4. Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция -- широко распространенный вид адсорбции сильных электролитов. Ионообменной адсорбцией называют процесс, в котором адсорбент и раствор обмениваются между собой в эквивалентных количествах одноименно заряженными ионами:

RM, + MJ -» RM₂ + М+ или RA, + AJ -> RA₂ + Af

где RM,, RA, -- адсорбенты, содержащие катионы М, или анионы А, и способные к обмену соответственно с катионом М₂ и анионом А₂ в растворе. Они получили название ионитов. Это твердые природные или синтетические вещества, практически нерастворимые в воде и органических растворителях.

Иониты обладают сетчатой структурой (каркас, матрица) (рис. 19.20).

В сетке закреплены группы атомов R¹, несущих положительный или отрицательный заряд (фиксированные ионы). Этот заряд компенсируется так называемыми противоионами (М или А"). Фиксированные ионы вместе с подвижными противоионами (R~M* или R*A") называют ионогенными или функциональными группировками ионита.

По типу ионогенных групп иониты делят на катиониты R~M* (кислотные иониты, обменивающие катион) и аниониты R*A* (основные иониты, обменивающие анион).

Ионит, помещенный в воду или водный раствор, поглощает значительное количество воды (иногда до 50%), увеличиваясь при этом объеме. Поглощенная вода гидратирует ионогенные группы и вызывает их ионизацию. По степени ионизации ионогенных групп иониты делят на сильно- и слабокислотные катиониты и сильно- и слабоосновные аниониты.

Сильнокислотные катиониты в качестве ионогенных групп содержат остатки серной, фосфорной и других кислот. Слабокислотные -- карбоксильные, меркапто- и другие группы. Ионогенные группы сильнооснбвных анио-нитов представляют собой обычно группы аммониевых или сульфониевых оснований, а слабоосновные -- аминогруппы различной степени замещения, пиридиновые основания.

Зерно катионита можно рассматривать как гигантский поливалентный анион, отделенный физической поверхностью раздела от окружающей среды. Внутренняя часть такого поливалентного аниона пропитана раствором, содержащим большое число ионов водорода (или других катионов), способных обмениваться на катионы, находящиеся в жидкости, окружающей зерно катионита. Зерно анионита можно рассматривать как гигантский поливалентный катион, противоионами которого являются гидроксильные ионы (или другие анионы), способные обмениваться на анионы. [17]

Ионный обмен -- обратимый процесс, что дает возможность регенерировать использованные иониты. Регенерацию катионитов производят обычно промыванием раствором какой-либо кислоты, анионита -- раствором щелочи.

Для характеристики ионитов важно знать поглощающую способность ионита, которую характеризуют обменной емкостью: обменная емкость измеряется количеством вещества ионов, поглощенных 1 г сухого ионита из раствора в равновесных условиях.

Иониты широко используют как катализаторы реакций этерификации, гидратации и дегидратации; для обессоливания воды; для очистки сточных вод; в ионообменной хроматографии; для выделения и очистки аминокислот. [17]