59. Умягчения воды методом ионного обмена

Ионный обмен – процесс извлечения из воды одних ионов и замена их другими.

Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами. Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но нерастворимые в ней. Ионообменные сорбен­ты делятся на: 1) минеральные и 2) органические.

Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты и гумусовые угли, а примером вторых—сульфирован­ные угли и синтетические ионообменные смолы.

В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекаю­щая на внешней и внутренней поверхности ионитов. Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количествах.

Обменные реакции в растворе происходят практически мгновен­но, но процессы ионообмена с ионитами, протекающие в гетероген­ной среде, обладают вполне измеримой скоростью. Фактически на­блюдаемая скорость определяется скоростью диффузии, наиболее медленной стадией ионообмена. Общая скорость ионообмена падает с увеличением размеров зерна ионита.

Обмен ионов в растворах протекает избирательно. С уменьшени­ем абсолютной концентрации раствора адсорбируются лучше много­валентные ионы, чем одновалентные, а при высоких концентрациях адсорбируется одновалентный ион. Например, при умягчении воды (разбавленный раствор) избирательно поглощаются ионы Са²⁺ и Mg²⁺, а ионы Na⁺ при этом практически не адсорбируются.

Основной технологической характеристикой ионитов является их обменная емкость, которая определяется количеством ионов, извле­ченных из воды 1 г воздушно-сухого ионита.

С увеличением значения рН увеличивается обменная емкость катионитов и уменьшается обменная емкость анионитов, и наоборот.

Таким образом, обменная емкость ионита тем больше, чем вы­ше степень диссоциации его активных групп и чем большее их ко­личество приходится на мицеллу ионита.

60. Иониты (катиониты и аниониты), их природа, строение, свойства.

По характеру своего действия ионообменные вещества подраз­деляются на катиониты и аниониты. Вещества, обменивающие ка­тионы, называются катионитами, а обменивающие анионы — анионитами.

Катиониты диссоциируют на небольшие, подвижные и способные к ионному обмену катионы (например, Н⁺) и высокомолекулярный анион (R^m-1), а аниониты дают мелкие, легко перемещающиеся анионы (например, ОН^-) и высокомолекулярный катион (Rⁿ⁺).

Катиониты со смешанными функциональными группами встречаются в следующем сочетании: 1) сульфокислые и оксифенольные; 2) сульфокислые и карбоксильные; 3) остатки фосфорной кислоты и оксифенольные; 4) мышьяковокислые и оксифенольные; 5) карбоксильные и оксифенольные.

Сильнокислотные катиониты вступают в реакцию ионного обме­на с растворенными в воде солями в нейтральной и кислой средах (сульфо- и фосфорнокислые катиониты). Слабокислотные катиони­ты, содержащие карбоксильные или оксифенольные группы, обме­нивают свой протон в нейтральных растворах лишь на катиониты солей слабых кислот, причем полнота обмена возрастает с повыше­нием рН среды.

Следовательно, большинство катионитов представляют собой полимерные полифункциональные кислоты, в состав которых вхо­дят группы -СООН, — S0₃H, —ОН, —SH, SiOOH и др.

В практике очистки воды часто используют Н- и Na-катиониты. В зависимости от катиона и называют этот процесс Н-катионирование и Na -катионирование. При Н-катионировании повышается кислотность воды, а при Na-катионировании происходит увеличение щелочности фильтрата, если в исходной воде содержится карбонат­ная жесткость.

Аниониты являются высокомолекулярными соединениями, содержащими огромное количество основных групп, таких, как —NH₂, —NH₃OH, —NHR, —NR₂ и т. д. В состав одного и того же ионита могут входить ионогенные группы с различной степенью кислотности и щелочности.

Из смоляных анионитов чаще применяются аминоформальдегидные аниониты и полистирольные аниониты, продукты присоедине­ния от основных групп к сополимерам полистирола.

Смоляные аниониты с одинаковыми ионогенными группами сле­дующие: 1) четвертичные аммониевые основания; 2) третичные амины; 3) вторичные амины; 4) первичные амины; 5) четвертичные сульфониевые основания.

Смоляные аниониты с разнотипными ионогенными группами со­держат аминогруппы с различной степенью замещения.

Сильные аниониты вступают в реакцию с растворами солей в нейтральной и даже слабощелочной среде. Слабоосновные аниониты вступают в реакцию обмена лишь в кислых средах, причем пол­нота обмена гидроксильной группы анионита на анион растворенно­го электролита возрастает с повышением кислотности среды.

При катионировании происходят следующие процессы: