Глава 1. Теоретические основы ионообменных процессов

1.1. Иониты. Классификация. Ионообменная емкость

1.1.1. Классификация ионитов

Иониты или ионообменники представляют собой органические или неорганические вещества практически нерастворимые в воде и большинстве растворителей, содержащие активные (ионогенные) группы с подвижными ионами и способные обменивать эти ионы на эквивалентные количества ионов электролитов при контакте с их растворами.

В табл. 1 представлены важнейшие синтетические и природные типы ионитов.

Таблица 1

Типы ионитов

Неорганические иониты
природные	синтетические
1. цеолиты	1. плавленые цеолиты
2. глинистые минералы	2. цеолиты с плавленой кристаллической структурой
3. глаукониты	3. активированные минералы
4. апатиты	4. гелеобразные цеолиты
	5. гидроокиси железа, алюминия, циркония
Органические иониты
природные	синтетические
1. ископаемые угли	1. активированные угли
2. целлюлоза, крахмал, хлопок	2. активированные органические вещества: шерсть, хлопок, древесина, бумага.
	3. ионообменные смолы
	4. ионообменные мембраны
	5. электроионообменники
	6. жидкие иониты

Иониты, обладающие кристаллической решеткой, по современным представлениям содержат в узлах решетки ионы, удерживаемые электростатическими силами. Кристаллические решетки могут иметь высокую пористость. Пористую решетку имеют водные алюмосиликаты Ca и Na – цеолиты. Например, шабазит – (Ca,Na₂)·[Al·Si₂O₆]·6H₂O, натролит – Na₂[Al₂·Si₃O₁₀]·2H₂O.

Замещение в каркасе кристаллической решетки Si₄⁺ на Al₃⁺ сообщает каркасу отрицательный заряд, который компенсируется подвижными ионами Ca₂⁺ или Na⁺. Наличие «пустот» в каркасе цеолита создает условия для обмена подвижных катионов на катионы раствора.

Глинистые обменники типа монтмориллонита (общий состав SiO₂, AL₂O₃, Fe₂O₃, MgO, CaO, H₂O) имеют слоистое строение и значительно набухают в водных растворах. Поглощенная вода и способные к обмену ионы находятся между слоями. Обмен происходит при диффузии ионов раствора в межслоевое пространство [34].

У ионитов с плотной упаковкой кристаллов в решетке, таких как глаукониты, суспензии глин, гидроокиси железа и алюминия способность к ионному обмену связана с образованием двойного электрического слоя. У такого типа ионитов наличие на внешней поверхности ионов с некомпенсированными зарядами приводит к образованию диффузного слоя ионов во внешнем растворе.

Широкое применение находят синтетические ионообменные смолы, представляющие собой гели полиэлектролитов.

В каждом ионите можно выделить каркас, который несет положительный или отрицательный заряд. Активные группы жестко неподвижно связанные с этим каркасом или, как иногда называют, с матрицей ионита называются фиксированными ионами (рис. 1).

Рис. 1. Схема зерна ионита

Заряд каркаса компенсируется зарядом ионов противоположного знака, так называемых противоионов. Противоионы подвижны и могут быть в процессе обмена заменены на противоионы другого вида, но того же знака заряда. При этом должно быть выполнено условие электронейтральности ионита. При помещении ионита в раствор в его поры проникает растворитель и в какой-то степени растворенные вещества. Поглощение растворителя обуславливает набухание ионита.

Таблица 2

^{Активные группы ионообменных смол}

Катиониты		Аниониты
Фиксированный ион	Противоион	Фиксированный ион	Противоион
	H+		OH–
	H+		OH–
	H+	NH+	OH–
	H+	\ = N+ /	OH–
	H+

Частично в ионит проникают и ионы, имеющие заряд, одинаковый с зарядом фиксированных ионов. Такие ионы называют ко-ионами. В табл. 2 приведены активные группы ионообменных смол.

При контакте ионообменных смол с растворами электролитов подвижные противоионы замещаются на эквивалентные количества ионов раствора электролита:

(для катионита)

(для анионита)

В зависимости от противоиона, которым насыщена ионообменная смола, различают: Н-форму, Сl-форму для анионитов.

Кроме катионитов и анионитов существуют иониты, содержащие кислые и основные группы одновременно – амфотерные иониты (амфолиты).

Ионообменные смолы, содержащие одного вида фиксированные ионы называются – монофункциональными. Иониты, содержащие различные группы фиксированных ионов – полифункциональными.

Как и электролиты, в зависимости то степени диссоциации активных групп ионообменные смолы делятся на сильные и слабые кислоты и основания. Сильнокислотные иониты способны к обмену ионов в щелочной, нейтральной и кислой среде (рис. 2).

Рис. 2. Классификация ионитов