Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция – это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.

Первые сообщения об ионообменной адсорбции были сделаны в 1850 г. независимо друг от друга английскими учеными Томпсоном и Уэем. Изучая способность почв к поглощению удобрений и их вымыванию дождем, они обнаружили обмен ионами между почвой и водными растворами солей.

ОСОБЕННОСТИ ОБМЕННОЙ АДСОРБЦИИ

Обменная адсорбция специфична, т.е. к обмену способны только определенные ионы, по своей природе этот процесс приближается к химическим явлениям; не всегда обратима; протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция; может приводить к изменению рН среды.

Вещества, проявляющие способность к ионному обмену, называются ионитами. Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого», обычно, ковалентными связями. Каркас имеет положительный или отрицательный заряд, скомпенсированный противоположным, зарядом подвижных ионов (противоионов), которые могут легко заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИОНИТОВ

Единой классификации ионитов нет. Обычно их классифицируют по следующим признакам: по происхождению (природные и синтетические); по составу (неорганические и органические); по знаку заряда обменивающихся ионов (катиониты, аниониты, амфолиты).

К природным неорганическим ионитам, обменивающимся катионами, относятся кристаллические силикаты типа цеолитов: шабазит, глауконит и др.; к природным анионитам – некоторые минералы, например, апатит. Природными ионитами органического происхождения являются, например, содержащиеся в почве гуминовые кислоты – высокомолекулярные соединения с различными функциональными группами, способными к ионному обмену. Они обладают амфотерными свойствами и поэтому могут обменивать как катионы, так и анионы. Природные иониты не нашли широкого практического применения, так как имеют ряд недостатков, в частности, они химически нестойки и не обладают достаточной механической прочностью.

Первыми синтетическими ионитами были плавленые и гелеобразные пермутиты – алюмосиликаты, подобные природным цеолитам. Гелеобразные пермутиты сравнительно долго применяли для умягчения воды.

Широкое распространение получили иониты на основе органических смол – синтетические ионообменные смолы. Их преимущества:

• высокая механическая прочность;

• высокая химическая стойкость;

• большая сорбционная емкость, так как обмен ионами часто идет по всему объему смолы, а структура смолы обычно проницаема для ионов, находящихся в растворе. Размеры зерен ионитов находятся в пределах от 0, 25 до 2, 0 мм.

Смолы, способные обменивать катионы, называют катионитами, они содержат группы: – SO₃H; – COOH; – ОН (фенольные). Примерами катионитов являются фенолформальдегидные смолы.

Смолы, способные обмениваться анионами, называют анионитами, они содержат активные группы: – NH₂; =NH; N; – N(CH₃)₃Cl^-.

Если ионит привести в контакт с раствором электролита, то через определенное время установится равновесие между ионами в ионите и в растворе, называемое ионообменным равновесием. Ионообменное равновесие в общем виде выглядит так:

где Z и Z₂ – заряды обменивающихся ионов M₁ и M₂.

Константа этого равновесия К, называемая константой ионного обмена, равна:

(5.5)

где с – концентрация ионов в ионите, с – концентра­ция ионов в растворе.

Часто для характеристики ионного обмена пользуют­ся уравнением Никольского:

, (5.6)

Для данного ионита константа обмена отражает свойства обменивающихся ионов и характеризует селективность ионита по отношению к тем или иным ионам.