Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

7. ОВ для видимого и среднего ИК - диапазонов

7.1.1. Ионный обмен

         Ионный обмен – это обратимый процесс стехиометрического обмена между двумя контактирующими фазами, одной из которых является раствор электролита, а второй – ионит (ионнообменный сорбент). Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, "фиксированный ион" которой ковалентно связан с каркасом (матрицей) ионита, а "противоион" подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из "внешнего" раствора. Благодаря эквивалентности обмена обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса. Ионный обмен принято рассматривать как гетерогенную химическую реакцию, которая характеризуется константой равновесия и включает 5 последовательных стадий: перемещение сорбируемого иона к поверхности зерна сорбента (1) и затем перемещение внутри зерна (2), собственно ионный обмен (3), перемещение вытесняемого иона внутри зерна сорбента (4) и с его поверхности в раствор (5). Сорбируемость ионов возрастает с увеличением заряда ионов, а у ионов с равным зарядом – с уменьшением степени их гидратации.

Рис. 7.4. Схемы ионообменного умягчения воды (М = Ca, Mg) на неподвижном сорбенте (а) и в противотоке (б) с движущимися слоями сорбента и раствора

Большинство ионных процессов проводят в динамических условиях путем пропускания раствора очищаемой соли через неподвижный слой сорбента в периодических процессах (рис. 7.4 а) или организацией противоточного движения раствора и сорбента в непрерывных процессах (рис. 7.4 б). Для примера рассмотрим схемы ионного обмена двухвалентных ионов (M = Ca, Mg) на ионы Na+ в процессе умягчение воды на неподвижном сорбенте (рис.7.4 а). Первоначально через колонку, заполненную сорбентом (например, этилен-углерод-тетраацетатной кислотой), пропускают раствор нитрата натрия, который в сорбенте (катионите - HnZ) замещает ион водорода, а затем через сорбент пропускают раствор нитрата магния. Ионные реакции в этом случае будет выглядеть как

HnZ + Na+ = NaZ1-n + H+                                     (7.1)

Mg+2 + NaZ1-n = MgZ2-n + Na+                    (7.2),

а константа равновесия реакции (7.2)

                                        (7.3)

Рис. 7.5. Константы равновесия реакций обмена в хилатах между ионами переходных металлов и легирующими ионами

Ионный обмен (очистка) возможен, если К7.2>1, однако эффективность очистки возрастает с ростом К. На рис. 7.5 показаны значения констант равновесия реакций ионного обмена ряда щелочных и щелочно-земельных металлов. Когда lg K ³ 8, нитраты и сульфаты соответствующих металлов могут очищаться до уровня менее 0,1 ppm (< 10-5 масс. %). Из рис. 7.5 также видно, что очистка солей таких щелочно-земельных ионов как Ba+2, Mg+2, Ca+2 методом ионного обмена будет затруднена от ряда примесей, а от таких примесей как La+3  и Pb+2 практически невозможна. В этом случае для очистки лучше воспользоваться другими методами – например, методом экстракции.



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.