Ионообменная адсорбция. Ионный обмен

Ионообменная адсорбция является наиболее распространенным видом ионной адсорбции.

Ионообменная адсорбция – процесс обмена ионов между раствором и ионообменником (сорбентом). При этом сорбент поглощает из раствора ионы одного знака (катионы или анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число ионов того же знака.

Ионообменники (иониты) – высокомолекулярные полиэлектролиты, состоящие из синтетического нерастворимого каркаса с привитыми функциональными группами кислотного (–SO₃Н, –COOН и др.) и основного (=NH, –NH₂ и др.) характера. Иониты классифицируют:

· по происхождению – на природные и синтетические;

· по составу – на неорганические и органические;

· по знаку зарядов обменивающихся ионов – на катиониты (обменивающиеся с раствором катионами), аниониты (обменивающимися с раствором анионами), и амфолиты (вещества, которые в зависимости от условий могут обмениваться как катионами, так и анионами).

Широкое распространение получили синтетические органические иониты – ионообменные смолы. Эти вещества состоят из жесткой высокомолекулярной матрицы (каркас, сетка, скелет), включающей фиксированные ионы одного знака и пропитанные раствором, который содержит в основном подвижные противоионы. Ионообменные смолы подразделяют на категории:

· сильнокислотые катиониты с активной сульфогруппой (–SO₃Н) марки КУ-2, СДВ-3, СБС;

· слабокислотные катиониты с активными группами (–OН,
–COOН, –SiOН) марки КБ-4, КБ-4П-2;

· слабоосновные аниониты с активными группами (=NH, –NH₂, ≡N) марки АН-2Ф, А-1;

· полифункциональные, включая амфолитные.

Обмен ионов на твердой поверхности количественно характеризуется уравнениемизотермы ионного обмена Б.П. Никольского:

, (3.43)

где q ₁, q ₂ – содержание обменивающихся ионов в сорбенте, моль/г;
С ₁, С ₂ – концентрации обменивающихся ионов в растворе; z ₁, z ₂ – заряд ионов; k – константа ионного обмена.

При z ₁ = z ₂ = 1 уравнение упрощается:

. (3.44)

Для данного ионита константа ионного обмена k характеризует относительное сродство обменивающихся ионов к иониту, т.е. селективность ионита к тому или другому иону. Ион, обладающий большим сродством к иониту, лучше сорбируется при прочих равных условиях.

Особенности ионообменной адсорбции:

1. Адсорбция специфична, каждый адсорбент (ионит, ионообменник) обменивается определенными типами ионов.

2. Ионообменная адсорбция не всегда обратима.

3. Протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция.

4. При обменной адсорбции может измениться рН среды.