Ионный обмен как метод очистки сточных вод

Ионный обмен можно рассматривать как гетерогенную химическую реакцию и представить в виде примера следующими уравнениями:

а) катионный обмен:

б) анионный обмен:

Промежуточное положение между катионитами и анионитами занимают амфолиты, которые включают кислотные и основные ионогенные группы, выступая (в зависимости от условий проведе­ния процесса) в роли катионита или анионита.

В соответствии со степенью ионизации в растворе катиониты делятся на сильнокислотные (КУ) и слабокислотные (КБ); аниониты подразделяют на высокоосновные (АВ) и низкоосновные (АН).

По степени пористости синтетические иониты можно подразде­лить на гелевые и макропористые. Макропористые иониты обла­дают гораздо более развитой пористой структурой, чем гелевые, что значительно ускоряет транспорт вещества внутри гранулы.

При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентное количество ионов раствора электролита. В зависимости от противоиона, которым насыщена ионо­обменная смола, различают Н-форму, N-форму, Са-форму и т. п. для катионитов и соответственно ОН-форму, Сl-форму и т.п. для анионитов. Отметим, что активные группы находятся во всем объеме ионитов. Трехмерная структура ионита представляет собой как бы губку, в порах которой при набухании находятся раствори­тель и противоионы. Для обмена ионы раствора должны продиффундировать в матрицу и обменяться с ее противоионами.

Кинетические свойства ионообменных смол и их обменная емкость зависят также от строения матрицы. В зависимости от сшивки углеводородных цепей меняется набухаемость ионита. Уве­личивая степень сшивки, можно добиться такого размера элемен­тарной ячейки матрицы, когда диффузия ионов внутрь ионита будет невозможна из-за их размеров. В этом случае ионный обмен возможен только на поверхности частицы ионита. Матрица ионита вместе с фиксированными ионами в растворах представляет собой твердый нерастворимый полином, заряд которого компенсируется зарядами противоионов противоположного знака.

У катионитов фиксированные ионы заряжены отрицательно, у анионитов - положительно.

Сильнокислотные катиониты способны к обмену ионов в ще­лочной, нейтральной, кислой средах. В качестве фиксированных ионов сильнокислотные компоненты обычно содержат группу SO₃^-.

Слабокислотные катиониты способны к обмену катионов только при

рН ≥ 7. В качестве фиксированных ионов они имеют различные слабодиссоциирующие группировки, например — СОО^-.

Сильноосновные аниониты способны к обмену в широком диа­пазоне рН. Эти аниониты наиболее часто содержат в качестве фиксированных ионов группу N ⁺.

Слабоосновные аниониты способны к обмену анионов только при рН < 7. К ним относятся аниониты с первичными, вторичными и третичными аминогруппами.

Некоторые иониты содержат одновременно сильно- и слабодиссоциирующие активные группы.

Ионообменные смолы обладают большой емкостью, химиче­ской стойкостью и механической прочностью. Изменяя состав активных групп и матрицы, получили ионообменные смолы самых различных свойств.

Сорбционную способность иони­тов оценивают полной обменной емкостью, рабочей и равновесной обменной емкостью. Полная обменная емкость равняется общему числу ионогенных групп на единицу массы или объема ионита (экв/г или экв/см³) и представляет собой предельную сорбционную спо­собность ионитов. Рабочая емкость не является чисто статической (равновесной) характеристикой ионита, так как представляет собой среднюю рабочую концентрацию сорбированного иона, отнесенную ко всему объему ионита в неподвижном слое при проведении неравновесного сорбционного процесса. Рабочая концентрация за­висит как от статических факторов, так и от скорости массопередачи.

Равновесная концентрация в ионите меньше полной обменной емкости, когда обратная реакция ионного обмена считается полно­стью подавленной. На равновесную концентрацию влияют все факторы, определяющие химическое равновесие реакции ионного обмена, включая величину рН и температуру.

Равновесные концентрации контактирующих фаз в процессах ионного обмена, как и в случае адсорбции, связаны уравнением изотермы (рис. 1).

Рис.1. Изотерма ионного обмена.

Наиболее часто уравнение изотермы уста­навливают на основе закона действующих масс. Взяв в качестве примера реакцию катионного обмена, записанную в общей форме:

получим уравнение изотермы

Как и в случае адсорбции, задача нахождения профиля концентраций в контактирующих фазах, длины слоя или времени процесса заключается в решении системы уравнений материального баланса, кинетики и изотермы.

В случае равнозарядных ионов решение задачи кинетики ионного обмена и ленгмюровской адсорбции в отсутствие продольного перемеши­вания представляется едиными уравнениями, разли­чающимися лишь выражением фактора разделения. В случае более сложных изотерм решение системы уравнений кинетики обычно находят численным методом с помощью ЭВМ.

Кинетика ионного обмена в неподвижном слое адсорбента, как и в случае адсорбции, может быть описана основным уравнением массопередачи. Отличительной особенностью кинетики ион­ного обмена является наличие стадии гетерогенной химической реакции, скорость которой обычно выше скорости диффузионных стадий процесса. Кроме того, следует учесть, что при ионном обмене скорость массопередачи часто лимитируется внутренним массопереносом.

Поиск по сайту: