Даниловская Л. П. / Лекция 8. Ионный обмен
.docxЛекция 8 КХ21
Лекция на тему: «Адсорбция ионов из растворов методом ионного обмена»
Содержание лекции: «Иониты, смысл реакций ионного обмена. Регенерация ионитов. Практическое использование адсорбции ионов».
Ионный обмен это один из методов удаления примесей, находящихся в жидкой фазе в ионной форме. Метод основан на процессе ионообменной адсорбции.
Ионообменная адсорбция ─ это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора. Вещества, проявляющие способность к ионному обмену, называются ионитами. Они представляют собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а ионы противоположного знака заряда способны переходить в раствор и обмениваться на другие ионы того же знака заряда. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и аниониты. При ионном обмене у катионитов в раствор переходят катионы, которые затем могут обмениваться на другие катионы, находящиеся в растворе. Если катионит условно обозначить формулой Rn−nKt1+, то катионный обмен можно представить уравнением:
Rn−nKt1+ + nKt2+ Rn−nKt2+ + nKt1+
где Kt1+ и Kt2+ ─ катионы, участвующие в ионном обмене.
Анионит можно обозначить формулой Rn+nA1−, тогда анионный обмен представляет уравнение:
Rn+nA1− + nA2─ Rn+nA2− + nA1−
где A1− и A2− ─ анионы, участвующие в анионном обмене.
Рассмотрим, как используется ионообменная адсорбция – метод ионного обмена – с целью умягчения и опреснения воды на судах.
Ионнообменные смолы (иониты). Принцип действия ионитных фильтров основан на способности некоторых нерастворимых в воде ВМС (высокомолекулярных соединений) обменивать содержащиеся в них ионы на ионы контактирующего с ними водного раствора. Иониты делятся на катиониты и аниониты. Катиониты задерживают катионы, таким образом умягчают воду (до 0.01- 0.02мэкв/л). Аниониты задерживают анионы.
При прохождении воды через катионный фильтр содержащиеся в ней катионы - накипеобразователи Са2+ и Мg2+ заменяются эквивалентным количеством катионов натрия (Na-катионит) или водорода (Н-катионит):
[Кат]Na2 + CaCl2 [Кат]Ca + 2NaCl;
[Кат]H2 + CaCl2 [Кат]Ca + 2HCl.
При фильтровании через слой анионита происходит замена анионов солей жесткости (Cl-, SO42-) на эквивалентное количество ионов ОН- :
[Ан]OH + Cl- [Ан]Cl + OH- ;
[Ан](OH)2 + SO42- [Ан]SO42- + 2OH-.
Когда иониты насытятся ионами солей и перестанут в должной мере поглощать ионы из раствора, производят их регенерацию.
Для регенерации Na-катионита используют 5-10% раствор NaCl:
[Кат]Ca + 2NaCl [Кат]Na2 + CaCl2.
Н-катионит регенерируют 2-5% раствором соляной или серной кислоты:
[Кат]Ca + 2НCl [Кат]Н2 + CaCl2.
Для удаления ионов Cl- (и SO42- ) из анионита его промывают 2-5% раствором NaOH:
[Ан]Cl + NaOH [Ан]OH + NaCl.
В качестве ионитов используются алюмосиликаты, сульфоуголь, синтетические ионообменные смолы (катиониты КУ-1 и КУ-2, анионит АВ-17 и др.). Их преимущества ─ высокие механическая прочность и химическая стойкость, а также большая сорбционная емкость. Размеры зерен ионитов находятся в пределах от 0,25 до 2,0 мм.
На судах для умягчения, т.е. снижения жесткости питательной воды чаще всего используют Na-катионит.
В различных отраслях промышленности обессоленную, т.е. деминерализованную воду получают последовательным фильтрованием через Н-катионит, а затем через ОН-анионит.
Ионный обмен часто встречается в природе, медицине, научных исследованиях при:
- образовании минеральных вод и лечебных грязей;
- питании корневой системы растений;
- удобрении и известковании почв в процессе почвообразования;
- образовании вторичных рудных месторождений;
- приеме лекарственных препаратов;
- проведении хроматографического анализа и т. д.
Рассмотрим ионный обмен в почвах. В черноземе (плодородной почве) способными к обмену ионами являются катионы Са2+ и Мg2+. А в торфе к обмену способен катион водорода Н+. Этот ион не представляет агротехнической ценности. Поэтому для повышения урожайности торф (как неплодородная почва) нуждается в удобрениях. Их вносят путем известкования почв (см. реакцию 1). Или обрабатывают почвы мочевиной (см. реакцию 2).
При растворении удобрений в торфе имеют место следующие обменные реакции:
2ПН + Са(ОН)2 = П2Са + 2Н2О (1) ;
ПН + NН4ОН = П NН4 + Н2О (2).
Здесь через «П» обозначена ионногеная группа поглотителя – почвы, см. матрица в ионитах.
Таким образом, торф, теряя катион водорода Н+ и приобретая катионы
Са2+, Мg2+ и NН4+, становится плодородной почвой.
Агротехническая ценность почв, как и любых ионитов, характеризуется «условной емкостью обмена» - количеством грамм-эквивалентов ионов, которое может быть поглощено (обменено) одним килограммом ионита-почвы. Для чернозема условная емкость обмена составляет 0,8 г-экв/кг, а для подзолистых почв – 0,1 г-экв/кг. Синтетические иониты имеют гораздо более высокую условную емкость обмена: 3 - 10 г-экв/кг.
Практическое применение адсорбции из растворов
Адсорбцию из жидких растворов широко используют как метод очистки сточных вод для обезвреживания их от веществ, растворенных как в виде молекул, так и в виде ионов: красителей, пестицидов, гербицидов, фенолов, кислот, щелочей, солей, ПАВ и многих других;
Адсорбционные явления лежат в основе процессов крашения, стирки, хроматографии, гетерогенного катализа;
Использование различных адсорбентов при промышленном производстве пищевых продуктов позволяет осветлять растительные масла, вина, пиво; отбеливать сахарный сок;
В медицине − при лечении желудочных заболеваний, различного рода токсических отравлениях также активно протекают адсорбционные и десорбционные процессы. Вкусовые ощущения человека связаны с адсорбцией пищевых веществ на определенных участках языка;
При помощи ионообменной адсорбции питаются растения, восстанавливается плодородие почв вносимыми удобрениями, умягчается и опресняется соленая вода, формируются вторичные рудные месторождения.
Вопросы для самоконтроля к лекции 8 на тему:
«Адсорбция ионов из растворов методом ионного обмена»:
Раскройте содержание терминов: - ионно-обменная адсорбция; - иониты; - катиониты; - аниониты.
Приведите реакции обмена ионов, протекающие при умягчении жесткой воды, а также при обессоливании (деминерализации) соленой воды.
С какой целью и как проводят регенерацию ионитов?
Как проявляется ионный обмен в природе и как используется он в различных отраслях науки и техники? Приведите примеры.
Дайте определение термину: «Условная емкость обмена». Сравните эти характеристики для синтетических и природных ионитов.
Можно ли использовать метод ионного обмена для удаления токсичных примесей из растворов неэлектролитов? Ответ поясните.
В чем состоит роль волокон Аквален, входящих в состав фильтра «Аквафор»? Проводится ли регенерация сорбентов в этих фильтрах? (см. лекцию 7)