16.10. Ионный обмен

Ионный обмен – обмен ионов, находящихся в растворе, на ионы, содержащиеся в твердом теле (ионите). Отличие от адсорбции заключается в том, что между жидкой и твердой фазами происходит взаимный обмен компонентами, а не их одностороннее поглощение и компоненты представляют собой заряженные частицы (ионы), а не нейтральные молекулы. Кроме того, замещение одних ионов другими является гетерогенной химической реакцией, скорость которой может лимитировать процесс ионного обмена.

В качестве промышленных ионитов обычно используются ионообменные смолы, обладающие как фиксированными в матрице ионами, так и противоионами способными обмениваться на ионы раствора. Иониты, обменивающиеся катионами (анионы фиксированы), называются катионитами, а иониты, обменивающиеся анионами (катионы фиксированы), называютсяанионитами. Кроме того, существуют иамфолиты, выступающие в зависимости от условий как катиониты или аниониты.

Реакции катионного и анионного обмена можно представить следующим образом:

, (16.21)

, (16.22)

где R – фиксированный в матрице ион,– катион ионита, способный обмениваться на катион раствора;– анион ионита способный обмениваться на анион раствора.

Процессы ионного обмена могут применяться для очистки растворов, выделения из них ценных металлов, умягчения и обессоливания воды (в последнем случае необходимо пропустить солесодержащую воду через катионит, обменивающий катионы соли на , и анионит, обменивающий анионы соли на).

Несмотря на кажущиеся различия, процессы ионного обмена и адсорбции весьма схожи. Иониты, как правило, представляют собой пористые гранулированные частицы, массоперенос в которых также может быть характеризован эффективными коэффициентами диффузии. Изотермы равновесия раствор-ионит определяются, в основном, из закона действующих масс и имеют вид, аналогичный изображенным на рис. 16.1. Способы проведения процессов ионного обмена и их аппаратурное оформление также схожи с процессом адсорбции. Следовательно, для описания процесса ионного обмена и расчета соответствующих аппаратов могут использоваться математические модели и методики, рассмотренные применительно к процессу адсорбции.

Некоторое отличие составляют вспомогательные стадии процесса ионного обмена: отмывка ионита от исходного раствора, регенерация ионита с помощью регенерирующего раствора и отмывка ионита от регенерирующего раствора.

Контрольные вопросы к главе 16

1. Дайте определения понятиям адсорбция, адсорбент, адсорбтив, адсорбат, десорбция, экстрагирование, ионный обмен.

2. Какими свойствами должны обладать адсорбенты? Перечислите их виды и характеристики.

3. Как описывается равновесие при адсорбции, что называется изотермой адсорбции, какой вид она может иметь?

4. В чем заключается специфика периодической адсорбции, какой вид имеет кривая распределения концентрации адсорбата по высоте слоя адсорбента?

5. Запишите математическую модель периодической адсорбции, проанализируйте возможные варианты ее решения, что называется стационарным фронтом адсорбции и при каких условиях он образуется?

6. Что называется временем проскока, статической и динамической активностью?

7. Сформулируйте допущения соответствующие модели идеальной равновесной адсорбции, как с ее помощью определить максимальное время проскока?

8. Как можно найти действительное время проскока и скорость перемещения стационарного фронта адсорбции?

9. Как осуществляется процесс непрерывной адсорбции, какие модели могут использоваться для ее описания?

10. Каковы цель, условия и основные способы проведения процесса десорбции?

11. Изобразите и опишите устройство, принципы действия преимущества и недостатки адсорбционных аппаратов.

12. Сформулируйте постановку задачи и основные особенности расчета адсорберов различных видов.

13. Каковы цели, механизм и способы интенсификации процесса экстрагирования?

14. В чем заключается и для чего применяется процесс ионного обмена?