Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы. Учебное пособие
.pdf
рокинетика позволяет судить о механизмах химических реакций и процессов
переноса. В данном случае рассматривается общий подход к количественному
описанию одновременно протекающих в макроскопической системе химических реакций и процессов переноса и обсуждаются некоторые важные макрокинетические закономерности. Этот подход применим для изучения не только
химических реакций, но и любых физико-химических превращений, осложненных одновременно протекающими процессами переноса. В основе подхода лежит представление о локальном термодинамическом равновесии (см. Термодинамика необратимых процессов). Систему рассматривают состоящей из множества термодинамически равновесных подсистем, каждая из которых характеризуется набором локальных параметров – температурой, давлением, составом
(концентрациями компонентов) и др. (в дальнейшем такие параметры обозначаются буквой j). Наблюдаемый в неравновесной системе процесс однозначно
связан с изменением пространственного распределения параметров j, расчет
которого проводится на основе макроскопических уравнений баланса массы,
энергии и т. п.
6.1. Характерные пространственные масштабы и времена
Для составления уравнений материального баланса наблюдаемый в си-
стеме сложный процесс представляют состоящим из отдельных стадий, каждая
из которых связана с изменением в пространстве и времени по определенному
закону одного или нескольких параметров j. Это – химические реакции, рассматриваемые с учетом принятого механизма, процессы переноса, фазовые
превращения. Стадии могут быть последовательными и параллельными.
Например, последовательными стадиями являются перенос к.-л. компонента к
зоне реакции и его химические превращения в этой зоне. Перенос вещества,
осуществляемый по разным механизмам, например, молекулярная диффузия и
конвекция, – параллельные стадии. Каждая из стадий переноса ответственна за
обмен веществом, энергией и (или) импульсом на некотором характерном пространственном масштабе L, который является метрической характеристикой
области ее протекания. С каждой из стадий связано характерное время t
j
, за ко-
i
торое изменение параметра j в ходе i-й стадии (при условии "замороженности"
всех остальных стадий) становится сравнимым по порядку величины с максимальным изменением этого параметра в результате рассматриваемой стадии.
Если стадия является процессом релаксационного типа, т. е. внешние (граничные) условия допускают существование единственно предельного равновесного
или стационарного состояния, к которому стремится система, t
j
называется
i
временем релаксации. Скорость каждой стадии может быть выражена феноменологическим уравнением (например, законом действующих масс для химической реакции, уравнением Фика для диффузии, уравнением Фурье для теплопроводности, уравнением Ньютона для вязкого течения) или кинетическим
уравнением, установленным на основе представлений о механизме процесса.
Часто эти уравнения линейны относительно параметров j или их производных.
Например, скорость реакции первого порядка линейно зависит от концентрации
41
реагентов, а потоки вещества, тепла или импульса обычно пропорциональны
градиентам концентрации, температуры или скорости течения среды. Соответствующие коэффициенты пропорциональности (константа скорости k, коэффициент молекулярной диффузии D
, температуропроводность (кинематическая
мол
вязкость n) являются эмпирическими постоянными, зависящими только от физических свойств среды (и от температуры, в случае неизотермических процессов). Для решения уравнений баланса, составленных с учетом скоростей всех
стадий, эти уравнения обычно приводят к безразмерному виду. Для этого заменяют параметры j на отношения этих параметров к некоторым их характерным
значениям, а пространственные координаты заменяют их отношениями к характерному пространств размеру рассматриваемой системы. В получающейся
новой системе уравнений появляются безразмерные числа (критерии), которые
можно представить как отношения характерных времен t
j
стадии. Нахождение
i
этих критериев позволяет качественно анализировать изучаемый процесс: выявлять внутренние пространственные масштабы, устанавливать возможность
протекания процесса в различных режимах и критических условий существования этих режимов. Для многих практически важных случаев критерии значительно отличаются от единицы, т. е. характерные времена соответствующих
стадий сильно различаются, что и определяет тот или иной режим процесса.
Помимо этого, безразмерные критерии связаны со значениями масштабов L,
поскольку процессы переноса, в отличие от химических реакций или фазовых
превращений, идут с характерными временами, которые зависят от L, причем
по-разному. Так, для молекулярной диффузии t
= L2/D
мол
, а для конвективно-
мол
го переноса в ламинарном потоке жидкости или газа, движущемся со скоростью t
= L/u. Установление конкретных зависимостей безразмерных крите-
конв
риев от масштабов L позволяет использовать макрокинетику для решения проблем масштабного перехода.
Макрокинетический режим рассматриваемого процесса при заданных
внешних условиях определяется лимитирующей стадией, т. е. стадией с максимальным характерным временем. В случае процесса, состоящего из нескольких
последовательных стадий, связанных с изменением одного и того же параметра
j (концентрации реагента, температуры и т. п.), характерное время лимитирующей стадии значительно превосходит характерные времена остальных (более
быстрых) стадий и скорость всего процесса практически равна скорости лимитирующей стадии. Знание лимитирующей стадии позволяет упростить математический анализ процесса, заменив часть дифференциональных уравнений баланса более простыми термодинамическими соотношениями между текущими
квазиравновесными значениями тех параметров, за релаксацию которых ответственны "быстрые" стадии. Рассмотрим, например, в качестве двух последовательных стадий молекулярную диффузию и химическую реакцию с характерными временами t
и tк соответственно. Отношение этих времен обычно назы-
мол
вают критерием Дамкёлера Da. Если на масштабе L выполняется условие Da << 1,
то за время порядка t
успевает установиться диффузионное равновесие, т. е.
мол
система оказывается однородной по составу, а концентрации каждого компо-
42
нента в разных фазах системы связаны термодинамическими соотношениями
через коэффициент распределения – так называемый кинетический режим, при
котором изменение концентраций компонентов определяется только скоростью
собственно химического превращения и может быть рассчитано по законам
химической кинетики. С ростом L увеличивается t
, что в конечном счете
мол
приводит к диффузионному режиму (условие Da >> 1), при котором за время
порядка tк в каждой точке реакционной зоны устанавливается химическое равновесие, а наблюдаемая скорость процесса определяется исключительно доставкой компонентов к зоне реакции. Сопоставление параллельных стадий
процесса, связанных с изменением одного и того же параметра j, дает информацию о наличии в системе собственных (внутренних) пространственных масштабов. Если, например, на некотором масштабе L существуют два или более
механизма переноса одной и той же субстанции (вещества или тепла), превалировать будет механизм с наименьшим временем релаксации параметра j. Пусть,
например, в области масштаба L c источником вещества на границе возможны
конвективный перенос вещества в ламинарном потоке и его молекулярная диффузия; характерные времена t
так называемое диффузионное число Пекле Ре
конв
и t
соответственно. Если L достаточно мал, то
мол
диф
= t
мол/tконв
= uL/D
<< 1 и мас-
мол
соперенос происходит по законам молекулярной диффузии. С ростом L число
Ре
растет и на некотором характерном масштабе LD = D
диф
мол
/u Ре
= 1. При
диф
дальнейшем увеличении L начинает превалировать конвективный перенос. Тем
не менее даже при Ре
>> 1 вблизи границы области в слое толщиной LD << L
диф
молекулярный перенос остается преобладающим механизмом переноса. Значение LD зависит только от физических свойств среды и является примером внутреннего пространственного масштаба, выявляемого сравнением характерных
времен t
конв
и t
. В реальных системах может существовать целый спектр таких
мол
пространственных масштабов. Например, при растворении тонкой пластины в
набегающем на нее ламинарном потоке жидкости возникает диффузионный пограничный слой, толщина которого может быть определена приравниванием
характерных времен диффузии и конвекции. При больших значениях так называемого теплового числа Пекле Ре
тепл
= tт/t
= uL/( >> 1 аналогично возника-
конв
ет тепловой пограничный слой, а при больших числах Рейнольдса Re, равных
отношению характерных времен вязкого и инерционного переноса импульса
при вынужденной конвекции (tв = L2/n и t
соответственно), – вязкий погра-
конв
ничный слой. Для характеристики физических свойств среды используют безразмерные критерии, связывающие характерные времена переноса разных субстанций по одному и тому же механизму: число Прандтля Рr = tт/tв = n/(, число
Шмидта Sc = t
мол/tв
= n/D
, число Льюиса Le = Рr/Sc = tT/t
мол
мол
= D
/ (и другие,
мол
которые используются также при определении условий физического подобия
(см. Подобия теория). В тех случаях, когда методы математической физики не
позволяют решить систему уравнений баланса, безразмерные критерии позволяют обобщить экспериментальный материал и представить его в виде эмпирических закономерностей.
43
6.2. Квазигомогенное приближение
Многие реальные системы отличаются крайне нерегулярной геометриче-
ской структурой, характеризуемой широким спектром пространственных масштабов, – всевозможные аэрозоли, суспензии, газовзвеси, эмульсии, барботажные слои, композитные и пористые материалы, слои катализаторов и т. п. Неоднородности (структурные уровни) в таких системах существенно различаются по порядку величины. Например, в реакторе с неподвижным слоем катализатора можно выделить, по крайней мере, три характерных пространственных
масштаба: высота слоя Н, радиус зерна r, радиус пор r. Определение скоростей
отдельных стадий наблюдаемого в таких системах процесса часто проводят в
рамках так называемого квазигомогенного приближения. Оно основано на
представлении неоднородной системы в виде совокупности взаимопроникающих и взаимодействующих континиумов с эффективными распределенными
параметрами j. Такое представление можно провести феноменологически, на
основании эмпирических законов (типа закона Дарси, см. Фильтрование). Другой подход связан с последовательным рассмотрением процесса на каждом из
структурных уровней (иерархическое построение). Нерегулярная геометрическая структура пространства обусловливает случайный (флуктуационный) характер распределения температур, концентраций, потоков реагентов и т. п.,
причем спектр пространственных масштабов флуктуации параметров j коррелирует со спектром характерных пространств. масштабов системы. Например, в
случае гетерогенно-каталитических реакций потоки реагентов флуктуируют на
масштабе r вследствие случайной ориентации пор в зерне катализатора, на
масштабе r – из-за особенностей фильтрации газа в промежутках между соседними зернами, на масштабе H – вследствие случайного характера упаковки зерен в слое. При иерархическом построении квазигомогенного приближения
производят операцию осреднения (сглаживания) флуктуации порядка предыдущего (мелкомасштабного) структурного уровня. Для этого необходимо, чтобы характерный масштаб l предыдущего уровня был много меньше характерного масштаба L последующего уровня и система содержала на уровне L макроскопически большое число неоднородностей масштаба l. Кроме того, должен
существовать промежуточный размер l (l << l << L) такой, чтобы параметры j
после осреднения по объему ~ l3 (или поверхноссти ~ l2) представлялись уже не
флуктуирующими, а регулярными функциями пространственных координат с
характерным масштабом изменения L. Масштаб l значительно превышает характерное расстояние, на котором взаимодействуют флуктуации масштаба l –
так называемый радиус корреляции. Область осреднения размера l называется
элементарным физическим объемом (или макроточкой). Например, для процесса химической абсорбции газа жидкостью в двухфазном реакторе барботажного
типа l соответствует масштабу газового пузыря, a L – размеру реактора. Осреднение концентрации компонентов в каждой фазе проводят по элементарному
объему l3, содержащему достаточно большое число пузырей, но значительно
уступающему объему реактора. Линейный размер l выбирается с учетом интенсивности локального гидродинамического перемешивания. Объем l3 рассмат-
44
ривается как макроточка с эффективными (т. е. усредненными по времени
наблюдения) значениями коэффициентов массоотдачи, удельного тепловыделения, распределения веществ между фазами и т. п., которые необходимы для
составления кинетических уравнений отдельных стадий. Уравнения баланса
массы и энергии затем составляют с учетом перемешивания в масштабе всего
реактора. Иерархический подход с операцией осреднения успешно применяют
при описании процессов в пористых материалах с участием жидких и газообразных веществ или несмешивающихся жидкостей, а именно газофазных реакций на нанесенных жидких катализаторах, каталитического гидрирования и
окисления жидких углеводородов, электрохимического разложения жидких реагентов с выделением газообразных продуктов, пропитки и сушки пористых
материалов, многофазной фильтрации. В рамках этого подхода удалось рассчитать эффективные коэффициенты переноса компонентов в пористом материале
и объяснить многие экспериментальные эффекты, например вынос растворенных компонентов на внешнюю поверхность и в макропоры. Квазигомогенное
приближение может оказаться неприменимым при изучении макрокинетики
неупорядоченных систем с широким спектром пространственных масштабов,
если радиус корреляции флуктуации по порядку величины сравним с размером
системы L. Такая ситуация может возникнуть, например, при химических реакциях в турбулизованных потоках, развитых псевдоожиженных и барботажных
слоях, где масштабы флуктуации скоростей и газосодержания в определенных
условиях достигают размеров аппарата, а также при многофазных процессах в
пористых средах, ионообменных мембранах и др. Наличие крупномасштабных
флуктуации экспериментально проявляется прежде всего в зависимости эффективных эмпирических постоянных (например, коэффициент межфазного обмена или продольной диффузии для псевдоожиженного и барботажного слоев) от
размера системы L. Для количественного анализа сильно флуктуирующих систем перспективны методы, развитые в теории фазовых переходов второго рода,
когда в окрестности критической точки сильно флуктуируют параметры порядка (см. Критические явления).
6.3. Нелинейные эффекты в макрокинетике
В большинстве химико-технологических процессов имеются стадии с не-
линейной зависимостью скорости изменения параметров j от значений этих параметров или их производных. Причиной нелинейности может быть вид кинетического уравнения химической реакции, аррениусовская зависимость ее кинетических констант от температуры, зависимость поверхностного натяжения
от состава фаз (в случае гетерогенных реакций), появление при фазовых переходах первого рода метастабильных фаз, которые кинетически устойчивы
(например, пересыщение раствора) и др. Характерные времена t
j
для различных
i
таких стадий i и параметров j взаимозависимы, поскольку сами зависят от текущих значений параметров j. В результате возникают сложные динамические
закономерности, локализация химической реакции может приводить к режимам
с пространственной или временной периодичностью параметров j или даже со
45
стохастическим (случайным) их изменением. К важным нелинейным эффектам
относится появление в системе самоподдерживающихся подвижных или неподвижных структур (автоволн), образованных, например, неоднородным распределением концентраций промежуточных соединений, которые катализируют
последующие химические превращения (см. Автокатализ). Кинетическое уравнение соответствующей химической стадии процесса является нелинейным, и
диффузия компонентов системы может приводить к тому, что однородное распределение концентраций реагирующих веществ и продуктов становится неустойчивым (так называемая диффузионная неустойчивость). В системе возникают стационарные (неподвижные) автоволны. Примером подвижной автоволны является фронт пламени при цепном горении; движение фронта обусловлено диффузией активных центров разветвлениой цепной реакции. Макрокинетический анализ показывает, что в случае сложного динамического поведения системы всегда имеются две или более последовательные стадии со сравнимыми
по величине характерными временами, причем хотя бы одна из них является
нелинейной. Между стадиями возникает положительная обратная связь, что и
приводит к появлению неустойчивости состояний, точек бифуркации, гистерезисных явлений, множественности стационарных состояний и т. п. Так, в случае экзотермической реакции с существенно нелинейной зависимостью константы скорости (а значит, и характерного времени tх) от температуры возможны условия, при которых стационарный профиль температуры становится неустойчивым и возникает тепловой взрыв (см. Воспламенение). Взаимозависимость стадий тепловыделения вследствие химической реакции и теплоотвода в
окружающую среду приводит к гистерезисным явлениям (явления "зажигания" и
"потухания" реакции). При химической реакции, сопровождающейся фазовым
превращением продукта, часто наблюдается образование пространственнопериодических структур (слоистые минералы и горные породы, биологическое
формообразование и т. п.). Примером может служить образование так называемых колец Лизеганга – выпадение твердых осадков в среде геля при взаимной
диффузии двух реагентов (явление открыто П. Е. Лизегангом в 1896). Кольца
Лизеганга наблюдаются в среде как искусственных, так и синтетических гелей –
агарового, желатины, силикагеля полиакриламидного и т.п. Осадки представляют собой галогениды и хроматы тяжелых металлов, мелкодисперсные частички свободных металлов. Объяснение этого явления состоит в том, что в системе существует концентрационный предел пересыщения, по достижении которого начинается быстрая кристаллизация. Повторное достижение предела пересыщения возможно лишь на определенном расстоянии от уже сформировавшегося осадка, которое определяется скоростью молекулярной диффузии компонентов и величиной критического пересыщения. В реакциях каталитического
разложения на тонкопористом зерне смачивающих жидких реагентов, например гидразина, наблюдается периодическое чередование стадий пропитки катализатора жидким реагентом под действием капиллярных сил и вытеснения
жидкости из зерна выделяющимися газообразными продуктами. Это обусловлено существованием метастабильных полимолекулярных пленок жидкости,
46
которые остаются в заполненных газом порах и теряют устойчивость при определенных условиях. Существенно, что характерный период колебаний всегда
оказывается порядка характерного времени реакции и, следовательно, нелинейным образом зависит от температуры.
6.4. Диффузионная кинетика
Диффузионная кинетика – раздел макрокинетики, изучающий кинетиче-
ские закономерности химических реакций (гомогенных и гетерогенных), на
скорость которых влияет диффузия (молекулярная, конвективная или турбулентная). Взаимное влияние реакции и диффузии становится заметным на
внутреннем пространственном масштабе Lx, получающемся из приравнивания
их характерных времен, т. е. при значениях критерия Дамкёлера Da ~ 1. На
этом масштабе в системе возникают градиенты концентраций реагирующих
веществ. Рассмотрим, например, возможные макрокинетические режимы гомогенной необратимой реакции второго порядка между веществами А и В, которая протекает в конденсированной фазе I, находящейся в контакте с газовой фазой II. Один из реагентов, например А, нелетучий и до начала реакции равномерно распределен в конденсированной фазе I, реагент В находится в газовой
фазе II и поступает в фазу I через границу раздела, на которой практически
мгновенно устанавливается межфазное равновесие, т. е. стадия растворения В
является "быстрой". Перенос обоих реагентов в фазе I осуществляется по механизму молекулярной диффузии с коэффициентами DA и DB соответственно; при
DA и DB реакция протекает при наличии градиентов концентраций А и В в фазе I.
В простейшем случае система характеризуется единственным линейным масштабом L, определяемым как объем фазы I, приходящийся на единицу поверхности раздела фаз. Обозначим через t
А при равновесной концентрации реагента В, t
по реагенту В при исходной концентрации реагента А в фазе I. При t
A
характерное время реакции по реагенту
x
B
– характерное время реакции
x
B
>> t
x
A
x
расходование В в результате химической реакции не влияет на его диффузию в
глубь фазы I и результирующий процесс происходит в нестационарном режиме
абсорбции В. При t
B
<< t
x
проникновения реакции Lх = (DBt
меняется. В дальнейшем (t >> t
A
за время t ~ t
x
B)1/2
x
A
) при L >> Lx реакция протекает в диффузион-
x
B
устанавливается характерная глубина
x
, которая за время t << t
A
практически не
x
ном режиме в узкой зоне шириной Lx, которая движется в глубь фазы I со скоростью, пропорциональной t
нице фаз). Увеличивая значения безразмерных критериев t
-1/2
(режим мгновенной реакции при плоской гра-
A
B
/t
и DB/DA, можно
x
x
во много раз уменьшить эту скорость по сравнению со скоростью диффузии В в
фазу I в отсутствие реакции. На этом основан ряд практических способов замедления нежелательных явлений, например окислительной деструкции полимеров. Добавление в полимерную матрицу высокодисперсных металлов или их
низших оксидов, практически мгновенно связывающих кислород, приводит к
появлению фронта мгновенной реакции, который не позволяет кислороду проникать внутрь полимерного образца и тем самым предохраняет его от деструкции. При наличии в фазе I наряду с молекулярной диффузией реагентов их кон-
47
вективного перемешивания с эффективным коэффициентом массопереноса и
и характерным временем t
конв
= L/и
градиенты концентраций реагентов со-
эфф
эфф
средоточены вблизи поверхности раздела фаз внутри диффузионного пограничного слоя толщиной LD = DB/и
всем объеме фазы I в кинетическом (при t
t
конв
>> t
B
) режиме и практически не влияет на скорость поглощения В фазой I.
x
<< L. Если Lx >> LD, реакция протекает во
эфф
конв
<< t
B
) или диффузионном (при
x
В случае быстрой реакции (Lx < LD) область ее протекания Lx уменьшается, а
скорость абсорбции увеличивается с уменьшением t
B
(пленочный режим); в
x
пределе лимитирующей стадией всего процесса может стать диффузионный
перенос В в фазе II. Более сложными оказываются свойства системы, в которой
имеется несколько характерных пространственных масштабов, существенно
различающихся по порядку величины. Рассмотрим, например, пористое зерно
катализатора характерного размера r с порами характерного радиуса r. На масштабе поры r критерий Дамкёлера Dar = t
мол/tх
= r2/D
молtx
, где D
– коэффици-
мол
ент диффузии в поре. При Dar << 1 в поре устанавливается диффузионное равновесие и гетерогенно-каталитическая реакция протекает по всей ее поверхности. Напротив, при Dar >> 1 реакция не успевает продвинуться в глубь поры и
концентрация, по крайней мере, одного из реагентов в ней равна нулю. Для характеристики эффективности использования внутренней поверхности поры
вводят так называемую характерную глубину L
проникновения реакции в по-
x,r
ру. Ее определяют из условия равенства характерных времен диффузионного
перемешивания реагентов на масштабе L
молtх
1/2
)
. Описание процесса в зерне можно провести в рамках метода осред-
(D
и химического превращения: L
x,r
x,r
=
нения в квазигомогенном приближении, если зерно рассматривать как гомогенную среду с эффективным коэфициентом диффузии D
, который отличается
эфф
от коэффициента диффузии в поре множителем порядка единицы. Критерий
Дамкёлера на масштабе зерна Dar = r2/D
характеризует глубину проникно-
эффtк
вения реакции в зерно катализатора. При Dar >> 1 реакция протекает во всем
объеме зерна, а при Dar << 1 – в тонком слое у поверхности. Масштаб L
x,r
, на
котором характерные времена диффузии и реакции совпадают, называют глубиной проникновения реакции в зерно: L
= (D
x,r
эффtx
1/2
)
. Анализ характерных
времен процессов внутри и вне зерна позволяет выделить четыре предельных
режима протекания реакции:
1) внутрикинетический режим, лимитирующая стадия – реакция в объеме
зерна, наблюдаемая энергия активации совпадает с аррениусовской;
2) внутридиффузионный режим, лимитирующая стадия – диффузия одно-
го из реагентов в объеме зерна, наблюдаемая энергия активации равна половине аррениусовской;
3) внешнекинетический режим, лимитирующая стадия – реакция на
внешней поверхности зерна, наблюдаемая энергия активации совпадает с аррениусовской;
4) внешнедиффузионный режим, лимитирующая стадия – перенос веще-
ства из ядра потока к внешней. поверхности зерна, константа скорости практически не зависит от температуры. В случае сильно экзотермической реакции на
48
зерне катализатора в определенных условиях наблюдается гистерезис и скачкообразный переход от внутридиффузионного к внутрикинетическому режиму и
обратно при непрерывном изменении условий на внешней границе зерна. Учет
внешнего тепло- и массоотвода приводит к появлению множественности режимов и, как следствие, к появлению одного, трех или пяти стационарных режимов; в последнем случае три из пяти стационарных режимов устойчивы – внутрикинетический, внутридиффузионный и внешнедиффузионный. Между
устойчивыми режимами наблюдаются скачкообразные переходы при непрерывном изменении температуры и состава обтекающего зерно потока. Теоретические и экспериментальные исследования совместного протекания химической реакции и процессов переноса с использованием методов современной математической физики и вычислительной техники привели к значительным
успехам в изучении гетерогенного катализа, горения и взрыва, электрохимической кинетики, физико-химической гидродинамики, кристаллизации, растворения и др. Знание макрокинетических закономерностей в реальных условиях
химико-технологического процесса, в частности нелинейных эффектов, послужило основой для разработки новых технологических направлений. Яркое подтверждение тому – самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Литература к разделу 6
1. Слeттери, Дж. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных
средах: пер. с англ. – М., 1978.
2. Хейфец, Л. И. Многофазные процессы в пористых средах / Л. И. Хей-
фец, А. В. Неймарк. – М., 1982.
3. Франк-Каменецкий, Д. А. Диффузия и теплопередача в химической ки-
нетике. – 3-е изд. – М., 1987.
4. Хейфец, Л. И. Теоретические основы химической технологии / Л. И. Хей-
фец, Е. Б. Брун Е. Б. – 1987. – Т. 21. – № 2. – С. 191–214.
5. Мержанов, А. Г. Успехи физических наук / А. Г. Мержанов, Э. Н. Ру-
манов. – 1987. – Т. 151. – Вып. 4. – С. 553–593.
7. ИОННЫЙ ОБМЕН
Это разновидность процессов сорбции, основанная на химическом взаи-
модействии адсорбентов, называемых ионитами, с очищаемыми растворами.
Иониты могут избирательно извлекать из раствора ионы. Этот процесс следует
отнести к хемосорбции – процессу, сопровождающемуся химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называют анионитами. Иониты,
содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называют катионитами. Существуют группы аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Это смешанные
иониты. Наибольшее распространение получили ионообменные смолы.
Процессы ионного обмена находят все большее применение в различных
отраслях промышленности. Они широко используются для очистки сточных
49
вод на гидрометаллургических, машиностроительных и других предприятиях.
Способность ионитов селективно сорбировать металлы из растворов обусловила их применение в технологии получения редких, благородных и цветных металлов. Умягченная и обессоленная вода, полученная ионообменной обработкой природной пресной воды, используется в пищевой и фармацевтической
промышленности. Традиционной областью применения ионного обмена является водоподготовка на тепловых и атомных станциях. Ионообменные процессы позволяют решать важные хозяйственные и экологические задачи по
комплексной переработке природных ресурсов и охране окружающей среды.
Перспективы развития ионообменной технологии определяются необходимостью создания эффективных процессов, протекающих непрерывно, с высокими
скоростями в высокопроизводительном оборудовании, и разработки надежных
инженерных методов расчета процессов и аппаратов ионообменной технологии, учитывающих основные закономерности ионного обмена в гетерогенной
системе ионит-раствор.
Процессы ионного обмена находят все большее применение в различных
отраслях промышленности. Они широко используются для очистки сточных
вод на гидрометаллургических, машиностроительных и других предприятиях.
Способность ионитов селективно сорбировать металлы из растворов обусловила их применение в технологии получения редких, благородных и цветных металлов. Умягченная и обессоленная вода, полученная ионообменной обработкой природной пресной воды, используется в пищевой и фармацевтической
промышленности. Традиционной областью применения ионного обмена является водоподготовка.
Вещества, способные к обмену содержащихся в них ионов на ионы рас-
твора, в который они погружены, называют ионообменниками. Это твердые,
нерастворимые и ограниченно набухающие в воде полимерные вещества. Они
состоят из каркаса, имеющего положительный или отрицательный заряд, и
ионогенных групп; подвижные ионы этих групп способны обмениваться на ноны раствора с зарядом того же знака. Если между ионообменником и раствором
происходит обмен катионов, то ионообменник называют катионообменником;
если между ионообменником и раствором происходит обмен анионов, ионообменник называют анионообменником. Катионообменники представляют собой
вещества, содержащие в своей структуре ионогенные группы кислотного характера. Химические формулы катионообменников могут быть схематически
изображены, например, следующим образом: RSO3H+ RSO3Na+. В первом случае говорят, что катионообменник находится в Н-форме, во втором -- в Na-
форме. R--полимерная часть катнонообменника, --SO3H+-- ионогенная группа,
где SO3 -- фиксированный ион, H+-- противоион.
Ионогенные группы прочно связаны с матрицей ионообменника. Проти-
воионы подвижны внутри матрицы и могут обмениваться на ионы того же знака, находящиеся в растворе.
Катионообменники являются поливалентными анионами с положительно
заряженными противоионами.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]