Ионный обмен

ИОННЫЙ ОБМЕН, массообменный процесс перераспределения ионов между раствором электролита и ионитом. Обмен ионов в системе ионит-раствор происходит в эквивалентных количествах и обратим. Состояние равновесия при ионном обмене обычно изображается графически в виде изотермы равновесия, которая позволяет количественно оценить величину равновесной обменной ёмкости ионита и его селективность в зависимости от разных факторов. На положение равновесия ионного обмена влияют природа и концентрация ионита и извлекаемых ионов, температура и pH раствора электролита и др. Способностью к ионному обмену обладают многие природные вещества, например глины, цеолиты, апатиты, угли. Явление ионного обмена было открыто в 1850-х годах при исследовании поглотительной способности почв (английские химики Г. Томпсон и Дж. Уэй).

Процесс ионного обмена состоит из следующих последовательных стадий: перенос извлекаемого иона из раствора к поверхности ионита; перенос извлекаемого иона через поверхность раздела фаз раствор-ионит; диффузия извлекаемого иона в ионите; химическая реакция обмена ионов; диффузия замещённого иона к поверхности ионита; перенос замещённого иона через поверхность раздела фаз ионит-раствор; перенос замещённого иона от поверхности ионита в раствор. Реакция обмена ионов для сильнокислотных или сильноосновных ионитов происходит практически мгновенно и, как правило, не является лимитирующей стадией; наиболее медленно протекают перенос ионов через поверхность раздела фаз раствор-ионит и диффузия ионов в ионите, что характерно для обычных сорбентов. Для слабокислотных или слабоосновных ионитов стадия обмена ионов является лимитирующей.

Цикл технологического процесса ионного обмена включает следующие этапы: сорбция ионитом извлекаемых ионов из раствора; отмывка ионита от исходного раствора; регенерация ионита; отмывка ионита от регенерирующего раствора. В промышленности наибольшее распространение получили искусственные иониты - плавленые цеолиты, гидроксиды железа и алюминия, синтетические ионообменные смолы (аниониты и катиониты). Регенерацию катионитов осуществляют обычно слабыми (0,5-5% по массе) растворами НСl, анионитов - слабыми (2-4%) растворами NaOH. Растворами NaCl (8-12%) регенерируют и катиониты, и аниониты.

Аппаратура для ионного обмена классифицируется на периодически действующие аппараты с неподвижным слоем ионита и непрерывно действующие аппараты; последние подразделяются на аппараты с движущимся слоем ионита и ступенчатые - с псевдоожиженным слоем ионита на ступенях. Расчёт ионообменных аппаратов сходен с расчётом аппаратов для проведения процессов адсорбции.

Ионный  обмен  применяется для удаления из водных растворов нежелательных ионов при получении деминерализованной и особо чистой воды, в процессах водоподготовки на ТЭЦ и АЭС, очистки сточных вод, обессоливания и опреснения воды, подготовки сырья в ряде пищевых производств, для извлечения металлов в гидрометаллургии и др. Ионный обмена используется в аналитической химии (например, для удаления мешающих определению ионов); на явлении ионного обмена основана ионообменная хроматография. Ионный  обмен  имеет большое значение в процессах жизнедеятельности, в частности лежит в основе усвоения минеральных веществ клетками корней высших растений.

Лит. : Иониты в химической технологии / Под редакцией Б. П. Никольского, П. Г. Романкова. Л., 1982; Смирнов Н. Н., Волжинский А. И., Константинов В. А. Расчет и моделирование ионообменных реакторов. Л., 1984.

Д. А. Баранов.