67
5.5. Ионный обмен
Гетерогенный ионный обмен, или ионообменная сорбция – процесс обмена
между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на по-
верхности твердой фазы – ионита. При адсорбции электролитов преимуществен-
но адсорбируются ионы одного знака, которые заменяются на эквивалентное ко-
личество ионов того же знака. Раствор остается при этом электронейтральным.
Он взаимодействует с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы,
содержащиеся в ней, на другие ионы, содержащиеся в растворе.
Метод ионного обмена применяется для очистки сточных вод предприятий
металлургической, химической, коксохимической, машиностроительной и др. от-
раслей промышленности. Ионный обмен используется в кожевенной, фармацев-
тической, гидролизной промышленности, а также для удаления солей из сахар-
ных сиропов молока, вин. Иониты широко используются для снижения жесткости
воды и её обессоливания, для выделения и разделения разнообразных органиче-
ских и неорганических ионов. С помощью ионитов улавливают ионы ценных
элементов из природных растворов и отработанных сточных вод. Применение
этого метода для очистки производственных сточных вод позволяет извлекать и
утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром,
цинк, свинец, медь, ртуть и др. металлы), ПАВ (поверхностно-активные веще-
ства) и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допусти-
мых концентраций с последующим ее использованием в технологических про-
цессах или системах оборотного водоснабжения. Ионный обмен делает возмож-
ным промышленное производство многих продуктов жизнедеятельности микро-
организмов (антибиотиков, аминокислот).
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты,
проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Катиониты извлекают
из растворов электролитов положительные ионы, аниониты – отрицательные. Если
иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. В качестве
ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные
к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. Иониты подразделяются на
природные и искусственные, или синтетические. Синтетические ионообменные ма-
териалы выпускаются в виде зернистых порошков, волокон и мембран. Мелкозерни-
стые порошки имеют размер частиц 0,04-0,07 мм, крупнозернистые – 0,3-2,0 мм. По-
следние предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты 1-3 м,
а порошкообразные мелкозернистые – со слоями высотой 3-10 мм. Размер частиц
ионита влияет на перепад давления в фильтрах. С уменьшением размера частиц пере-
пад давления в слое увеличивается. Следовательно, измельчение ионитов в процессе
очистки нежелательно. Это приводит не только к росту сопротивления фильтра, но и
к неравномерному распределению скоростей потока сточной воды по сечению филь-
тра. В результате столкновения зерен ионита друг с другом и о стенки аппаратуры
происходит их истирание. Механически прочными принято считать иониты, степень
истираемости которых не превышает 0,5 %.
К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минера-
лы, полевые шпаты, различные слюды. Катионообменные свойства обусловлены