Ионообменная сорбция. 
Экология

Ионообменная очистка — это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита. Очистка производственных сточных вод данным методом позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и соединений радиоактивных веществ. При этом обеспечивается высокая эффективность очистки и получение выделенных из сточной воды металлов в виде относительно чистых и концентрированных солей.

Метод позволяет очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

Процессы ионообменной очистки воды включают чередующиеся стадии сорбции солей ионитами и регенерации последних (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Схема установки для ионообменной очистки.

Иониты — это высокомолекулярные органические соединения, практически нерастворимые в воде и органических растворителях. Иониты подразделятся на природные и искусственные (синтетические). Различают также неорганические (минеральные) и органические иониты.

Иониты, проявляющие кислотные свойства, называются катионитами. Если же иониты проявляют основные свойства и поглощают отрицательные ионы, то они называются анионитами.

В зависимости от степени диссоциации различают следующие виды ионитов:

• • сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруипы S0₃H, и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;
• • слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при pH > 7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные МН₂ и вторичные NH аминогруппы, диссоциирующие при pH < 7;
• • иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.

К неорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, нолевые шпаты, различные слюды. Их катионообменные свойства обусловлены содержанием алюмосиликатов. К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикагели, пермутиты, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония). Катионообменные свойства, например, силикагеля обусловлены обменом ионов водорода гидроксидных групп на катионы металлов, проявляющиеся в щелочной среде. Катионообменными свойствами обладают и пермутиты, получаемые сплавлением соединений, содержащих алюминий и кремний.

Органические природные иониты — это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли являются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильнои слабокислотные группы. К недостаткам таких ионитов относятся их малая химическая стойкость и низкая механическая прочность зерен, а также небольшая обменная емкость, особенно в нейтральных средах.

К достоинствам ионитов следует отнести:

• • селективность ионитов;
• • возможность целенаправленного синтеза;
• • механическую, химическую, термическую и радиационную устойчивость;
• • высокую обменную способность и хорошие регенерационные качества.

Можно выделить следующие основные области применения ионитов'.

• • процессы опреснения, обессоливания воды и подготовки ее для технических целей;
• • очистка промышленных сточных вод с целью извлечения и концентрирования ценных или вредных (токсичных) компонентов, а также обезвреживание этих вод;
• • гидрометаллургия цветных, редких, рассеянных и радиоактивных элементов (очистка, разделение, концентрирование);
• • химический анализ, препаративная химия;
• • радиохимия, органический синтез, химия комплексных соединений, медицина, пищевая промышленность.

Ионный обмен является одним из широко используемых и перспективных физико-химических регенеративных методов.

Способность к ионному обмену определяется строением ионита, основу которого составляет высокомолекулярный каркас, или так называемая матрица, связанная валентными силами или силами решетки. Матрица несет на себе положительный (анионит) или отрицательный (катионит) заряд, который компенсируется противоположным зарядом противоионов, находящихся в фазе ионита. Заряд матрице придают фиксированные (неподвижные) ионы, вводимые при синтезе. Противоионы подвижны в каркасе ионита и в силу этого могут заменяться другими ионами из раствора. Реакции ионного обмена характеризуются стехиометричностыо и обратимостью:

В настоящий момент широко используются синтетические органические иониты — ионообменные смолы с развитой поверхностью, представляющие собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами (противоионами). При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде, а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RS0₃H, где R — матрица, S0₃ — фиксированный ион, Н — противоион.

Если в состав ионитов входят одинаковые активные группы, то такие материалы называются монофункциональными. Иониты, которые содержат функциональные группы различной химической природы, называются полифуикциоиальиыми.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так называемая обменная емкость, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и рабочую (динамическую) обменные емкости.

Полная емкость ионита — количество находящихся в сточной воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения.

Статическая емкость — это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая обменная емкость обычно меньше полной емкости.

Рабочая (динамическая) емкость ионита — количество находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов. Динамическая емкость соответственно меньше статической емкости.

При нагревании ионитов в воде и на воздухе возможно разрушение их зерен, отщепление активных групп, что приводит к уменьшению их емкости. Для каждого ионита имеется температурный предел, выше которого его использовать нельзя. Термическая устойчивость анионитов ниже, чем катионитов.

Величина pH сточной воды, при которой происходит обмен ионами, зависит от константы диссоциации ионообменных групп смолы. Сильнокислотные катиониты позволяют проводить процесс в любых средах, слабокислотные — в щелочных и нейтральных средах.

Селективность ионного обмена зависит от величины давления набухания в порах смолы и размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в состав смолы вводят вещества, способные образовывать с ионами этих металлов внутрикомплексные соединения.