Применение ионного обмена

В настоящее время ионный обмен находит широкое применение в самых различных отраслях народного хозяйства, в экологии для очистки воды и извлечения ценных примесей. Рассмотрим отдельные примеры применения ионного обмена.

1. Обессоливание (деминерализация) воды – удаление СаCl₂,
МgCl₂ и т.д. Процесс обессоливание состоит в пропускании засоленной воды через колонки, заполненные катионитом в Н⁺-форме и анионитом
в ОН^--форме. На катионите происходит поглощение из воды ионов Са²⁺ и Мg²⁺-ионов и замена их на ионы Н⁺ по схеме:

При поступлении воды, содержащей НСl во вторую колонку на анионите происходит замена ОН^–-группы ионита эквивалентным числом анионов Сl^- кислоты по схеме:

На выходе из колонки с анионитом получают полностью деминерализованную воду, не уступающую по степени очистки дистиллированной воде.

2. Опреснение воды на морских судах и космических кораблях:

;

3. Ионный обмен в почвах. Почва способна поглощать катионы и , содержащиеся в удобрениях и необходимые для питания растений. Взамен этих катионов почва выделяет эквивалентное количество других катионов, например и . Анионы, как, например , , , почти не поглощаются почвой. От природы поглощенных ионов в значительной мере зависят физические и агротехнические свойства почвы.

4. Извлечение ценных примесей, например, урана золота, серебра решается во многих случаях сравнительно легко, благодаря их высокой адсорбционной способности. В настоящее время нет производства по переработки урановых руд, в котором не применялся бы ионный обмен.

5. Очистка заводских сточных вод – удаление ионов тяжелых металлов (Zn²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Cu²⁺).

Большое значение ионный обмен имеет при охране окружающей среды. Так, например, в сточных водах многих производств содержатся ионы тяжелых металлов, которые очень вредны для живых организмов. Так как концентрация тяжелых металлов в сточных водах очень мала, то применение обычных методов очистки (например, осаждение) неэффективно и дорого. Сточные воды пропускают через катионит, содержащий не ион водорода, а, например, ион натрия. Ионы тяжелых металлов, обмениваясь на ион натрия, поглощаются катионитом, из которого их легко можно извлечь и использовать в дальнейшем производстве:

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия.

Примеры ионообменной очистки: ионы цинка извлекают на катионитах КУ-2 и КБ-4, ионы меди катионитом КУ-1, ионы никеля катионитом КЧ-2, хромат и бихромат-ионы анионитами АВ-17, АН-18П, АН-25.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое адсорбция? Какие виды адсорбции вы знаете?

2. В чем основное отличие физической адсорбции от хемосорбции?

3. Какие теории адсорбции вы знаете? В чем суть каждой из теорий?

4. Каким образом можно рассчитать удельную поверхность адсорбента?

5. В чем особенность адсорбции на пористых сорбентах?

6. В чем особенность адсорбции на границе раздела жидкость–газ? Какие уравнения используют для описания адсорбции на этой границе?

7. В чем отличие ПАВ и ПИВ? Какова их природа? Примеры.

8. Каким образом можно рассчитать молекулярные характеристики адсорбата?

9. Какие виды адсорбции на границе твердое тело–раствор вы знаете?

10. Какие адсорбенты используют для адсорбции органических веществ из водных растворов? Почему?

11. Какие ионы будут преимущественно адсорбироваться на поверхности ионных кристаллов?