Ионообменные процессы. Регенерация анионитов и катионитов. Равновесие в ионообмене

Пахт

Это разновидность адсорбции. Ионообменные процессы – массообменные процессы, при которых жидкие электролиты взаимодействуют с твердыми веществами (ионитами), способными заменять имеющиеся у них свободные ионы на ионы находящиеся в растворе.

Область применения: умягчение воды, для опреснения воды, очистка сточных вод, разделение растворов, в аналитической химии, производство ряда пищевых продуктов.

Ионный обмен - обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, фиксированный ион которой ковалентно связан с каркасом(матрицей) ионита, а противоион подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из «внешнего» раствора. Благодаря эквивалентности обмена ионами обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса.

По способности к обмену соответствующих ионов иониты можно разделить на катиониты, аниониты и амфолиты. Катиониты поглощают из растворакатионы, например, щелочных и щелочноземельных металлов или органические катионы, а выделяют ионы Н⁺. Аниониты поглощают разнообразные анионы, выделяя при этом ионы ОН^-. Амфотерные ионообменники или амфолиты обменивают катионы или анионы в зависимости от рН среды. В кислой среде они обменивают катионы, а в щелочной – анионы.

Ионный обмен зависит от рН среды, природы обменивающихся ионов и концентрации их во «внешнем» растворе, количества ионных групп в поверхностном слое ионитов, от величины удельной активной поверхности ионита и, наконец, от пористости ионитов. Пористость ионитов может характеризоваться отношением объема пор к общему объему ионообменника.

Катиониты представляют собой полимерные кислоты, способные к обмену катионов, например, по реакции

.

Аниониты можно рассматривать как полимерные основания, способные к обмену анионов:

Первое необходимое условие для осуществления ионного обмена - диссоциация ионогенных групп ионита. Ионогенные группы сильнокислотных катионитов и сильноосновных анионитов всегда диссоциированы и способны вступать в ионный обмен при любых значениях рН. Слабокислотные катиониты «работают» лишь и нейтральной и щелочной средах, слабоосновные аниониты - в нейтральной и кислых. В этих условиях их обменная емкость также приближается к «полной обменной емкости», определяемой числом ионогенных групп, содержащихся в1 г. сухого ионита. Кроме диссоциации ионогенных групп, необходимым условием ионного обмена является достаточная проницаемость фазы ионита. Обменивающиеся ионы транспортируются «свободной» водой, не входящей в гидратную оболочку фиксированных ионов.

Количество такой воды в ионите падает с ростом степени сшивки каркаса, с уменьшением числа и степени диссоциации ионогенных групп, с ростом концентрации внешнего раствора.

По происхождению ионообменные адсорбенты можно разделить на природные и искусственные.

Иониты: природные: (глина, уголь, апотиты). Недостаток: не стойки в щелочах и кислотах, что ограничивают и применение.

Искусственные: (молекулярные сито, синтетические смолы, плавленые цеолиты, гидрооксиды железа алюминия)

R⁺ М⁺ Rа^- А^-

R⁺ -катионит, Rа^- -анионит, М⁺₁ - обмениваемый катион, М⁺₂ – удаляемый из раствора электролита катион, А^-₁ – обмениваемый анион, А^-₂ – удаляемый из раствора электролита анион.

1) Удаление из раствора посторонних катионов

М⁺₂ + R⁺ М⁺₁ ↔ М⁺₁ + R⁺ М⁺₂

2) Удаление из раствора посторонних анионов

А^-₂+ Rа^- А^-₁↔ А^-₁+ Rа^- А^-₂

3)Удаление из раствора соли

М⁺₂ А^-₂+ R⁺ М⁺₁ ↔ М⁺₁ А^-₂+ R⁺ М⁺₂

М⁺₁ А^-₂+ Rа^- А^-₁↔ М⁺₁ А^-₁+ Rа^- А^-₂

4)Получение особо чистой воды (это вещество, где на 1млн чистого вещества приходится 1 часть пыли)

М⁺₂ А^-₂+ R⁺ Н⁺↔ Н⁺ А^-₂+ R⁺ М⁺₂

Н⁺ А^-₂+ Rа^- ОН^-↔ Rа^- А^-₂+Н₂О

5)Регенерация ионитов

Регенерация — это восстановление первоначальных свойств и состава отработанных продуктов после завершения технологического процесса.

Для регенерации катионита, насыщенного извлекаемыми из электролита катионами, используют растворы кислот:

R ⁺ М⁺₂ +НСl (8-10%)↔ R ⁺ H⁺+ М⁺₂Сl^-

а регенерация анионита осуществляется раствором щелочи:

Rа^- А^-₂+NaOH(8-10%)↔ Rа^- OH ^- +Na⁺ А^-₂

После регенерации ионитов необходима тщательная отмывка их водой от следов регенерирующих растворов.

Кинетика ионного обмена

-природа вещества (поглощаемого)

-температура

-концентрация извлекаемого компонента

Изотерма Фрейндлиха: a=AC^1/β,a-активность,С-концентрация в воде,А,β-эмпир.коэф.

1.Чем ниже валентность извлекаемого компонента,тем лучше идет процесс.

2.Чем ниже температура,тем ионно-обменный процесс идет активнее

3.Чем ниже концентрация извлекаемого компонента,тем активнее идет процесс.

Активность от давления не зависит.

Материальный баланс: Lda=G(-dc), L(a_к-а_н)=G(с_н-с_к)

Процесс состоит из 7 стадий: I- перемещение извлекаемого катиона из среды к пов-ти раздела фаз; II- прохождение извлекаемого катиона через пов-ть раздела фаз; III- перемещение ивлек. катиона в теле ионита; IV- химич. реакция замены катиона извлекаемого на катион свободный; V- перемещение свободного иона в теле ионита к пов-ти раздела фаз; VI- переход свободного иона через границу раздела фаз; VII- перемещение свободного иона в поток омывающего ионит вещества. Лимитирующая стадия – VII – по ней рассчитывается кинетика процесса ионообмена.

GdM/Vdτ=β_V(c-c_p)dFdτ

Nu_дV=mReⁿ, Nu_дV=β_Vd²_зер/D_c, Re=wd_зер/ν_с

d_зер – среднеквадратичный диаметр зерна ионита.

Стадииионообмена: 1) процесс ионообмена; 2) регенерация; 3) отмывка ионообменного вещества от регенерирующего раствора.

Преимущество имеют аппараты с неподвижным псевдоожижженым слоем.

Поиск по сайту: