Адсорбция. Общие сведения. Характеристика адсорбентов. Десорбция адсорбтива из адсорбента. Процессы ионообмена, страница 10

В промышленности преимущественно применяют синтетические ионообменные смолы. Они состоят из пространственной сетки (матрицы) углеводородных цепей с фиксированными активными ионообменными группами, придающими полимеру гидрофильность. По типу активных групп (кислые или основные) в составе ионитов, последние подразделяются на катиониты и аниониты. Первые обмениваются с раствором электролита подвижными катионами, вторые – подвижными анионами. Иониты, содержащие одновременно кислые и основные группы, называются афолитами. Обмен ионов в ионитах происходит в эквивалентных количествах и обратим, поэтому процесс обмена ионов между раствором электролита и твердой фазой можно записать как обычную химическую реакцию.

Обмен катионов записывается уравнением

                            ,                         (39.26)

где R_к – катионит;  – обмениваемый катион;  – удаляемый из раствора катион.

Анионный обмен выражвется уравнением

                               ,                           (39.27)

где R_a – анионит; А₁ – обмениваемый анион; А₂ – удаляемый из раствора анион.

Катиониты создают кислый характер среды и обмениваются с ней положительно заряженными противоионами. По способности к обмену их можно расположить в такой ряд:

         .

Аниониты создают основной характер среды. Противоионы по их способности к обмену располагаются в следующий ряд:

             .

Обменная емкость ионитов слагается из емкости их активных групп и выражается в миллиэквивалентах поглощенных ионов на 1 г (или единицу объема) ионита; она достигает 6÷10 мэкв/г. На практике полная объемная емкость редко достигается. В инженерных расчетах оперируют емкостью, определяемой опытным путем. Равновесие при ионном обмене обычно изображается графически в виде изотермы равновесия. Изотерма равновесия дает возможность судить о равновесной обменной емкости ионита, о его селективности, кроме того она позволяет определить движущую силу процесса. На равновесие влияют природа ионита и поглощенных ионов, температура и рН раствора электролита.

В случае ионной сорбции двух ионов с разными зарядами ионит преимущественно поглощает ион с наибольшим зарядом. Если в окружающий ионит раствор добавляют более активные ионы, то происходит вытеснение менее активных ионов с его поверхности.

Температура двояко влияет на процесс ионного обмена. С одной стороны, с повышением температуры увеличивается скорость ионного обмена, с другой стороны повышение температуры ведет к уменьшению емкости и избирательности ионитов. Предельная температура процесса определяется термической устойчивостью ионитов. Для обычных ионообменных смол предельная температура процесса не должна превышать 80 ‑ 100º С.

Влияние рН раствора на равновесие зависит от природы ионитов: с увеличением рН емкость катионитов увеличивается, а для анионитов – уменьшается.

Материальные балансы ионообменных процессов выражаются уравнениями, общими для всех массообменных процессов.

Скорость процесса ионообмена зависит от скоростей отдельных его стадий: диффузии иона В⁺ в растворе к поверхности ионита и внутри его, химической реакции двойного обмена, диффузии замещенного иона А⁺ внутри ионита к поверхности и от поверхности ионита в раствор. Определяющей стадией обычно является скорость диффузии внутри зерна ионита.

Несмотря на сложную совокупность явлений, участвующих в ионообмене, кинетика процесса в технических расчетах принимается в упрощенном виде. Предполагают, что скорость химической реакции несоизмеримо выше, чем скорости остальных стадий, поэтому определяющей стадией принимают стадию диффузии распределяемого компонента внутри зерна ионита.

Схемы ионообменных процессов и аппараты для ионообмена принципиально не отличаются от применяемых в процессах адсорбции. Обычно цикл ионообменного процесса включает следующие стадии: 1 – сорбцию ионов из раствора; 2 – отмывку ионита от исходного раствора; 3 – регенерацию ионита; 4 – отмывку ионита от регенерирующего раствора.

Для регенерации ионитов используют слабые растворы кислот или щелочей. Регенерация катионов происходит за счет обработки растворами кислот, например 5 %-ным раствором HCl. Регенерация анионитов осуществляется растворами щелочей, например 5 %-ным раствором NaOH.