Извлечение Cu2+ -ионов из нейтральных и слабокислых растворов ионообменным методом

Введение 

      Ионообменные  смолы – искусственные высокомолекулярные органические, практически не растворимые  в воде и других растворителях, полиэлектролиты, обладающие ионообменными свойствами.

      Ионообменные  смолы широко используются в различных  отраслях промышленности. Основные области  применения ионитов определяются их особыми свойствами: селективность, термическая и радиационная стойкость. Высокая термостойкость многих ионитов  позволяет применять для сорбции  из растворов при высоких температурах. Высокая селективность сорбции  позволяет рекомендовать иониты для глубокой очистки растворов  от примесей электролитов. Ионообменные смолы обычно выдерживают длительный срок службы и легко поддаются  многократной регенерации.

      В данной работе рассматривается одно из основных свойств ионитов –  обменная емкость статистическая. 
 

Целью данной работы является познакомится теоритически и практически:

1. с ионообменными процессами.
2. С изучением эксплуатационных характеристик смолы КУ 2-8
3. С определением статической обменной емкости смолы КУ 2-8

 
 
 
 
 
 
 

 

1. Литературный  обзор.

      Ионный  обмен — это обмен ионов  между двумя электролитами. Наиболее распространенной точкой зрения является взгляд на ионный обмен как на гетерогенную химическую реакцию двойного обмена типа:

      RH + Na⁺↔ RNa + H⁺,

      или

      R₁OH + Cl^- ↔ R₁Cl + OH⁺,

      где R и R₁ — матрицы соответственно катионита и анионита. Черта вверху у компонентов реакции означает фазу ионита.

      Ионный  обмен — это химический процесс, имеющий некоторое сходство с адсорбцией (поглощением), физическим процессом. При ионном обмене, как и при адсорбции, реакции протекают в двух фазах, например, в твердой и жидкой. Характерным различием между этими процессами является то, что ионный обмен представляет собой химическую реакцию взаимного обмена между ионами ионообменного материала и раствора. Ионный обмен сопровождается выделением в раствор эквивалентного количества ионов того же знака заряда, которые были  сорбированы из раствора.

        При адсорбции адсорбент поглощает  растворенное вещество, не отдавая  в раствор никакого другого  вещества (если процесс не сопровождается  растворением самого адсорбента).

      Следует отметить, что часто бывает трудно провести отчетливую границу между этими процессами. В некоторых случаях ионный обмен протекает вместе с адсорбцией и наоборот.

      Процессы, сопровождающиеся одновременно  явлениями  адсорбции и ионного обмена, а также те процессы, природу которых установить трудно,   по-видимому,  лучше называть сорбцией.

      Ионообменные  материалы (иониты) — естественные и искусственные, неорганические и органические твердые и жидкие, практически нерастворимые в воде и других растворителях полиэлектролиты, имеющие в структуре специальные ионогенные группы, способные к реакциям обмена ионов с ионами раствора. Этим понятием объединяются все иониты, независимо от их природы. Характерным свойством их является способность обменивать  ионы   своих    ионогенных   групп   на   ионы   другой среды.

      В процессах, в которых участвуют  ионообменные материалы, особенно ионообменные смолы, наряду с ионным обменом и  адсорбцией могут протекать окислительно-восстановительные реакции и реакции образования слабодиссоциированных соединений, например за счет образования комплексных соединений ион металла — ионит.

      Основной  характерной чертой ионообменных материалов является   наличие  у   них  ионогенных  групп.   По характеру этих групп все ионообменные материалы разделяются на катиониты (полимерные кислоты), содержащие кислотные группы, и аниониты (полимерные основания), содержащие основные группы. Катиониты обменивают лишь катионы ионогенных групп на катионы раствора, а аниониты — только анионы.

Помимо  этих двух групп, существуют  амфолиты (амфотерные полиэлектролиты), обладающие свойствами катионитов и анионитов одновременно.

      Катионообменные смолы бывают сильно- и слабокислотные, анионообменные — сильно- и слабоосновные. Если носителями электрических зарядов молекулярного каркаса ионообменных смол являются фиксированные ионы (функциональные, или ионогенные, группы) только одного типа, например сульфогруппы, то такие ионообменные смолы называются монофункциональными. Если же смолы содержат разнотипные ионогенные группы, они называются полифункциональными. По структурному признаку различают микропористые, или гелевидные, и макропористые ионообменные смолы. Частицы гелевидных смол гомогенны; ионный обмен в системе гелевидная смола — раствор электролита возможен лишь благодаря диффузии обменивающихся ионов сквозь молекулярную сетку набухшего ионита. Макропористые смолы гетерогенны; их частицы имеют губчатую структуру, т. е. пронизаны системой сквозных пор, средний диаметр которых намного превышает размеры молекул растворителя и обменивающихся ионов. Раствор электролита свободно проникает по порам внутрь частиц таких ионообменных смол, что значительно облегчает ионный обмен, особенно в неводных средах.

      Ионообменные  смолы можно рассматривать как  нерастворимые полиэлектролиты. Поливалентный (многозарядный) ион, образующий структурный каркас ионообменных смол, практически неподвижен из-за огромной молекулярной массы. Этот ион-каркас, или ион-сетка, связывает малые подвижные ионы противоположного знака (противоионы), которые способны к эквивалентному обмену на ионы окружающего раствора.

      Матрица   (каркас) — высокомолекулярная, практически нерастворимая в воде и других растворителях часть ионообменного материала, несущая на себе электрический заряд определенного знака (у катионитов - отрицательный, у анионитов - положительный). Матрицу можно рассматривать как полиион.

      Противоионы — подвижные ноны, имеющие заряд, противоположный заряду ионогенной группы матрицы и электрически уравновешивающий его. Противоионы подвижны внутри матрицы и могут быть заменены другими нонами с зарядом того же знака. 

      Ионит для  наглядности  можно сравнить с губкой, в порах которой циркулируют  противоионы (рис. 1). Если губка погружена в раствор,   противоионы   из пор   губки могут перейти в раствор. Но при этом  должна  сохраняться электронейтральность, т.е. заряд губки   (матрицы   ионита)   в каждый момент должен компенсироваться зарядом противоионов. Таким образом, противоион может покинуть губку только в том случае, если в губку попадет другой   ион и примет  участие в компенсации заряда матрицы.

      Если  ионит, содержащий только противоионы А, поместить в раствор, содержащий только противоионы В, то ионы А начнут замещаться ионами В из раствора. Через некоторое время установится равновесие, ионит и раствор будут содержать ионы обоих сортов в определенном соотношении. Такое состояние называется ионообменным равновесием.

      В порах ионита содержатся не только противоионы. Если ионит погружен в раствор, то в поры проникает растворитель и с ним в какой-то мере растворенные вещества. При этом вместе с противоионами в ионит проникает эквивалентное количество подвижных ионов того же знака, что и заряд матрицы. Эти ноны принято называть коионами. 

                                     

      Рисунок 1. Схема обмена ионами между ионитом  и раствором: а — начальное  состояние; б — равновесие; 1 —  матрица с фиксированными ионами; 2 — противоионы; 3 — коионы.

      Ионогенные группы гидрофильны. Когда ионит контактируется с водой, эти группы стремятся раствориться. Но, поскольку ионогенные группы прочно связаны с полимером, они способны перевести в раствор весь полимер. Этого, однако, не происходит, так как ионит имеет пространственную трехмерную структуру, которая подавляет его тенденцию к растворению. Ионит в большей или меньшей мере набухает, но остается нерастворимым в воде и других растворителях.

      Иониты, как и обычные растворимые  электролиты, обладают электропроводностью. Их можно рассматривать как высококонцентрированные  электролиты, полимерные кислоты, основания  или соли. Ионообменные материалы  отличаются от низкомолекулярных кислот, солей и оснований лишь отсутствием  свободной диффузии в раствор  катионов или анионов, образующихся в результате диссоциации ионогенных групп, так как они находятся под влиянием электростатического притяжения неподвижного анионного (или катионного) остатка.

      Являясь высокомолекулярными кислотами  и основаниями, иониты в зависимости  от степени диссоциации, а, следовательно, и от подвижности способных к  обмену ионов, могут быть разделены на четыре типа:

      1) иониты (катиониты и аниониты), проявляющие  свойства сильных кислот и  оснований, сильнокислотные катиониты  и сильноосновные аниониты; рК< 2;

      2) иониты (катиониты и аниониты), проявляющие  свойства слабых кислот и оснований,  — слабокислотные катиониты и  слабоосновные аниониты; рК≥4;

      3) иониты смешанного типа, проявляющие  одновременно свойства смеси  сильной и слабой кислот или  сильного и слабого основания;

      4) иониты, обменная емкость которых  непрерывно возрастает по мере  повышения рН (для катионитов) и  рОН (для анионитов) в широком интервале их значении.

      Многие  свойства ионитов  (набухаемость, химическая  устойчивость, доступность   ионогенных   групп отдельных зерен и т. д.) определяются их составом, т.е. составом и строением каркаса, который связывает воедино ионогенные группы. Если положить этот признак в основу классификации ионообменных материалов, то иониты можно разделить на неорганические (минеральные) и органические. Каждая из указанных двух групп включает в себя иониты природного и искусственного происхождения.

      К основным свойствам ионитов, которые  необходимо знать для успешного  их использования, относятся следующие:

      1) емкость (полная обменная емкость  — ПОЕ), динамическая (рабочая) обменная емкость до «проскока» иона в фильтрат — ДОЕ, сорбируемость (сорбционная способность — Г);

      2)  плотность, набухаемость, влагоемкостъ;

      3)  гранулометрический состав;

      4)  кривые потенциометрического титрования, рК;

      5)  скорость установления равновесия  и скорость десорбции;

      6)  изотерма обмена;

      7)  термостойкость и механическая  стойкость;

      8)  химическая и радиационная устойчивость.

      Набухание

      Воздушно-сухие  иониты, выпускаемые промышленностью, состоят из твердых гранул или  бусин размером от 0,5 до 3-4мм. При  погружении в соду иониты набухают вследствие поглощения определенного  количества воды. Набухание сопровождается растяжением пространственной сетки смолы и увеличением ее объема (иногда в несколько раз). Способность к набуханию зависит от числа ионогенных групп и поперечных связок. С увеличением числа поперечных связок набухаемость уменьшается (возрастает жесткость каркаса). 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. Кроме того, определяют "весовое набухание" - количество поглощенной воды на 1г сухого ионита.

      Обменная  емкость (или ионообменная способность) смолы

      Полная  обменная емкость (ПОЕ) характеризует  максимальное количество 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, находящийся в колонке. 

      Обменная  емкость колеблется от 3 до 10мг-экв/г  смолы (сухой или набухшей). Обменную емкость выражают также в процентах (г/100г смолы).