Тема 8. Ионный обмен. Сущность процесса ионного обмена. Основные понятия

Процесс ионного обмена представляет собой адсорбцию электролитов. В частности в процессах водоподготовки на ТЭС – адсорбцию сильных электролитов (солей) при обессоливании природной воды. Такой процесс адсорбции электролитов происходит из воды на поверхности раздела: вода – полярное твердое вещество. Сам процесс адсорбции получил название ионного обмена, а адсорбент – твердое вещество – ионита.

Механизм, происходящих при этом явлений, таков. При адсорбции ионов одного какого-нибудь знака поверхность твердой фазы принимает заряд этих ионов, а раствор – противоположный по знаку в результате наличия в нем избытка ионов, противоположных знаку заряда адсорбированных ионов.

Это создает разность потенциалов между раствором и твердой фазой как следствие обуславливает притяжение ею ионов противоположного знака заряда (противоионов), находящихся в растворе.

На противоионы действуют силы:

1. Сила электростатического притяжения со стороны твердой фазы.

2. Диффузионные силы, под действием которой противоионы имеют тенденцию статистически распределиться по всему объему. Действие этих сил приводит к тому, что вокруг твердой фазы образуется диффузионный слой ионитов илиионная атмосфера. (см. рис.). Ионы, адсорбированные твердой фазой (+) носят названиепотенциалообразующих ионов, ионы, образующие ионную атмосферу. (-), носят названияионов диффузного слоя.

Ионы диффузного слоя называют противоионами, т.к. они имеют заряд, противоположный адсорбированным ионам.

Ионы диффузного слоя, обладающие повышенным запасом кинетической энергии, могут вырываться из ионной атмосферы и переходить в раствор. Из раствора в ионную атмосферу могут поступать ионы того же знака в эквивалентном количестве.

Таким образом, в процессе адсорбции ионов можно различить три составляющих момента:

1. возникновение заряда твердой фазы в результате появления на ней потенциалобразующих ионов;

2. образования ионной атмосферы вокруг твердой фазы;

3. замена ионов, образующих ионную атмосферу, ионами, находящимися в растворе (ионами того же знака).

Механизм появления потенциалобразующих ионовна поверхности твердой фазы может быть двояким:

а) полярные молекулы, образующие твердую фазу, адсорбируют из раствора ионы одного знака. Например, так же как в воде молекулы NH₃координируют около себя ион Н⁺, образуя комплексный ион NH⁺₄

NH₃+H⁺NH₄⁺

б) Наличие потенциалобразующих ионов может оказаться следствием диссоциации полярных молекул, находящихся на поверхности тв. фазы под действием молекул воды. (процесс, аналогичный диссоциации в воде электролитов). При этом диссоциировавшие в раствор ионы образуют ионную атмосферу, а тв. фаза приобретает противоположный заряд.

Возникновение потенциалобразующих ионов и ионной атмосферы свойственно в разной степени многим твердым телам; у ионитов это свойство развито особенно сильно.

Сам же процесс ионного обмена пока не рассматривался. И начинается этот процесс в том случае, если такой ионит поместить в раствор электролита, содержащий ион, одноименный с ионом ионной атмосферы. И заключается процесс ионного обмена как раз в обмене ионов между ионной атмосферой и раствора электролита.

Например, в ионите диффузный слой (ионная атмосфера) состоит из ионов Н⁺(ионит записывается в виде RH), и образуется при диссоциации молекулы RH по реакции:

RH R^-/H⁺.

Если такой ионит поместить в раствор NaCl, то ионы Na⁺начнут поступать в ионную атмосферу, а из нее в раствор будут выходить ионы Н⁺в эквивалентном количестве.

Наступившее равновесие характеризуется уравнением:

R^-/H⁺+Na⁺_р-рR^-/Na⁺+H⁺_р-р.

Иониты, применяемые для адсорбции катионов (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺и др.) носят названиекатионитов. Потенциалобразующий слой таких ионитов составляют анионы, а ионную атмосферу – катионы. Ионыты, применяемые для адсорбции из раствора анионов называютсяанионитами(потенциалобразующий слой – катионы, ионная атмосфера – анионы). Например

R⁺/Cl^-+NO₃^-R⁺/NO₃^-+Cl^-_р-р.

Характеристика ионитов и методов их получения. Минеральные иониты. История развития ионитов и ионного обмена

1. Аристотель IV в до н.э. во время похода Александра Македонского стал пропускать через ящики с песком морскую воду. Получал опресненную воду для питья солдатам.

2. ХIII век н.э. Бекон повторил опыты Аристотеля

3. Середина XIX века, Англия. Начинают применять хим. удобрения. Томас и Вей обнаружили, что в почве происходит обмен иона NH₄⁺на ион Ca²⁺. В 1876 г. Лемберг показал, что из всех элементов почвы на обмен способны лишь такие соединения, как цеолиты и глинистые минералы (бентонитовые глины).

4. Начало XX века – бурное развитие техники (и энергетики). Немец Ганс в 1905 г. патентует способ искусственного приготовления минеральных катионитов ( из прировдных цеолитов). Эти синтетические мин. катиониты получили название “пермутит”.

К цеолитам относятся такие соединения как

Анальцин Na(SrAlO₆)H₂O

Шабазит Na₂(Sr₂AlO₆)6H₂О

Это цеолиты. К глинистым минералам – соединения:

AL₂O₃4SrO₂H₂O

AL₂O₃2SrO2H₂O

Механизм работы таких минеральных ионитов таков: ионная атмосфера состоит или из Н⁺или из ОН^-в зависимости от рН раствора. Кислотный или основной характер диссоциации в зависимости от рН среды и соответственно работают как катиониты в щелочной среде, и как аниониты – в кислой.

Подавляющее большинство искусственных минеральных катионитов полученных на основе алюмосиликатов в кислой среде подвергаются разложению (выделяется Н₂SiO₃). Другим недостатком таких ионитов является их малая обменная емкость и механическая прочность. Указанные недостатки являются причиной того, что в крупной энергетике минеральные катиониты практически полностью вытесненными органическими катионитами.

Органические иониты

В 1935 году начался синтез органических ионитов. Открытие их принадлежит Адамсу и Холмсу, которые изучая бой грамофонных пластинок, сделанных из бекелитовой смолы, совершенно случайно обнаружили, что эти кусочки могут быть катионитом. Бекелитовая смола для пластинок получалась поликонденсацией фенола с формальдегидом:

Группой, способной к диссоциации, была фенольная группа – ОН, которая в щелочной среде (рН7) диссоциировала по типу ROHRO^-+H⁺.

Основными преимуществами органических ионитов были:

1. Высокая механическая прочность.

2. Практическая нерастворимость в воде

3. Высокая обменная емкость.

Получились такие органические иониты путем проведения реакций полимеризации, сополимеризации, поликонденсации и сополиконденсации.

Важной задачей создания органических ионитов было (и является) введение в состав полимолекул ионита функциональных групп, т.е. групп, способных к диссоциации в воде или к адсорбции из воды ионов и созданию таким образом потенциалобразующего слоя и ионной атмосферы. Основное отличие катионитов от анионитов заключается как раз в том, что они имеют принципиально разные функциональные группы.

Функциональные группы катионитов

Функциональными группами органических катионитов (т.е. группами, обладающими свойствами кислотной диссоциации) являются:

а) карбоксильная группа – СООН (как правило слабокислотная)

б) сульфогруппа – SO₃H (сильнокислотная).

В соответствии с наличием этих групп катиониты делятся на карбоксилатные и сульфокатиониты.

в) наряду с указанными группами во многих органических катионитах находится гидроксильная группа – ОН (в составе фенольного кольца; часто называют фенольная группа – ОН). Эта группа является очень слабокислотной, т.е. диссоциирует лишь при высоких значениях рН (рН7), что в практике водоподготовки на ТЭС, практически не бывает. Поэтому эта группа в процессе ионного обмена участвует очень слабо.