Химическая энциклопедия

ИОННЫЙ ОБМЕН

обратимый процесс стехиометрич. обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз р-р электролита, другая -ионит.Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, "фиксированный ион" к-рой ковалентно связан с каркасом (матрицей) ионита, а "противоион" подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из "внешнего" р-ра. Благодаря эквивалентности обмена ионами обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса. Принято рассматривать И. о. как гетерог. хим. р-цию обмена и количественно характеризовать ее одной из трех констант равновесияК:концентрационной (не учитывает коэф. активности компонентов); кажущейся (учитывает коэф. активности только в р-ре); термодинамической (учитывает коэф. активности в р-ре и фазе ионита). Копределяют из ур-ния Никольского:

K =(c1/a1)1/z1(a2/c2)1/z2

где c1и с2-концентрации или активности противоионов 1 и ионов 2 в равновесном р-ре, a1и а2-концентрации или активности ионов 1 и 2 в равновесной фазе ионита, z1и z2-зарядовые числаионов. Изменение термодинамич. потенциала Гиббса в ходе И. о. подчиняется ур-нию: DG= Ч RTlnK. В процессе И. о. меняется также объем сорбента Q,совершается работа Аизотермич. расширения (сжатия), причемA =pDQ,где p - осмотич. давление в фазе сорбента; поэтому суммарное значение DG = -RTlnK- pDQ. Однако в подавляющем большинстве случаев вторым членом ур-ния можно пренебречь. В простейшем случае И. о. система содержит два типа обменивающихся ионов и, следовательно, характеризуется четырьмя равновесными концентрациями (для каждого иона в р-ре и в ионите). Все задачи решаются на основе системы четырех ур-ний: баланса, изотермы И. о., эквивалентности обмена и электронейтральности.Задачу нахождения Кможно свести к эксперим. определению равновесной концентрации содного компонента в р-ре. В случае обмена однозарядных ионов справедливо ур-ниеа = Ка0с/[с0+(К Ч1)с], где а- равновесная концентрация иона в фазе ионита,а0->обменная емкость ионита, с0- концентрация исходного р-ра. Это ур-ние иллюстрирует связь вида изотермы со значением К(рис. 1).

Рис. 1. Изотермы ионного обмена для систем с разл. значениями констант равновесия (А0->исходное кол-во в-ва, m - масса р-ра,v -объем р-ра).

При расчетах обмена смесей ионов на практике исходят из предположения, что значения Кдля каждого из компонентов в индивидуальных р-рах и в смеси тождественны. Это положение хорошо выполняется при сорбции микрокомпонентов на фоне макрокомпонента и в случае разб. (до 0,1 н.) р-ров любого состава. Сорбируемость ионов возрастает с увеличением заряда иона, у ионов с равными зарядами - с уменьшением степени их гидратации. При расчетах равновесий И. о. необходимо учитывать степень ионизации функциональных групп ионитов и степень диссоциации к-т и оснований в р-рах. Во многих реальных ионообменных системах И. о. сопровождается побочными явлениями, в первую очередь комплексообразованием, переносом р-рителя (воды), неэквивалентным обменом, окислит.-восстановит. р-циями. Значения Кдля сорбции на комплексообразующих сорбентах больше, чем Кобычного И. о. При И. о. многих орг. ионов помимо их удерживания ионогенными функц. группами сорбентов имеет место и дополнит. взаимод. этих ионов с матрицей сорбента (межмол. дисперсионные силы, водородная связь). Вследствие этого Кдля орг. соед. часто на 1-2 порядка выше, чем для неорганических. Поглощение воды ионитами сопровождается увеличением объема зерен и слоя сорбента и зависит от суммарного солесодержания р-ра и степени сшивки ионита. При расчетах, учитывающих поглощение воды (р-рителя), вода рассматривается как равноценный компонент ионообменной системы, а константа равновесия И. о.Wнаходится из ур-ния:

где К- термодинамич. константа равновесия И. о.,число молей воды, приходящееся на 1 эквивалент емкости ионита, - эквивалентная доля i-гo компонента в сорбенте. Неэквивалентный И. о. обусловлен проникновением необменивающихся катионов и анионов электролита в фазу ионита, а также взаимод. не полностью диссоциированной многоосновной к-ты с функц. группами анионита или многозарядных оснований с катионитом. Окислит.-восстановит. р-ции для собственно ионообменных сорбентов обычно обусловлены низкомол. примесями в них, удаляемыми предварит. обработкой сорбентов к-тами, щелочами, окислителями.
Кинетика.Процесс И. о. включает 5 последоват. стадий: перемещение сорбируемого иона к пов-сти зерна сорбента (1) и внутри него (2), собственно И. о. (3), перемещение вытесняемого иона внутри зерна сорбента (4) и от его пов-сти в р-ре (5). Все стадии, кроме собственно хим. р-ции обмена, носят диффузионный характер. Лимитирующую стадию определяют экспериментально: если это хим. р-ция обмена, то скорость процесса не зависит от размера зерен сорбента; если внутр. диффузия, то сорбция возрастает после перерывов в опыте (явление "отдыха"); если внеш. диффузия, то скорость поглощения зависит от интенсивности перемешивания в статич. условиях или от скорости прохождения р-ра в динамич. опыте. Расчеты диффузионных стадий базируются на законах Фика (см.Диффузия).Коэф. диффузии определяют экспериментально, их значения для внеш. диффузии порядка 10-5см2/с, для внутренней - от 10-6до 10-11см2/с. Коэф. внутр. диффузии орг. ионов на 1-2 порядка меньше, чем неорг. ионов. Особо крупные орг. ионы (напр., антибиотиков) не проникают во внутр. часть зерен малонабухающих (даже слабосшитых) сорбентов, в результате чего наблюдается состояние "ложного" равновесия. Поэтому для эффективной реализации таких процессов часто рекомендуют использовать т. наз. поверхностно-слоистые сорбенты, в к-рых ионогенные группы расположены тонким слоем вблизи пов-сти зерен. Уменьшение пути диффузии в результате уменьшения размера зерен (соотв. и межзернового пространства) приводит к резкому увеличению скорости И. о. Вследствие малой энергии активации диффузии скорость И. о. мало зависит от т-ры.
Динамика.Большинство ионообменных процессов проводится в динамич. условиях - пропусканием р-ра через неподвижный слой сорбента в периодич. процессах или противоточным движением р-ра и сорбента в непрерывных процессах (рис. 2). Преимущества динамич. способа -глубокая очистка р-ра от примесей (благодаря контакту со свежими порциями сорбента) и полное использование обменной емкости слоя (вследствие увода током р-ра продуктов ионообменной р-ции из сферы р-ции).

Рис. 2. Схемы ионообменного умягчения воды (М = Са, Mg) на неподвижном слое сорбента (а) и в противотоке (б)с движущимися слоями сорбента (NaR, MR2) и потоками р-ров (умягчаемая вода и регенерирующий р-р NaCl).

Для характеристики сорбционной способности ионита в динамич. условиях используют ур-ние Шилова: q= kX Чt, где q - время защитного действия слоя сорбента, Х - длина слоя сорбента, k - коэф. защитного действия слоя, зависящий от величины равновесной адсорбции, концентрации иона в р-ре и скорости потока р-ра, t - потеря времени защитного действия слоя. Все расчеты динамики И. о. базируются на решении системы ур-ний для каждого компонента. Ур-ние баланса имеет вид:

где V - линейная скорость потока р-ра, e - порозность сорбента (объем межзернового пространства в долях от общего объема сорбента), Dп- коэф. продольной диффузии, t - время от начала опыта до "проскока" - появления удаляемого компонента за слоем сорбента. Во мн. случаях членами, отражающими продольную диффузию (за исключением стадии регенерации) и изменение концентрации в р-ре, можно пренебречь. Тогда ур-ние баланса принимает вид:

Применение.Процессы И. о. используют в аналит. химии и в пром-сти. С помощью И. о. концентрируют следовые кол-ва определяемых в-в, определяют суммарное солесодержание р-ров, удаляют мешающие анализу ионы, количественно разделяют компоненты сложных смесей (см.Ионообменная хроматография).И. о. применяют: для получения умягченной и обессоленной воды (см.Водоподготовка)в тепловой и атомной энергетике, в электронной пром-сти; в цветной металлургии - при комплексной гидрометаллургич. переработке бедных руд цветных, редких и благородных металлов; в пищ. пром-сти - в произ-ве сахара, при переработке гидролизатов; в мед. пром-сти - при получении антибиотиков и др. лек. ср-в, а также во мн. отраслях пром-сти -для очистки сточных вод в целях организации оборотного водоснабжения и извлечения ценных компонентов, очистки воздуха. Разрабатываются ионообменные методы комплексного извлечения из океанской воды ценных микрокомпонентов. Промышленные аппараты для реализации И. о. Подразделяются на 3 группы: установки типа смесителей-отстойников, фильтры с неподвижным и подвижным слоями сорбента. Аппараты первого типа используют в гидрометаллургии. В фильтрах с неподвижным слоем сорбента исходные и регенерац. р-ры подаются в одном направлении (поточные схемы) или в противоположных (противоточные схемы). Такие аппараты используются для ионообменной очистки р-ров, напр., при умягчении и обессоливании воды. В непрерывно действующих противоточных аппаратах подвижный сорбент, как правило, перемещается сверху вниз под действием силы тяжести. Конструктивно противоточные аппараты подразделяются на 3 группы: со взвешенным или кипящим слоем ионита, с непрерывным движением плотного слоя, с попеременным движением р-ра через неподвижный слой и перемещением слоя при прекращении движения р-ра. Для разделения смесей близких по св-вам компонентов (напр., изотопов) используют малопроизводительные, но эффективные аппараты с поочередным движением фаз и со сплошным слоем периодически выгружаемого сорбента. Технол. схема И. о. включает: сорбцию извлекаемых или удаляемых элементов, взрыхление слоя ионита (током р-ра снизу вверх), регенерацию ионита, промывку слоя ионита от регенерирующего р-ра.Лит.:Солдатов B. C., Простые ионообменные равновесия, Минск, 1972; Основы расчета и оптимизации ионообменных процессов, М., 1972; Либинсон Г. С., Сорбция органических соединений ионитами, М., 1979; Кокотов Ю. А., Иониты и ионный обмен, Л., 1980; Сенявин М. М., Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ, М., 1980; его же, в сб.: Ионный обмен, М., 1981, с. 5-24; Горшков В. И., Сафонов М. С., Воскресенский Н. М., Ионный обмен в противоточных колоннах, М., 1981; Веницианов Е. В., Рубинштейн Р. Н., Динамика сорбции из жидких сред, М., 1983.М. М. Сенявин.


  1. ионный обмен—обмен ионов в растворах электролитов гомогенный И. о. При смешении разбавленных растворов электролитов например NaCl и KNOsub в смеси присутствуют ионы Nasup Кsup NOsubsu...Большая Советская энциклопедия II
  2. ионный обмен—ion exchange...Большой русско-английский словарь биологических терминов
  3. ионный обмен—Ionenaustausch m...Большой русско-немецкий медицинский словарь
  4. ионный обмен—обмен ионов между двумя электролитами. Гомогенный И.о. происходит при смешении рров электролитов например NaCl и KNOsub. Равновесное состояние выражается в этом случае ур...Большой энциклопедический политехнический словарь
  5. ионный обмен—ИОННЫЙ ОБМЕН обратимая химическая реакция при которой происходит обмен ионами между твердым веществом ионитом и раствором электролита либо между различными электролитами ...Большой энциклопедический словарь III
  6. ионный обмен—ИОННЫЙ обмен обратимая химическая реакция при которой происходит обмен ионами между твердым веществом ионитом и раствором электролита либо между различными электролитами...Большой Энциклопедический словарь V
  7. ионный обмен—a.em ion exchange н.em lonenaustausch ф.em echange ionique и.em intercambio de iones обратимый процесс стехиометрического обмена ионами. И. о. может быть как гомогенным ...Геологическая энциклопедия
  8. ионный обмен—a. ion exchange н. lonenaustausch ф. echange ionique и. intercambio de iones обратимый процесс стехиометрического обмена ионами. И. о. может быть как гомогенным например...Горная энциклопедия
  9. ионный обмен—обратимая хим. реакция при крой происходит обмен ионами между тв. ввом ионитом и рром электролита либо между разл. электролитами находящимися в рре. И. о. применяют для о...Естествознание. Энциклопедический словарь
  10. ионный обмен—ионды алмасу...Орысша-қазақша «Электроника, радиотехника және байланыс» терминологиялық сөздік
  11. ионный обмен—ion exchange...Русско-английский словарь по нефти и газу
  12. ионный обмен—технология изготовления интегральнооптических элементовem ion exchange...Русско-английский словарь по физике
  13. ионный обмен—ion exchange...Русско-английский словарь по электронике
  14. ионный обмен—ion exchange...Русско-английский строительный словарь
  15. ионный обмен—ion exchange...Русско-английский химический словарь
  16. ионный обмен—scambio ionico di ioni di ionireazione...Русско-итальянский политехнический словарь
  17. ионный обмен—ион алмасу...Русско-казахский терминологический словарь «Архитектура и строительство»
  18. ионный обмен—ионды алмасу...Русско-казахский терминологический словарь «Водное хозяйство»
  19. ионный обмен—Ionenaustausch...Русско-немецкий политехнический словарь
  20. ионный обмен—Ionenumtausch...Русско-немецкий словарь по химии и химической технологии
  21. ионный обмен—Ionenumtausch...Русско-немецкий химический словарь
  22. ионный обмен—йонний обмн...Русско-украинский политехнический словарь
  23. ионный обмен—change ionique change dions...Русско-французский словарь по химии
  24. ионный обмен—vmna iont...Русско-чешский словарь
  25. ионный обмен—Ion exchange Ионный обмен. Обратимый обмен ионов между жидкостью и твердым телом без заметных структурных изменений в твердом теле. Источник Металлы и сплавы. Справочник...Словарь металлургических терминов
  26. ионный обмен—ИОННЫЙ ОБМЕН обратимая химическая реакция при которой происходит обмен ионами между твердым веществом ионитом и раствором электролита либо между различными электролитами ...Современный энциклопедический словарь
  27. ионный обмен—ИОННЫЙ ОБМЕН обратимая химическая реакция при которой происходит обмен ионами между твердым веществом ионитом и раствором электролита либо между различными электролитами...Энциклопедический словарь естествознания