Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция протекает только на тех адсорбентах, которые способны диссоциировать с поверхности, посылая в раствор катионы или анионы и образуя двойной электрический слой без участия ионов растворенного электролита.

П роцесс эквивалентного обмена собственных ионов адсорбента, образующих в растворе двойной электрический слой, на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе, называется ионообменной адсорбцией.

Особенности ионообменной адсорбции:

1. Специфичность, т.е. данный адсорбент способен к обмену только определенных ионов;

2. Может быть необратимой;

3. Протекает более медленнее, чем молекулярная;

4. Может изменяться рН среды при обмене ибмене ионов Н⁺ или ОН^–.

Адсорбенты, способные к обмену ионов с раствором, называют ионитами.

Катиониты - представляют собой нерастворимые многоосновные кислоты, способные к обмену катионов.

В них катион водорода при адсорбции замещается на катионы металла R(COOH)_n ((;(( R(COO^-)_n + nH⁺ ; или R(SO₃H)_n ((;(( R(SO )_n + nH⁺.

Катиониты широко применяются для уменьшения жесткости воды путем связывания катионов кальция и магния, содержащихся в природных водах. Перед применением катионит промывают кислотой, переводя их в Н⁺-форму и только после этого медленно пропускают очищаемую водную систему, из которой катионит адсорбирует катионы металла, например,

[Kat]H_n + 0,5nCa²⁺ ((;(( [Kat]0,5nCa + nH⁺

Аниониты - представляют собой нерастворимые многоатомные основания, способные к обмену анионов

R( H₃OH)_n ((;(( R( H₃)_n + nOH^–

[An](OH)n + nCl^– ((;(( [An]Cln + nOH^–

Перед применением аниониты промывают щелочью, переводя их в ОН^– – форму, и после этого используют для очистки водных систем от анионов.

Амфолиты - иониты, у которых активная группа в зависимости от рН раствора может вести себя как кислотная или как основная.

Основные физико-химические характеристики ионитов

К основным характеристикам ионитов относятся: обменная емкость, кислотно-основные свойства, химическая стойкость, набухаемость.

Обменная емкость ионитов определяется числом функциональных групп в ионите, приходящихся на единицу массы сухой смолы. Обменную емкость ионитов выражают в ммолях извлекаемых из раствора ионов в расчете на I г сухого ионита. Обменная емкость современных ионитов составляет 3-10 ммоль/г. Обменная емкость зависит от характера функциональных групп ионита, природы обменивающихся ионов, концентрации вещества в растворе и его рН.

После насыщения ионита его регенерируют. Для этого катиониты обрабатывают кислотой, а аниониты - растворами щелочей.

Другая важная характеристика ионитов их кислотно-основные свойства. По кислотно-основным свойствам иониты делят на следующие группы:

1. Сильнокислотные катиониты, содержащие сильнодиссоциирующие кислотные группы, например, –SO₃H. Эти катиониты способны к обмену ионов в кислой, нейтральной и щелочной средах (КУ-1, КУ-2, дауэкс-50, амберлит IR-120 и др.).

2. Слабокислотные катиониты, содержащие слабодиссоциирующие кислотные группы (–СООН, –ОН), способны обменивать ионы при рН > 7 (КБ-2, КБ-4 и др.).

3. Сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые или пиридиновые группы, способны к обмену ионов в кислой, щелочной и нейтральной средах (АВ-17, АВ-18, амберлит IRA-400, IRA-410 и др.).

4. Слабоосновные аниониты, содержащие основные группы –NH₂, >NH₃, N. Обмен ионов на таких анионитах происходит при рН < 7 (АН-23, АН-2Ф и др.).

Химическая стойкость ионитов - это устойчивость к действию кислот, щелочей, окислителей, разрушающих структуру ионита. Химическая стойкость оценивается по потере обменной емкости ионитом после проведения определенного числа циклов адcорбции-десорбции.

Набухаемость ионитов играет важную роль в ионном обмене. От нее зависят такие факторы, как доступность ионогенных групп и скорость установления ионообменного равновесия. Набухаемость ионитов определяется по массе или объему жидкости, поглощенной ионитом в течение 2–4-х часов.

Ионообменная адсорбция имеет равновесный характер, поэтому катиониты и аниониты можно использовать неоднократно после регенерации их первоначальных свойств.