Иониты и процессы ионного обмена

Ионный обмен происходит при контакте жидкости, содержащей какие-либо ионы, с так называемыми ионитами. Это твердые зернистые вещества, нерастворимые в воде. В составе молекул ионитов находятся функциональные группы, которые способны участвовать в процессах обмена ионами, поэтому такие группы называются ионогенными (буквально — «рождающие ионы»).

Иониты классифицируются 1) по заряду обмениваемых ионов; 2) химическому составу; 3) происхождению.

В зависимости от заряда обмениваемых ионов иониты разделяются на катиониты и аниониты.

В катионитах в раствор переходят катионы, которые могут обмениваться на катионы, находящиеся в растворе. Например, если ионит содержит кислотную группу —СООН, а в окружающий раствор поступит значительное количество катионов другого вида, например, ионов натрия, то произойдет ионный обмен:

—СООН + Na⁺ + Cl^– → —СООNa + Н⁺ + Cl^–.

Таким образом, ионы водорода из функциональных групп и катионы металла соли «меняются местами» друг с другом. Вместо соли в растворе появится эквивалентное количество кислоты. Функциональная группа, содержащая атом натрия вместо атома водорода, не утрачивает способности к ионному обмену. Ион натрия может замещаться на ионы других металлов. Такое состояние катионита называют Na⁺-формой. Исходную форму катионита, содержащую ионы водорода, называют H⁺-формой.

В практике широко применяются катиониты (например, сульфоуголь), содержащие в качестве кислотных групп фрагменты молекул серной кислоты:  —(SО₂)–ОН (принято также записывать:  
—SО₃Н). Далее для простоты записи будем условно обозначать, что катионит вступает в процесс ионного обмена в виде некоторой молекулы R^(Kat)H₂ (H⁺-форма) или R^(Kat)Na₂ (Na⁺-форма).

В анионитах в раствор переходят анионы, которые могут обмениваться на анионы, находящиеся в растворе. В них активные группы имеют основной характер. Не указывая, как устроены эти группы, также условимся записывать, что анионит вступает в процесс ионного обмена в виде некоторой молекулы R^(An)(OH)₂, например:

R^(An)(OH)₂ + 2Na⁺ + 2Cl^– → R^(An)Cl₂ + 2Na⁺ + 2OH^– .

По химическому составу иониты бывают неорганические (например, алюмосиликаты, силикаты, Al(OH)₃) и органические (продукты химической переработки угля или лигнина*, а также полученные синтетическим путем ионообменные смолы).

По происхождению иониты разделяют также на естественные и искусственные. В практике чаще применяют искусственные иониты, к которым и принадлежат сульфированные угли (сульфоуголь) и ионообменные смолы.

Ионообменные смолы — это вещества, основу которых образуют макромолекулы полимера, «сшитые» между собой, поэтому сама основа нерастворима. Каким-либо химическим методом к полимерным цепям присоединяют («прививают») функциональные группы, способные участвовать в процессах обмена катионами или анионами.

Методы ионного обмена могут применяться не только для умягчения воды, но и для ее обессоливания. Вначале рассмотрим процессы обессоливания воды.

Обессоливание воды методом ионного обмена

При обессоливании воды удаляются все ионы металлов и кислотных остатков. Обессоленная, а не просто умягченная вода необходима для паросиловых установок, многих современных технологических процессов и бытовых нужд.

В процессе катионного обмена при обессоливании используют катиониты в H⁺-форме. При этом в растворе происходит замена ионов металлов на ионы водорода, причем не только магния и кальция, но и других металлов, содержащихся в исходной воде:

R^(Kat)H₂ + 2Na⁺ + 2Cl^– → R^(Kat)Na₂ + 2H⁺ + 2Cl^– ;

R^(Kat)H₂ + Ca²⁺ + 2HCO₃^– → R^(Kat)Ca + 2H₂O⁺ + 2CO₂ .

Карбонат- и гидрокарбонат-ионы удаляются из воды в виде углекислого газа. Однако вместо солей сильных кислот в воде появляются сами сильные кислоты. Такая вода непригодна для использования, к тому же она вызывает коррозию оборудования, поэтому далее её обрабатывают на анионитах.

В процессе анионного обмена осуществляется обмен всех кислотных анионов, содержащихся в воде, на ионы OH^–:

R^(An)(OH)₂ + 2Cl^– → R^(An)Cl₂ + 2OH^– ;

R^(An)(OH)₂ + SO₄^2– → R^(An)SO₄ + 2OH^– .

Гидроксид-ионы соединяются с образовавшимися ранее ионами водорода. Таким образом, в результате последовательного ионного обмена из воды удаляются соли; их молекулы заменяются на молекулы воды.

Умягчение воды методом ионного обмена

Для умягчения воды нет необходимости удалять из нее анионы солей, поэтому не надо проводить стадию анионного обмена. Следовательно, в процессе катионного обмена нельзя использовать катиониты в H⁺-форме, поскольку это привело бы к получению подкисленной воды. Поэтому для умягчения воды используют катиониты в Na⁺-форме; при этом в воде происходит замена ионов кальция и магния на ионы натрия:

R^(Kat)Na₂ + 2Mg²⁺ → R^(Kat)Mg + 2Na⁺;

R^(Kat)Na₂ + Ca²⁺ → R^(Kat)Ca + 2Na⁺.

В результате снижается как карбонатная, так и некарбонатная жёсткость.

Определение жёсткости воды