Даниловская Л. П. / Лекция 8. Ионный обмен

Лекция 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^-, SO₄^2-) на эквивалентное количество ионов ОН^- :

[Ан]OH + Cl^-  [Ан]Cl + OH^- ;

[Ан](OH)₂ + SO₄^2-  [Ан]SO₄^2- + 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 SO₄^2- ) 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»:

1. Раскройте содержание терминов: - ионно-обменная адсорбция; - иониты; - катиониты; - аниониты.

2. Приведите реакции обмена ионов, протекающие при умягчении жесткой воды, а также при обессоливании (деминерализации) соленой воды.

3. С какой целью и как проводят регенерацию ионитов?

4. Как проявляется ионный обмен в природе и как используется он в различных отраслях науки и техники? Приведите примеры.

5. Дайте определение термину: «Условная емкость обмена». Сравните эти характеристики для синтетических и природных ионитов.

6. Можно ли использовать метод ионного обмена для удаления токсичных примесей из растворов неэлектролитов? Ответ поясните.

7. В чем состоит роль волокон Аквален, входящих в состав фильтра «Аквафор»? Проводится ли регенерация сорбентов в этих фильтрах? (см. лекцию 7)