колды / Konspekt_lektsiy_Kolloidnaya_khimia_5_semestr
.pdf
Ионообменная адсорбция (1)
Ионный обмен открыт в 1850 г. (Томсон, Уэй).
Ионный обмен – обмен ионами между раствором и адсорбентом.
Адсорбенты – иониты (катиониты, аниониты).
Ионит имеет «каркас» (полимерный), сшитый ковалентными связями. К каркасу присоединены функциональные группы – кислотные или основные.
Ионный обмен (катионов или анионов) обеспечивает диссоциация функциональных групп.
Ионит несет отрицательный (катионит) или положительный (анионит) заряды, компенсируемые противоионами, которые и участвуют в ионном обмене.
Классификация ионитов
I.По происхождению
1.Природные (кристаллические алюмосиликаты – шабазит, глауконит и др.; почвенный гумус).
2.Синтетические (на основе полимеров).
II.По составу
1.Неорганические. 2. Органические.
III. По знаку заряда обмениваемых ионов
1.Катиониты. 2. Аниониты. 3. Амфолиты.
2
Ионообменная адсорбция (2)
Синтез ионитов
(ионообменных смол)
1. Реакция поликонденсации (катионит КУ-1)
Смесь фенола и формальдегида – поликонденсация – фенолформальдегидная смола. Функциональные группы –OH и –SO3H.
2. Реакция полимеризации (катионит КУ-2)
Сополимеризация стирола и дивинилбензола. Функциональные группы (–SO3H) вводят после полимеризации.
3. Реакция полимеризации (анионит)
В анионите – функциональные группы на основе азота, например, на основе четвертичного аммониевого основания.
Химически более стойкими являются иониты, полученные по реакции полимеризации.
3
Ионообменная адсорбция (3)
Основные физико-химические свойства
1.Емкость – способность адсорбировать определенное количество ионов.
2.Кислотно-основные свойства – определяются константами диссоциации функциональных групп.
3.Селективность – способность избирательно адсорбировать определенные ионы или группу ионов.
4.Набухаемость – влияет на селективность адсорбции.
Емкость
Различают:
1.Статическая или полная обменная емкость
(ПОЕ).
2.Динамическая обменная емкость (ДОЕ).
ПОЕ – общее количество ионогенных групп ионита, выраженное в эквивалентах и отнесенное к единице массы (или объема) ионита (у природных – 0,2-0,3 мг-экв/г; у синтетических – 3-10 мг-экв/г).
ДОЕ – емкость до проскока извлекаемого (адсорбируемого) иона; зависит от технологических условий.
4
Ионообменная адсорбция (4)
Ионообменная колонка
1.отводная трубка;
2.емкость;
3.стеклянный стержень;
4.трубка;
5.колонка с ионитом;
6.кран.
Определение ПОЕ и ДОЕ
-SO3H + NaCl → -SO3Na + HCl
с – концентрация адсорбирующегося иона в растворе, выходящем из колонки; V – объем раствора, выходящего из колонки.
Площадь ABCDE ~ ПОЕ.
Площадь ABCE ~ ДОЕ.
5
Ионообменная адсорбция (5)
Кислотно-основные свойства
Катиониты:
1.Сильнокислотные (-SO3H).
2.Слабокислотные (-OH, -COOH).
Аниониты:
1.Сильноосновные (-N(CH3)3Cl).
2.Слабоосновные (-NH2, =NH, ≡N).
Кислотно-основные свойства определяют рабочий интервал значений рН.
Константа равновесия ионного обмена
z2M1 + z1M2 K z1M2 + z2M1
2-SO3H + Ca2+ ↔ (-SO3)2 + 2H+
z2 = 2; z1 = 1; M1 = H+; M2 = Ca2+
Термодинамическая и концентрационная константы равновесия:
|
|
|
a z1 az2 |
|
|
|
|
c z1 cz2 |
|||||||
K |
|
= |
2 |
1 |
; K |
|
= |
2 |
1 |
||||||
a |
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
a z2 az1 |
|
|
|
c z2 cz1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
1 |
2 |
|||||
Константа Никольского: |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c1z1 c2z2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
= K ' = |
|
|
|||||||||
|
|
K z1z2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
c |
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
c z2 c z1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
|
||||
6
Кинетические свойства дисперсных
систем
Седиментация
Кинетические свойства (1)
Седиментация в поле тяжести
Седиментация – оседание частиц дисперсной фазы. Обратная седиментация – всплывание частиц дисперсной фазы.
На каждую частицу в дисперсной системе действует сила тяжести (сила гравитации) и подъемная сила Архимеда:
Fg = mg =V g; |
FA =V 0 g |
|
|
Результирующая сила, вызывающая седиментацию: |
|
||
Если ρ > ρ0, то Fs > 0 |
|||
Fs = Fg − FA =V ( − 0 )g |
|
||
|
частица оседает |
||
При ламинарном режиме движения сила трения равна: |
|
||
|
|||
Если ρ < ρ0, то Fs < 0 |
|||
Ffr = Bu |
|
||
|
частица всплывает |
||
Сила, действующая на частицу во время движения: |
|||
|
|||
|
|||
F= Fs − Ffr =Vg( − 0 ) − Bu
Встационарных условиях при постоянной скорости движения частицы:
F = 0; |
u = |
V ( − 0 )g |
|
|
|
|
B |
2g( − 0 )r2 |
|
9 u |
|
||
|
|
r = |
|
|||
|
|
u = |
|
− 0 |
|
|
Для сферической частицы в соответствии |
9 |
2 |
g |
|||
с законом Стокса: |
B = 6 r |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
Кинетические свойства (2)
Условия соблюдения закона Стокса
1.Частицы осаждаются независимо друг от друга (разбавленные дисперсные системы).
2.Частицы имеют сферическую форму. Если частицы неправильной формы, то необходимо вводить фактор формы или использовать эквивалентный радиус частицы.
3.Ламинарный режим обтекания частиц жидкостью.
4.При движении частиц наблюдается внутреннее (вязкое) трение.
5.Размеры частиц лежат в интервале от 1 до 100 мкм.
Способность к седиментации характеризуют |
|
|
|
|
|
m |
|
V ( − |
) |
|
U |
|
|
|||||||
|
S |
|
|
= |
rel |
= |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
= |
|
|
|
|
|
константой седиментации: |
|
s |
|
|
B |
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
g |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для сферических частиц: |
Ss = |
4 |
3 |
( − |
0 |
)r3 |
|
= |
2( − |
0 |
)r2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
6 r |
|
|
|
|
|
9 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
3
Кинетические свойства (3)
Седиментационный анализ (1)
Седиментационный анализ
базируется на определении скорости осаждения частиц в жидкой дисперсионной среде.
На практике седиментационный анализ сводится к
получению зависимости массы осевших частиц от времени (кривая седиментации) m = f(τ) и ее математической обработке.
Монодисперсная система |
Бидисперсная система |
ri |
= |
9 h |
|
|
− 0 |
g i |
|||
|
2 |
m1 → r1
m = mmax u ; tg = mmax u; |
r = |
9 u |
|
|
||
|
h |
h |
|
2 − 0 |
g |
|
|
|
4 |
||||
Кинетические свойства (4)
Седиментационный анализ (2)
Полидисперсная система
m1 → r1; m1 + m2 → r1, r2 ; m1 + m2 + m3 → r1 r3
Общая масса частиц, осевших к моменту |
|||||||||||||||
времени i: |
|
dm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
m |
= m + |
|
|
- уравнение Одена |
|||||||||||
|
|
||||||||||||||
i |
|
|
|
i |
|
|
d |
|
i |
|
|
|
|
|
|
mi |
→ ri rmax |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
u r ; |
|
|
m1 |
|
100% = Q ; |
|||||||
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
1 |
|
1 |
|
mmax |
1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
u |
|
|
r ; |
|
|
m2 |
|
100% = Q ; |
|||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
mmax |
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
……………………………… |
||||||||||||||
|
|
|
|
Q = f (r ) |
- интегральная кривая |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
распределения частиц |
|||||
по размерам (по радиусам)
5