Іонний обмін

Іоніти: загальне поняття

Пом'якшення і знесолення води здійснюють головним чином за допомогою іонітів.

Іоніти поділяють на два типи: катіоніти і аніоніти. Ці назви пояснюють тим, які протівоіони, в процесі дисоціації, виділяє іоніти найближчим водне оточення. Якщо зерно іоніти само заряджена негативно, а водне середовище виходять протівоіони у вигляді позитивно заряджених протівоіонов, якими можуть бути іони водню (Н +) або іони металів (Меn +), то такий іоніти називають катіонітів, так як при дисоціації утворюються протівоіони - катіони. Якщо зерно іоніти само заряджена позитивно, а водне середовище відокремлюються від нього протівоіони у вигляді негативно заряджених протівоіонов, якими зазвичай можуть бути іон гідроксилу (ОН-) або кислотні залишки (Аnn-), то такий іоніти називають аніонітів, так як при дисоціації утворюються протівоіони - аніони.

Загальновідомі такі речовини як кислоти, підстави та їх солі. Водневі кислоти в загальному можна зображати так: НХ (Х - кислотний залишок), тобто у вигляді з'єднання іона водню з залишком (аніоном) будь-якої кислоти. Гідроксилвмісних підстави можна зобразити як Ме (ОН) n (Меn + - катіон будь-якого металу), тобто у вигляді з'єднання аніона гідроксилу з катіоном будь-якого металу. Солі, як відомо, є продуктом взаємної нейтралізації кислот і підстав і мають вигляд Мех.

Кислоти, підстави і солі є електроліти. За аналогією іоніти теж називають електролітами, точніше - поліелектролітів, підкреслюючи приставкою "Полі" численність іонів, що утворюються однією часткою іоніти при дисоціації у воді. Якщо умовно-нерозчинну частку іоніти позначити для катіоніту через R-, а для аніоніти через R +, то отримаємо чотири форми, в яких можуть існувати іоніти, а саме:

для катіонітів

R-Н + - Воднева форма катіоніту, аналогічна звичайної водневої кислоти,

R-Ме + - Сольова форма катіоніту, аналогічна структурі солі;

для аніонітів

R + ОН - - Гідроксильна форма аніоніти, аналогічна звичайному гідроксилвмісних основи,

R + Х - - Сольова форма аніоніти, аналогічна структурі солі.

Цими чотирма схематичними зображеннями структури іонітів підкреслюється їх спільність з структурою звичайних кислот, основ і солей. Однак на цьому тлі слід підкреслити нерозчинність іонітів у воді і більшої частини наведених розчинників, тобто таке їх поведінка в кислотної, основний або сольовий формах, при якому реакції їх взаємодії з іншими розчинними речовинами можна обмежувати і завершувати в обсязі апарата без розповсюдження самих реагентів чи продуктів реакції по всьому об'єму розчину (води), як це відбувається з низькомолекулярними, мономірні кислотами, основами та їх солями.

Синтетичні іоніти зазвичай складаються з матриці, тобто зерна, виготовленого з сополимера або шляхом поліконденсації мономірних органічних молекул. У цю матрицю (зерно) шляхом хімічної взаємодії введені йоногенних групи кислотної або основної функції, тому такі групи часто називають функціональними групами. Якщо введені в матрицю функціональні або йоногенних групи мають структуру кислотних залишків (-СООН;-SО3Н;-РО4Н2 і тощо), то такий іоніти називають катіонітів, тому що він здатний до обміну катіонами-іонами водню або позитивно зарядженими іонами металів. Якщо введені в матрицю йоногенних групи мають структуру і функцію підстав (aN; = NH;-NH2;-NR3 + і т.п.), то такий іоніти називають аніонітів, тому що він здатний до обміну аніонами-іонами гідроксилу або негативно зарядженими кислотними залишками. Коли в іоніти введені однакові функціональні групи, такі іоніти називають монофункціональних, а у випадках, коли вводяться групи різної структури, іоніти називають поліфункціональними. Якщо ж в одні і ті ж зерна іонітів введені кислотні та основні йоногенних групи, такі іоніти слід називати змішаними.

Зерна органічних молекул або продуктів конденсації нерозчинні у воді тому, що полімерні ланцюги макромолекул не тільки володіють великою молекулярною масою, але ще поперечно пов'язані між собою, як би утворюючи просторову сітку потенційно пористого речовини. У іонітів зазвичай немає часу у вигляді стабільних отворів та проходів певних мікросеченій, як, наприклад у активованих вугіль, у зерен іонітів також немає стабільних геометричних розмірів. Вони здатні набухати у воді і дещо менше в інших органічних розчинниках. Таку здатність до набухання іонітів надають гідрофільні йоногенних групи, здатні до гідратації, тобто до притягнення свого безпосереднє оточення молекул води (розчинника). Однак безмежного набухання, що межує з розчиненням, перешкоджають поперечні зв'язку. Ступінь поперечної пов'язаності задається при синтезі іонітів. Це дозволяє при меншій поперечної пов'язаності готувати іоніти, просторово доступні навіть для органічних іонів великих розмірів, і збільшення поперечної пов'язаності призводить до стримування набухання і до проникності лише іонів невеликих розмірів. Чим більший відсоток поперечної зв'язки має іоніти, тим менше він набухає, але тим більше зростає його механічна міцність.

Для більшої частини іонітів характерне зростання обсягу при набуханні в 1,5 - 3,5 рази -- це значний розбіг розмірів, і він повинен враховуватися при завантаженнях іонітів в іонообмінні фільтри. При одній і тій же поперечної "сшітості" і концентрації гідрофільних йоногенних груп в обсязі зерна іоніти величина набухаемості залежить від того, якими протівоіонамі заряджений іоніти. Зазвичай однозарядного іони, особливо водню і гідроксилу, приводять до найбільшого набухання; багатозарядні протівоіони призводять до деякого стиснення та зменшення обсягу зерен.

Іонообмінна здатність

Розрізняють наступні характеристики обмінної здатності: повна динамічна обмінна ємність (ПДОЕ); динамічна обмінна ємність (ДОЕ); статистична обмінна ємність (ШОЕ).

Повна динамічна обмінна ємність (ПДОЕ) виходить шляхом фільтрації розчину електроліту через іоніти, в якому відбувається обмін протівоіонов іоніти на протівоіони розчину. При цьому фільтрація проводиться навіть після проскакування поглинається іона в фільтрат до тих пір, поки концентрація поглинається в фільтраті не стане дорівнює його концентрації у вихідному розчині. Цей момент є показником того, що завантаження іоніти більше не поглинає іонів з розчину. Кількість поглинених іонів з розчину, перерахованої у міліграм-еквівалентах на літр набряклого іоніти, і є показником для даних умов фільтрування.

Основні рівняння іонного обміну, схематично описують реакції взаємодії іонів розчину з іоніти, наступні:

Для катіонітів

R-H + + Ме + R-Ме + + Н +

Ця реакція оборотна, так як зліва направо відбувається поглинання іонітів катіонів солей (Ме +) з розчину, а справа наліво відбувається регенерація кислотою іоніти від сольовий форми до вихідної водневої форми;

Для аніонітів

R + OH - + R + X-+ OH-

тут ми бачимо ту ж схему реакцій, тільки не з катіонами, а з аніонами.

Динамічної обмінної ємністю (ДОЕ) називають характеристику, подібну ПДОЕ, з тією лише різницею, що вимірюється не повну кількість іонів, що поглинаються іонітів з розчину, а лише те, що поглинена до першого проскакування поглинається іона в фільтрат. Цю характеристику іноді називають робочої обмінної ємності (Рое).

Статистичної обмінної (рівноважної) ємністю (ШОЕ) вважають величину іонного обміну між протівоіонамі навішування іоніти і протівоіонамі з розчину в умовах усталеного рівноваги, тобто коли розчин і іоніти перебувають у контакті в статистичних умовах достатній час для встановлення рівноваги. Зазвичай прийнято заміряти ШОЕ через 24 години контакту в мг-еквівалентах на літр; СОЕ може бути повною в тому випадку, якщо в результаті контакту іоніти і розчину відбувається не тільки обмін протівоіонамі, але й освіту труднодіссоціірующего з'єднання.

Найважливішим властивістю іонітів слід вважати їх здатність до регенерації, тобто до перетворенню у вихідну форму тих самих зерен завантаження фільтра після поглинання ними солей з очищується води в результаті промивання відпрацьованих іонітів приблизно 5 -- 6% - ми розчинами кислот (для катіонітів) або лугів (для аніонітів). Саме ця властивість дозволяє багато разів, навіть протягом декількох років, використовувати завантаження іонітів. Кількість природних втрат при перевантаженнях та розпушення іонітів становить від 3 до 10% річних.

Основний причиною процесу обміну протівоіонамі між іонітів і розчином є різниця концентрацій протівоіонов. Протівоіони іоніти прагнуть в розчин, так як на початку контакту цих іонів в розчині немає. Однак переходу в розчин іонів іоніти протидіє необхідність збереження електронейтральності. Інші іони того ж знака з розчину прагнуть проникнути у фазу іоніти, так як спочатку концентрація цих іонів у фазі іоніти була дорівнює нулю. Це стан призводить до вирівнювання концентрацій, тобто до обміну іонів при непорушності принципу електронейтральності.

Кінетика іонного обміну

Процеси іонного обміну протікають у часі, тобто володіють різною швидкістю при різних умовах. На швидкість іонного обміну можуть впливати: ступінь "сшітості" (проникності) матриці зерна іоніти, розмір зерен іоніти, температура і концентрація розчину, з якими контактує іоніти, і інші фактори. Слід помітити, що зовнішній тиск практично не впливає величину та швидкість іонного обміну з розчинів. Витрата часу необхідна для проходження низки елементарних процесів:

дифузії протівоіонов розчину до зерна іоніти;

дифузії протівоіонов у фазі іоніти у напрямку від периферії до центру;

обміну протівоіонов іоніти на протівоіони з розчину;

дифузії витіснених протівоіонов по зерну іоніти до його поверхні;

дифузії витіснених протівоіонов в об'ємі розчину.

Обмін іонів у фазі іоніти і останній процес - розподіл витіснених іонів з розчину, можна вважати нелімітірующімі загальну швидкість процесу. Швидкість перше, другого і четвертого процесів значною мірою визначається вихідною концентрацією протівоіонов відповідно в розчині і в іоніте.

Вважається, що при концентраціях іонів у розчинах менше 0,003 М повільним процесом, лімітуючим загальну швидкість процесу, є дифузія іонів з розчину до поверхні зерна і через нерухому граничну плівку рідини на поверхні зерна іоніти (плівкова кінетика). У випадках, коли концентрація іонів у розчині вище 0,1 М, процесом, який контролює загальну швидкість, вважається процес дифузії іонів по зерну в фазі іоніти (гелевая кінетика). У випадках концентрацій іонів в розчині, що знаходяться в межах між 0,003 - 0,1 М, в якості лімітують процесів можуть проявляти себе як дифузія через нерухому плівку, так і дифузія у фазі іоніти.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.promeco.h1.ru/l