Практическая работа 5 теоретические основы сорбции и ионного обмена

Цель работы: изучить теоретические основы процессов сорбции и ионного обмена, виды сорбентов, ионитов и ионообменных смол, а также рассмотреть факторы, влияющие на качество очистки.

Теоретические сведения

Сорбция и ионный обмен – одни из наиболее эффективных методов концентрирования металлов из производственных растворов, растворов выщелачивания и глубокой очистки сточных вод.

Сорбция – процесс извлечения вредных веществ из сточных и других вод твердым телом или жидкостью – сорбентом. Различают абсорбцию, адсорбцию и хемосорбцию.

Абсорбция – переход поглощённого вещества с поверхности поглотителя (абсорбента) в его объем с образованием раствора.

Адсорбция – поглощение вещества поверхностью поглотителя (адсорбента), как твердого, так и жидкого.

Хемосорбция – химическое взаимодействие растворённых веществ с поглотителем.

В качестве сорбента практически могут служить все мелкодисперсные вещества, обладающие развитой поверхностью – опилки, зола, торф, глины, коксовая мелочь и др.. Но чаще всего используются специально приготовленные сорбенты – активированные угли, ионообменные смолы (иониты), активированные природные сорбенты (например, бентонитовые глины).

Ионный обмен – процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе.

Иониты – твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но не растворимые в ней.

Ионообменные смолы – сетчатые, трехмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие ионогенные группы, т.е. группы, способные к обмену ионов.

По знаку заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Существуют также амфотерные иониты — амфолиты, способные одновременно осуществлять и катионный и анионный обмен.

Если обозначить через R каркас (с фиксированными ионами), то реакция катионного обмена может быть выражена уравнением

2RH + Са²⁺ ↔ R₂Ca + 2Н⁺,

а реакция анионного обмена

2RC1+SO₄^2¯ ↔ R₂ SO₄+ 2С1¯

Ионный обмен имеет некоторое сходство с адсорбцией. Отличие состоит в том, что ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: на каждый эквивалент поглощённых ионов ионит отдает в раствор эквивалент ионов того же знака, тогда как адсорбция состоит лишь в поглощении растворенного вещества.

В технике уже давно (преимущественно для очистки воды) нашли применение минеральные иониты — различные алюмосиликаты, группы цеолитов, монтмориллонит (глинистый минерал), а также железоалюмосиликаты — глаукониты. Используются также синтетические неорганические иониты — пермутиты и силикагели. Ёмкость минеральных и синтетических неорганических ионитов сравнительно мала, кроме того, они разлагаются кислотами и щелочами, что ограничивает их применение.

Широкое применение ионитов в гидрометаллургии, химической технологии и других областях началось после создания ионообменных синтетических смол. Выпускаемые в настоящее время ионообменные смолы, обладающие высокой ёмкостью, химической стойкостью и механической прочностью, вытеснили другие ионообменные материалы.

Ионообменные смолы применяют для решения целого ряда различных задач:

- селективное извлечение металла из бедного раствора и получение

более концентрированного раствора извлекаемого металла (напри-

мер, извлечение урана из растворов выщелачивания урановой ру-

ды, золота из основных растворов переработки золотосодержащих

руд ряда цветных и редких металлов);

- разделение близких по свойствам элементов: РЗЭ, Zr и Hf и др.;

- получение высокочистой и умягченной воды;

- очистка от примесей различных производственных растворов и

обезвреживание сточных вод.

От степени диссоциации активных групп зависит способность смолы к ионному обмену. Соответственно, различают сильнокислотные катиониты (активные группы –SО₃H или –РО₃Н₂) и слабокислотные катиониты (активные группы –СООН). Аналогично этому различают сильноосновные и слабоосновные аниониты.

Сильноосновные аниониты содержат в качестве активных групп хорошо диссоциирующие четвертичные аммониевые основания –NOH или пиридиновые основания. Подобные смолы способны к обмену анионов не только в кислых, но и в щелочных средах.

Слабоосновные аниониты содержат первичные, вторичные и третичные аминогруппы, которые являются слабыми основаниями и диссоциируют лишь при рН ниже 7.