71. Основы ионообменной очистки сточных вод (что такое ионный обмен и иониты, ответ проиллюстрировать уравнениями реакций ионного обмена). Виды ионитов по происхождению и кислотно-основным свойствам.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название — ионитов. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые — основными. Если ионигы обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.

Основы процесса ионного обмена. Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

при контакте с катионитом RS H+NaCI↔ RS Na+HCl,

при контакте с анионитом ROH+NaCl↔RCH-NaOH.

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно представить следующим образом: mA+ B↔mRA+B.

При концентрации вещества в сточных водах менее 0,003 моль/л, или, точнее, при Bi<1, скорость обмена определяется диффузией ионов через пленку жидкости (пленочная кинетика). При концентрации 0,1 моль/л (или Bi»l) скорость процесса определяется диффузией ионов внутри зерна (гелевая кинетика). В области концентраций 0,003-0,1 моль/л определяющими являются оба вида диффузии. Здесь Bi = βr0/ (Kr D) число Био; β— коэффициент массоотдачи; г0 — радиус зерна иона; Kr— константа Генри; D — коэффициент массопроводности.

(к 72 вопросу)

72. Что такое изотерма ионного обмена? Что означают полная, статическая и динамическая обменные ёмкости ионита? Стадии процесса ионного обмена. Определение лимитирующей стадии по критерию Био.

Функциональную зависимость противоионного состава ионита от противоионного состава внешнего раствора при постоянных температуре и давлении называют изотермой ионного обмена. Изотермы изображаются графически в безразмерных координатах : = и = , где и : — эквивалентные доли i-ro иона соответственно в фазе ионита в растворе; и ci — концентрация i-ro иона в ионите и растворе в условиях равновесия системы, моль ионов на 1 г ионита; Zi — заряд i-ro иона. Величины и изменяются в интервале от О до 1, следовательно, изотермы обмена =f( )- изображаются в квадрате, сторона которого равна единице.

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: гидродинамического режима жидкости; концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов. Имеются разные точки зрения на механизм ионного обмена.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость — это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая емкость — это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая обменная емкость обычно меньше полной. Динамическая обменная емкость — это емкость ионита до "проскока" ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Процесс переноса вещества может быть представлен в виде нескольких стадий: 1) перенос ионов А из ядра потока жидкости к внешней поверхности пограничной жидкой пленки, окружающей зерно ионита; 2) диффузия ионов через пограничный слой; 3) переход иона через границу раздела фаз в зерно смолы; 4) диффузия ионов А внутри зерна смолы к ионообменным функциональным группам; 5) собственно химическая реакция двойного обмена ионов А и В; 6) диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз; 7) переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность пленки жидкости: 8) диффузия ионов В через пленку; 9) диффузия ионов В в ядро потока жидкости.

Скорость ионного обмена определяется самой медленной из этих стадий — диффузией в пленке жидкости, либо диффузией в зерне ионита. Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет суммарную скорость процесса.