Ионообменная и гидролитическая адсорбция

На границе твердое тело — раствор электролита адсорбируются не молекулы, а ионы, и процесс тесно связан с двойным электрическим слоем. Адсорбция ионов бывает:

Эквивалентная — катионы и анионы адсорбируются в эквивалентных количествах.
Избирательная — поверхность преимущественно адсорбирует ионы одного знака (так заряжается поверхность при образовании ДЭС).
Специфическая — сверхэквивалентная адсорбция многозарядных и крупных ионов за счет не только электрических, но и адсорбционных сил.
Ионообменная.

Ионообменная адсорбция

Ионообменная адсорбция — избирательная адсорбция одного из ионов, сопровождаемая вытеснением эквивалентного количества другого иона того же знака из адсорбционного слоя в раствор. Подвижные ионы двойного электрического слоя способны обмениваться с ионами раствора. Ионный обмен меняет солевой состав воды и используется для разделения важных веществ.

В 1850 г. Томпсон и Уэй впервые обнаружили солевой обмен в почвах. Первые синтетические ионообменные смолы получили Адамс и Холмс в 1935 г.

Классификация ионообменников

По происхождению — природные и синтетические.
По составу — органические и неорганические.
По знаку заряда обмениваемого иона — катиониты, аниониты и амфолиты.

Природный ионообменник — почва; природные неорганические — цеолиты (алюмосиликаты). Синтетические неорганические — алюмогели, силикагели. В промышленности используют синтетические органические ионообменные смолы — сетчатые полимеры, содержащие ионогенные группы.

Ионообменные смолы

Универсальный катионит 1 — сетчатый сополимер фенола с формальдегидом, сульфированный серной кислотой:

Получение фенолформальдегидного катионита: фенол + CH₂O + ароматическое кольцо в присутствии H₂SO₄ → сетка из фенольных колец, связанных мостиками CH₂, с группами SO₃⁻H⁺

Универсальный катионит 2 — сополимер стирола с дивинилбензолом (сшивающий агент), сульфированный серной кислотой:

Сульфокатионит: стирол + дивинилбензол, H₂SO₄ → сшитый полистирол с группами SO₃⁻H⁺; схема сетки с закрепленными SO₃⁻H⁺

Ионогенные группы:

Ионогенные группы катионитов: –SO₃⁻H⁺, –COO⁻H⁺, фенольная –O⁻H⁺; анионитов: –NH₃⁺OH⁻, =NH₂⁺OH⁻, ≡NH⁺OH⁻

Катиониты	Аниониты
$\text{—SO}_3^-\,\text{H}^+$ (сильнокислотные)	$\text{—NH}_3^+\,\text{OH}^-$
$\text{—COO}^-\,\text{H}^+$	$\text{=NH}_2^+\,\text{OH}^-$
$\text{—C}_6\text{H}_4\text{O}^-\,\text{H}^+$ (фенольные)	$\equiv\text{NH}^+\,\text{OH}^-$

Для регенерации катиониты обрабатывают растворами кислот (аниониты — растворами щелочей).

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Обменная емкость

Емкость — количественная характеристика способности ионообменника обменивать ионы.

Статическая обменная емкость (СОЕ) — полная емкость, которая характеризует количество ионогенных групп на единицу массы или объема. Для природных ионообменников она составляет 0,2–0,3 мэкв/г, для синтетических — 3–10 мэкв/г.
Динамическая обменная емкость — емкость, которая реализуется в данных условиях эксплуатации (при фильтрации раствора через колонку). Она зависит от природы ионов и от конкретного проведения эксперимента.

Гидролитическая адсорбция

Гидролитическая адсорбция — обменная адсорбция на угле, сопровождаемая изменением pH среды.

Теория Фрумкина. Уголь в процессе активации может адсорбировать разные газы. Адсорбируя водород, уголь выступает акцептором электронов: поверхность заряжается отрицательно, а в раствор переходят ионы $\text{H}^+$ . Адсорбируя кислород, уголь, наоборот, заряжается положительно, а в раствор переходят ионы $\text{OH}^-$ :

Схема Фрумкина: C·H₂ → C⁻ H⁺; C·O₂ → C 2O²⁻, + 2H₂O → C⁺ 4OH⁻

Теория Шилова (процессы на твердой поверхности). При взаимодействии угля с кислородом воздуха на поверхности образуются оксиды. В воде они диссоциируют и образуют карбоксильные ( $\text{—COOH}$ ) и гидроксильные ( $\equiv\text{C—OH}$ ) группы. Протоны этих групп могут обмениваться на катионы раствора, и раствор подкисляется.

Двойной электрический слой и электрокинетические явления Теория устойчивости ДЛФО