Стадии процесса ионного обмена 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Стадии процесса ионного обмена



 

Процесс ионного обмена заключается в следующем. Если ионит, содержащий противоионы А, поместить в раствор, содержащий ионы того же знака, но другого вида (В), то ионы А могут замещаться ионами В из раствора. Через некоторое время установится подвижное ионообменное равновесие.

а б

Схема обмена ионов между ионитом и раствором:

а – исходное состояние, б – равновесное состояние

 

Реакция ионного обмена идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов:

– гидродинамического режима жидкости;

– концентрации обменивающихся ионов;

– структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов.

 

Процесс ионного обмена может быть представлен в виде нескольких стадий:

– перенос ионов А из ядра потока жидкости к внешней поверхности жидкой пленки, окружающей зерно ионита;

– диффузия ионов через пограничный слой;

– переход иона через границу раздела фаз в зерно смолы;

– диффузия ионов А внутри смолы к ионообменным функциональным группам;

– химическая реакция двойного обмена ионов А и В;

– диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз;

– переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность пленки жидкости;

– диффузия ионов В через пленку;

– диффузия ионов В в ядро потока жидкости.

 

Скорость ионного обмена определяется самой медленной из этих стадий – диффузией в пленке жидкости либо диффузией в зерне ионита. Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет суммарную скорость процесса.

Реакции ионного обмена характеризуются стехиометричностью и обратимостью.

 

Иониты

 

По тому, какой вид ионов иониты поглощают из растворов, их делят на три типа:

– катиониты – иониты, поглощающие положительные ионы; они обладают кислотными свойствами;

– аниониты – иониты, поглощающие отрицательные ионы; они обладают основными свойствами;

– амфолиты – амфотерные иониты, обменивающие и катионы, и анионы.

 

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

- при контакте с катионитом (катионный обмен):

RSO3H + NaCl ↔ RSO3Na + HCl;

- при контакте с анионитом (анионный обмен):

ROH + NaCl ↔ RCl + NaOН.

Процесс, протекающий с участием катионитов, называется катионированием, а процесс, протекающий с участием анионитов, – анионированием.

 

Катиониты – иониты с закрепленными на матрице анионами или анионообменными группами, обменивающиеся с внешней средой катионами.

Катиониты представляют собой поликислоты, в полимерной матрице содержащей кислотные группы – карбоксильные, фосфорноксильные, сульфогруппы и другие. Они диссоциируют в воде на малоподвижный полимерный макроанион (Ann) и подвижные катионы (Kt), например: R–Ann/ Ktn+ или R–Ann/nH+.

Катиониты, в которых все подвижные ионы представляют собой ионы водорода, обозначаются как Н-катиониты. В качестве противоионов катиониты могут содержать не только ионы водорода, а также ионы металлов (Na+, Ca2+ и др.), т.е. могут находиться в солевой форме. Таким образом, для катионитов различают Н-форму, Na-форму, Ca-форму и т.п.

Если катионит находился в Н-форме, то извлекаются все катионы, находящиеся в воде. Очищенный раствор имеет кислую реакцию.

Аниониты – иониты с закрепленными на матрице катионами или катионообменными группами, обменивающиеся с внешней средой анионами.

Аниониты могут находиться в солевой форме, если в качестве противоионов содержат не ионы гидроксила, а ионы тех или иных кислот: ОН-форма, Cl-форма.

Амфолиты содержат закрепленные катионообменные и анионообменные группы, и в определенных условиях выступают либо как катионит, либо как анионит. Используются для переработки технологических растворов.

Кроме того, выделяют селективные иониты, которые содержат специально подобранные ионогенные группы, имеющие высокое сродство к какому-то одному или к группе ионов. Селективные иониты могут использоваться для очистки воды от определенных ионов, например, бора, тяжелых металлов или от радионуклидов.

 

По природе иониты бывают:

1) неорганические (минеральные):

– природные: цеолиты, глинистые минералы; их ионообменные свойства обусловлены содержанием алюмосиликатов типа Na2O·Al2O3·nSiO2·mH2O;

– синтетические – силикагели, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония и др.); катионообменные свойства, например, силикагеля, обусловлены обменом ионов водорода гидроксильных групп на катионы металлов, который происходит в щелочной среде;

2) органические:

– природные – гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабые кислотные свойства;

– искусственные – ионообменные смолы с развитой поверхностью. (катиониты и аниониты). Именно эти иониты имеют наибольшую практическую ценность для очистки сточных вод.

 

В настоящее время наибольшее распространение получили иониты на основе синтетических смол. Часто для этих целей используются сополимеры стирола и дивинилбензола. Стирол образует длинные полимерные цепи, а дивинилбензол формирует мостики (или сшивки) между этими цепями. При этом образуется одна гигантская трехмерная молекула. Активные группы вводят в эту молекулу аминированием или сульфированием.

В ионообменных процессах осуществляется избирательное поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с помощью ионитов.

Способность к ионному обмену определяется строением ионита, основу которого составляет высокомолекулярный каркас или так называемая матрица, связанная валентными силами или силами решетки.

Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженным ионом, называемым фиксированным (или анкерным). Фиксированные ионы придают матрице заряд. Эти ионы вводятся при синтезе ионита. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу.

При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде R, а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RSO3H. Здесь: R – матрица, Н – противоион, SO3 – фиксированный ион.

Структура ионообменной смолы – пористая и проницаемая, поэтому весь ионит участвует в процессе ионного обмена.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; просмотров: 1233; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.238.142.134 (0.027 с.)