Основы ионообменных процессов

---

Введение 
В ионообменных процессах осуществляется избирательное 
поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с 
помощью ионитов. Есть отличие между ионообменными процессами и 
обычными адсорбционными. Обмен ионами, происходящий между 
ионитами и раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной 
химической реакции между ионитом и химическими соединениями, 
находящимися в водном растворе. 
Ионный обмен — это процесс, в котором твердый ионит 
реагирует с раствором электролита, обмениваясь с ним ионами. Такой 
обмен происходит в природе, в живом организме ионообменные 
процессы имеют важное значение и в технике, где иониты применяют 
для очистки растворов, для улавливания ценных металлов, для 
разделения различных веществ. Исследования показывают реакцию 
обмена, помимо ионов-водорода, еще в состав входят ионы щелочного 
металла стекла. При этом они частично заменяются на ионы водорода, 
а сами переходят в раствор. Между поверхностным слоем стек ла и 
раствором устанавливается равновесие ионообменного процесса. 
Для все еще достаточно трудного в настоящее время разделения 
ионов щелочных металлов большие возможности представляют 
недавно синтезированные иониты на основе изо- и гетерополикислот. 
Ионообменные процессы ускоряются, с помощью применения 
новых растворителей, а также они способствуют расширению границ 
применения ионного обмена.

---

Основная
 часть 
Как устроен ионообменник, как работает и из чего состоит. 
Большое распространение в производстве имеют ионообменные 
установки периодического действия с неподвижным слоем ионита. Они 
состоят из цилиндрического корпуса и опорной решетки, на которой в 
свою очередь расположен слой гранулированного ионита. Для 
равномерного распределения раствора по площади поперечного сечения 
аппарата и предотвращения уноса мелких частиц ионита, имеются 
распределительные устройства в виде труб, а они снабжены колпачками 
или щелями для прохода раствора. Иногда в качестве 
распределительного устройства используют подушку из инертного 
зернистого материала (например гравия), который насыпают на 
решетку. 
Полный цикл работы аппарата складывается из следующих стадий: 
1) ионообмен; 
2) отмывка ионита от механических примесей, 
3) регенерация ионита; 
4) отмывка ионита от регенерирующего раствора. 
На первой стадии обрабатываемый раствор поступает через 
распределительное устройство, дальше проходит сквозь слой ионита 
сверху вниз и удаляется через распределительное устройство. На второй 
стадии через устройство подается под давлением промывная вода, 
которая проходит сквозь слой ионита снизу вверх и удаляется через 
распределительное устройство. Для регенерации отработанного ионита 
через распределительное устройство (насосом из бака) в аппарат 
поступает регенерирующий раствор, который движется, следующим 
образом, сквозь слой ионита в том же направлении, что и 
обрабатываемый раствор на первой стадии процесса. 

---

В качестве регенерирующих растворов при очистке воды 
используют растворы солей (например, хлористого натрия), а также 
растворы различных кислот и щелочей (серной кислоты, едкого натра и 
др). В некоторых ионообменных аппаратах исходный и 
регенерирующий 
растворы 
движутся 
в 
противоположных 
направлениях. При этом степень очистки повышается, так как 
обрабатываемый раствор, приближаясь к выходу из слоя ионита, 
взаимодействует с лучше отрегенерированной частью этого слоя. 
Когда стадия регенерации заканчивается, производят тщательную 
отмывку ионита от регенерирующего раствора водой, которая проходит 
сквозь слой в направлении сверху вниз. Пoсле этой завершающей стадии 
цикл работы аппарата начинается снова. 
Работа ионообменных установок в ряде случаев мoжет быть 
интенсифицирована при использовании движущегося или кипящего 
слоя ионита, способствующего повышению скорости сорбции и 
лучшему использованию емкости ионита. 
Ионообменные 
колонны 
периодического 
действия 
с 
неподвижным и взвешенным слоем могут применяться (как и обычные 
адсорберы) в виде батареи колонн в ионообменных установках 
непрерывного действия. Ионообменные колонны непрерывного 
действия могут работать с движущимся и кипящим слоем ионита.
В промышленной практике непрерывную ионообменную сорбцию 
из пульп в кипящем слое ионита проводят с помощью нескольких 
последовательно соединенных полых колонн с пневматическим 
перемешиванием. В каждой колонне осуществляется интенсивная 
циркуляция пульпы посредством сжатого воздуха, подаваемого в 
центральную трубу, которая работает по принципу эрлифта. 
Эрлифтное устройство прилагается также для транспортирования 
ионита от ступени к ступени. Унос мелких зерен ионита с пульпой 

---

предотвращается с помощью сетки. Хотя каждый из аппаратов 
работает в режиме, близком к идеальному смешению, при достаточном 
числе последовательных ступеней (колонн) в установке достигается 
высокая степень насыщения ионита. Установки такого типа 
отличаются простотой устройства. 
Различают две основные характеристики ионообменных смол: 
набухание и обменная емкость. 
Начнем с набухания. Воздушно-сухих иониты, которые 
выпускаются промышленностью, состоят из твердых гранул. Когда 
иониты соприкасаются с водой, то набухают вследствие поглощения 
определенного количества воды. Оно сопровождается растяжением 
пространственной сетки смолы и увеличением ее объема (иногда даже в 
несколько раз). Способность к набуханию зависит от числа ионогенных 
групп и поперечных связок. С увеличением числа поперечных связок 
набухаемость уменьшается. В случае жесткой структуры стремление к 
набуханию может привести к растрескиванию смолы. Проникновение 
воды в поры ионита обусловлено стремлением ионов, находящихся в 
порах смолы в высокой концентрации, к гидратации. Набухание 
характеризуется коэффициентом набухания, равным отношению 
удельного объема набухшей смолы к Удельному объему смолы в 
исходной форме. 
Так же обменная емкость характеризуется максимальным 
количеством ионов, которое может быть поглощено смолой при ее 
насыщении. Это постоянная для данной смолы величина, которую 
можно определить либо в статических, либо в динамических условиях. 
При сорбции в статических условиях навеску смолы перемешивают с 
раствором определенного объема, содержащего большой избыток 
сорбируемого иона. При сорбции в динамических условиях раствор 
пропускают (фильтруют) через слой смолы, находящейся в колонке.

---

Так же бы хотелось отметить количественные характеристики 
равновесия. 
При контакте ионита с раствором электролита происходит ионный 
обмен до достижения равновесия. Реакция обмена обратима и протекает 
в эквивалентных соотношениях аналогично обычным химическим 
реакциям. В общем виде реакция обмена ионов А и В описывается 
уравнением: 
где z
A
и z
B
— заряды ионов A и B 
(фаза ионита отмечена чертой). Для реакции по закону действующих 
масс термодинамическая константа равновесия 
, где a
A
,
,a
B
,
,a
A
,a
B
— активности ионов в смоле и в растворе. 
Термодинамическую константу используют при теоретическом 
обсуждении ионообменного равновесия. На практике вследствие 
отсутствия данных о коэффициентах активности в фазе смолы 
применяют кажущуюся (концентрационную) константу равновесия : 
где С
A
,
,С
B
,
,С
A
,С
B
— молярные концентрации в 
смоле и растворе. Иногда содержание ионов в растворе выражают в 
молярных концентрациях, а в смоле — в молярных долях NА и Nв . В 
этом случае 
При обмене ионов с одинаковой 
величиной зарядов константа обмена K
В/А
,
— безразмерная величина и не 
зависит от единиц измерения концентраций в водной фазе и в ионите. 
Задача 
В каком случае более вероятен режим гелевой кинетики: при 
радиусе зерен ионит 0,1 или 1 мм; при концентрации внешнего раствора 
0,0001 или 0,01 моль/л. 
Гелевая кинетика – кинетика диффузии в зерне ионита.