Лабораторная работа №6 ионообменная адсорбция

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ионообменная адсорбция. Иониты

Ионообменная адсорбция из растворов наблюдается на поверхностях с достаточно выраженным двойным электрическим слоем. Подвижные противоионы электрического слоя способны обмениваться на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе.

Вещества, проявляющие способность к ионному обмену и используемые для адсорбции ионов, получили название ионообменников или ионитов.

Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого» обычно ковалентными связями. Каркас (матрица) обладает положительными или отрицательными зарядами, которые скомпенсированы противоположным зарядом подвижных ионов – противоионов, находящихся в адсорбционной и диффузной частях электрического слоя. Противоионы могут заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.

Иониты классифицируют по происхождению на природные и синтетические; по составу – на неорганические и органические; по знаку заряда обменивающихся ионов – на катиониты, аниониты и амфолиты (последние в зависимости от условий могут обмениваться как катионами, так и анионами).

К природным неорганическим ионитам относят кристаллические силикаты. Их каркас представляет собой правильную сетчатую структуру алюмосиликата, в порах которой располагаются ионы щелочных или щелочноземельных металлов, выступающие в роли противоионов. Природными ионитами органического происхождения являются, например, гумусовые вещества, молекулы которых содержат карбоксильную группу, способную к ионному обмену. Составляющие почву вещества обладают амфотерными свойствами и поэтому могут обменивать как катионы, так и анионы. Природные иониты не нашли широкого технического применения, так как имеют ряд недостатков, в частности, они химически нестойки, не обладают достаточной механической прочностью.

Первыми синтетическими ионитами были плавленные и гелеобразные пермутиты – алюмосиликаты, подобные природным цеолитам. Из неорганических синтетических анионитов, имеющих практическое значение, можно назвать гели гидроксидов алюминия и железа. Для специальных целей применяются гидроксиды циркония, хрома, олова, свинца и др. Все неорганические иониты разрушаются под действием кислот и щелочей. В качестве ионитов используют различные углеродсодержащие вещества (каменные угли, дерево, торф), обработанные концентрированными растворами серной, хлорсульфоновой, фосфорной и других кислот. Широкое распространение получили синтетические иониты на основе органических смол благодаря их хорошей способности поглощать ионы и высокой химической стойкости. Ионообменные смолы – это нерастворимые гели-полиэлектролиты с ограниченной способностью к набуханию [4].

Основные физико-химические характеристики ионитов

Основными свойствами ионитов, определяющими их качество как сорбентов, являются емкость, кислотно-основные свойства, селективность, набухаемость, химическая стойкость, механическая прочность.

Под емкостью понимают способность ионита обменивать противоионы. Емкость определяется числом ионогенных групп в ионите и поэтому теоретически является постоянной величиной. Однако практически она зависит от ряда условий. Различают статическую обменную емкость (СОЕ) и динамическую обменную емкость (ДОЕ). Статическая обменная емкость – полная емкость, характеризующая общее число ионогенных групп в миллиэквивалентах, приходящихся на единицу массы воздушно-сухого или на единицу объема набухшего ионита.

По кислотно-основным свойствам иониты делят на группы:

1. сильнокислотные катиониты (–SO H),

2. слабокислотные катиониты (–OH, –COOH, –SiOH),

3. слабоосновные аниониты (–NH , =NH, N ),

4. сильноосновные аниониты ,

5. полифункциональные иониты, в том числе амфолиты (амфотерные).

Характерным свойством ионитов является набухаемость при контакте сухого ионита с раствором. Особенно сильно набухают синтетические ионообменные смолы.

Набухание непосредственно связано с кинетическими характеристиками ионитов, особенно органических. Оно увеличивает скорость ионного обмена. При обсуждении кинетики процесса ионного обмена обычно рассматривают пять его стадий с учетом взаимной диффузии противоионов:

1) диффузия адсорбирующихся ионов из раствора к поверхности нонита,

2) диффузия внутри зерна ионита,

3) обмен ионов,

4) диффузия замещенных ионов к поверхности ионита,

5) диффузия от поверхности ионита в раствор.

Наиболее медленной является стадия диффузии внутри зерен ионита. Она и определяет, главным образом, скорость ионного обмена. Диффузия в растворе может быть ускорена, например, с помощью перемешивания. Скорость же диффузии внутри зерна может быть увеличена, если уменьшить его размеры и повысить температуру. Для увеличения скорости ионного обмена уменьшают степень сшивки полимера при его синтезе (увеличивается набухание) и придают ионитам макропористую структуру путем введения при синтезе растворителей, которые затем удаляют из образовавшихся пор вымыванием или нагреванием. В зависимости от природы ионитов и обменивающихся ионов, а также от их концентрации время установления ионообменного равновесия колеблется от нескольких минут до нескольких суток.

Важными характеристиками ионитов являются их химическая стойкость и механическая устойчивость. Практически ценной характеристикой является стойкость к кислотам, щелочам и окислителям, под действием которых может разрушаться структура ионита. Химическая стойкость оценивается по потере обменной емкости. Механическую прочность ионитов определяют по изменению фракционного состава после определенного числа циклов адсорбции-десорбции или после встряхивания на вибрационном аппарате [4].

Умягчение воды методом ионного обмена

Для умягчения воды применяют катиониты, обменивающие ионы натрия или водорода на содержащиеся в воде ионы кальция и магния:

[Kat]Na + Ca(HCO₃)₂ [Kat]₂Ca + 2NaHCO₃;

[Kat]Na + Mg(HCO₃)₂ [Kat]₂Mg + 2NaHCO₃;

[Kat]Na + CaSO₄ [Kat]₂Ca + Na₂SO₄;

[Kat]Na + MgCl₂ [Kat]₂Ca + 2NaCl,

где [Kat] – сложный комплекс катионита, практически нерастворимый в воде.

Регенерация катионитовых фильтров после истощения их обменной способности производится 5…10%-ным раствором поваренной соли:

[Kat]₂Ca + 2NaCl 2[Kat]Na + СаCl₂;

[Kat]₂Mg + 2NaCl 2[Kat]Na + MgCl₂.