иониту, которые позволяют получить нужный диапазон относительных содержаний ионитов в твердой и жидкой фазе.
Метод часто видоизменяют, проводя определения равновесных концентраций для растворов постоянного объема, к которым добавляют пробы ионита различной массы.
Динамический метод. Через слой ионита в колонне, насыщенный одним из обменивающихся ионов, фильтруется раствор с определенным соотношением обменивающихся ионов. Количество раствора берется таким, чтобы в последних его порциях, вытекающих из колонны, состав и концентрация раствора были бы равны исходным.