4. Ионный обмен

Метод ионного обмена представляет собой процесс обратимого взаимодействия раствора с твердой фазой ионита (ионообменного материала), обладающей способностью обменивать подвижные ионы, содержащиеся в ионите, на одноименные ионы, присутствующие в воде.

Основной количественной характеристикой ионитов является ионообменная емкость, измеренная в г-экв./м³. Различают полную (общую) ионообменную емкость и рабочую.

Полная (общая) обменная емкость – это количество грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного его насыщения (до установления динамического равновесия). Она является технологической характеристикой катионитов и ионитов, которая приводится в справочной литературе (Приложение 3).

Рабочая ионообменная емкость ионита – это количество грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до проскока поглощаемого иона в фильтрат (в пределах точности определения конкретным методом). Рабочую ионообменную емкость определяют экспериментально или рассчитывают. Ориентировочный расчет может быть проведен по следующей формуле:

(4.1)

где Е_раб – рабочая ионообменная емкость, г-экв./м³;

V_з – объем загрузки фильтра, м³;

ΔC – заданное понижение жесткости, мг-экв./л;

V_в – объем воды, пропущенной через фильтр, м³.

Объем пропущенной воды связан с расходом воды и со скоростью фильтрования:

, с другой стороны Q = ₀F,

(4.2)

где Q – расход воды через фильтр, м³/с;

τ – время пропускания воды, с;

₀ – скорость фильтрования, м/с;

F – площадь сечения фильтра, м².

Формула (4.1) с учетом уравнения (4.2) примет вид:

(4.3)

На скорость обмена в одном и том же ионите влияют: величина заряда и эффективный радиус ионов, присутствующих в воде.

При сравнении ионов с разными зарядами скорость обмена с катионитами тем больше, чем выше заряд иона в растворе. Например, раствор содержит ионы: К⁺, Al³⁺ и Zn²⁺. В какой последовательности эти катиониты будут обмениваться в Н-катионите? Очередность обмена будет следующая: сначала ионы Al³⁺, затем ионы Zn²⁺ и в последнюю очередь ионы К⁺.

При сравнении ионов с одинаковыми зарядами учитывается эффективный радиус ионов: чем он больше, тем быстрее происходит обмен ионами. Например, в растворе содержатся ионы: Са²⁺, Fe²⁺, Zn²⁺, Ba²⁺. В какой последовательности эти катионы будут обмениваться в Н-катионите? Элемент Ва находится в 6-м периоде, а Са, Fe, Zn в 4-м периоде таблицы Д.И. Менделеева, следовательно радиус иона Ba²⁺ будет больше, чем радиусы Са²⁺, Fe²⁺ и Zn²⁺. Радиус Са²⁺ больше радиуса Fe²⁺, который в свою очередь больше радиуса Zn²⁺. Это связано с увеличением количества электронов на предпоследнем электронном слое атомов, что приводит к сжатию радиуса иона. Очередность обмена будет следующая: ионы Ba²⁺, Са²⁺, Fe²⁺ и Zn²⁺.

Уравнения ионного обмена записываются следующим образом:

3R-H+Al³⁺R₃Al+3H⁺;

2R-H+Ca²⁺R₂Ca+2H⁺;

3R-H+Zn²⁺R₂Zn+2H⁺;

R-H+K⁺R-K+H⁺;

R-OH+Cl^–RCl+OH^–.

Обмен ионами – процесс обратимый и совершается строго в эквивалентных количествах (см. ниже пример 6).

Пример 5. Рабочая ионообменная емкость катионита (КУ-1) составляет 250 г-экв./м³. Сколько времени потребуется пропускать воду с расходом 5,0 м³/ч через фильтр с загрузкой катионита в 1 м³, чтобы жесткость воды снизилась с 30 до 5 мг-экв./л?

Решение: из формулы (4.1) рассчитываем объем пропущенной воды:

1010³ л = 10 м³.