Ионообменная адсорбция

Помимо адсорбции ионов возможен обмен между ионами раствора и твердой поверхности. Ионный обмен связан с адсорбцией ионов из раствора электролита и десорбции ионов из твердой поверхности в раствор. Поэтому ионный обмен называют ионообменной адсорбцией.

Ионный обмен – это обратимый процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена ионами между раствором электролитов и твердым телом (ионитом). Иониты, которые еще называют ионо-обменниками или ионообменными сорбентами, представляют собой вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Ионит имеет две группы ионов (рис. 6.7), одна из них содержится в фазе ионита, а другая способна диссоциировать и является электролитом.

Рис. 6.7. Модель матрицы катионита:

1 — каркас; 2 — фиксированный анион;

3 — подвижный катион, способный к ионному обмену

По знаку обмениваемых ионов различают катиониты и аниониты. Они состоят из каркаса (матрицы), который обладает определенным зарядом, и ионом, способным к обмену. Катионит имеет закрепленные анионогенные группы и катионы, способные к обмену с окружающей средой. Если обозначить каркас катионита через [...], то типичная реакция катионного обмена выглядит следующим образом:

Кат⁺₁[...]^–+ Кат⁺₂→ Кат⁺₂[...]^–+ Кат⁺₁. (6.20)

Анионы содержат закрепленные катионогенные группы и способные к обмену анионы. Реакция анионного обмена происходит по схеме

[...]⁺Ан^–₁ + Ан^–₂ → [...]⁺Ан^–₂ + Ан^–₁. (6.21)

Катиониты содержат катионы Кат⁺, которые способны обмениваться на такие ионы раствора, как H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺и др. У анионов обменными являются анионы Ан^–: ОН^–, С1^–, SO^2-₄ и др., а каркас несет положительный заряд. Существуют еще амфолиты, которые в зависимости от условий способны проявлять катионообменные и анионообменные свойства.

Процесс ионного обмена включает следующие последовательные стадии: 1) движение адсорбированного иона к поверхности зерна адсорбента; 2) перемещение адсорбированного иона внутри зерна адсорбента; 3) собственно ионный обмен; 4) перемещение вытесняемого иона внутри зерна адсорбента; 5) переход вытесняемого иона от поверхности зерна адсорбента в раствор. Все стадии, кроме собственно химической реакции обмена, носят диффузионный характер, который и определяет суммарную скорость ионного обмена. Расчеты диффузионных стадий базируются на законах Фика (см. параграф 9.3). Коэффициенты диффузии определяют экспериментально; их значения для внешней диффузии составляют 10–9м²∙ с^–1, а для внутренней (на второй и четвертой стадиях ионного обмена) – от 10^–10до 10^–15м²∙ с^–1.

Ионный обмен имеет некоторое сходство с адсорбцией – на поверхности твердого тела происходит концентрирование ионов растворенного вещества. В то же время ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение – в обмен на адсорбцию ионит отдает в раствор эквивалентное количество другого иона с зарядом того же знака. Подобный процесс в случае адсорбции отсутствует. На практике, однако, трудно провести грань между процессами адсорбции и замещения, особенно учитывая, что адсорбенты могут быть одновременно и ионитами.

Различают природные и синтетические иониты. К природным относятся алюмосиликатные материалы – монтмориллонит, гидрослюда, цеолиты и др., а к синтетическим – ионообменные смолы. сульфированные угли (сульфоуголь), ионообменные целлюлозы, содержащие следующие функциональные группы: –SO₃H, –COOН, –РО(ОН)₂, –CH₂OH.

Ионообменные свойства ионитов характеризуются некоторыми особенностями. Oни селективны, т.е. проявляются для определенных ионов и зависят от ряда условий, в том числе от рН среды. Ионообменная способность ионитов небезгранична. Она характеризуется емкостью, показывающей, какое число г-экв ионов может адсорбироваться на 1 кг сухого ионита. В связи со специфичностью свойств ионитов их ионообменную способность (емкость) определяют по отношению к 0,1 н раствору NaOH (для катионита) или 0,1 н раствора НСl (для анионита) Поэтому емкость ионита является условной величиной. Именно эта величина приведена в табл. 6.2.

Иониты находят широкое применение в различных отраслях. Например, иониты в аналитической химии позволяют концентрировать мельчайшие количества определяемых веществ, оценивать состав и концентрацию различных ионов, удалять мешающие обмену ионы, разделять количественно компоненты сложных смесей.

Ионообменная адсорбция применяется для очистки от примесей, умягчения и обессоливания воды в очистительных сооружениях (в том числе и городских и в приборах индивидуального пользования), в атомной энергетике, в электронной и других отраслях промышленности, для гидрометаллургической переработки бедных руд различных цветных металлов, при получении лекарственных препаратов, для очистки сточных вод и других целей. Причем часто осуществляется комплексная очистка с помощью анионитов и катионитов.

Т а б л и ц а 6.2

Иониты, применяемые в пищевой промышленности

Иониты различного класса применяют в пищевой промышленности для химическою анализа пищевых продуктов (табл. 6.2). Иониты широко используют для очистки воды и для удаления различных примесей, содержащихся в жидких пищевых массах и полупродуктах. Например, для тщательного удаления красящих веществ свекловичного и тростникового соков на заключительной стадии обработки применяют иониты. Первоначально сок пропускают через катионит для удаления одновалентных и двухвалентных катионов (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺и др.). Ионный обмен происходит по схеме (6.20). Катионит поглощает катионы, отдавая при этом раствору ионы Н⁺. При помощи анионного обмена, который протекает по схеме (6.21), улавливают анионы Сl^–, SO^2-₃, SO^2-₄и др., а в раствор переходят анионы анионита.

Ионный обмен имеет место в почве, и ее ионообменная емкость является одной из характеристик, определяющих ценность почвы.

Почва представляет собой сложную дисперсную систему, в состав которой входят высокодисперсные частицы размером от 0,001 до 0,2 мкм. Они образуют коллоиды почвы и своеобразный почвенный комплекс. В его состав входят нерастворимые в воде алюмосиликатные, органические и органоминеральные соединения (глина, гумус), которые формируют своеобразный ионит. Благодаря огромной поверхности почвенный комплекс обладает повышенной адсорбционной и ионообменной способностью, главным образом катионообменной. Катионообменные свойства являются основной причиной поступления в почву и удержания в ней многих важных для питания растений катионов. Например, при поглощении ионов кальция и магния, которые необходимы для развития растений, ионный обмен протекает по следующей схеме:

Ca²⁺[...]^2– + 2H⁺ → H2+ [...]^2– + Ca²⁺. (6.22)

Почвенный Растение Почвенный Растение
комплекс комплекс

↑

Ca²⁺

Почвенный раствор

Кислые и щелочные почвы неблагоприятны для развития растений. Поэтому кислотность почвы, т.е. величина рН, является важнейшим ее показателем. Если в нейтральных почвах ионообменную емкость почвенного комплекса определяют катионы Ca²⁺и Mg²⁺, а в кислых – Al³⁺и Н⁺, то для щелочных почв катионный обмен обусловлен ионом Na+. Подкисление почв происходит за счет выделения корнями растений ионов водорода, угольной и органических кислот.

Для бедных почв (подзол, суглинок) обменная емкость недостаточна для проявления ионообменных свойств и составляет 0,05 – 0,2 г-экв/кг. В черноземных почвах (их ионообменная способность 0,6 – 0,8 г-экв/кг) осуществляется ионный обмен за счет ионов Са²⁺и Mg²⁺.

Путем известкования можно возродить плодородие кислых почв, к которым относятся и торфяные почвы, так как их ионообменные свойства определяются катионом Н⁺. Для придания этим почвам необходимых свойств производят их известкование или обработку аммиачной селитрой.

H₂⁺[...]^2–+ Ca(OH)₂→ Ca²⁺[...]^2– + 2H₂O,

Н⁺[...]^–+ NH₄OH → NH₄⁺ [...]– + H₂O. (6.23)

Торф Торф

Торф приобретает катионы Ca²⁺и , которые затем усваиваются растениями в результате ионного обмена [см. схему (6.22)]. Известкование почв можно проводить путем введения кальциево-магниевых карбонатных пород (известняков, доломитов и др.).

Таким образом, ионообменные адсорбционные процессы не только широко применяются в различных отраслях промышленности, но и имеют прямое отношение к урожайности сельскохозяйственных культур и качеству растительного сырья.