2. Основные физико-химические свойства ионитов

2.1. Обменная емкость

Самой важной характеристикой ионита является полная обменная емкость (ПОЕ), обусловленная содержанием всех активных групп независимо от их природы. Если в реальном эксперименте в обмен вступает только часть противоионов, то говорят о рабочей обменной емкости (РОЕ). Эта величина зависит от рН, скорости фильтрования через слой ионита, от размеров зерен и габаритов ионообменной колонки, концентрации электролита, температуры, природы обменивающихся ионов, типа растворителя и т.д.

Обменную емкость обычно характеризуют числом ммоль-экв активных групп, отнесенным к единице массы или объема ионита, то есть количество ммоль эквивалентов активных групп на 1 г сухого ионита (Е_с) или на 1 г полимера в набухшем состоянии (Е_н).

Для технических целей часто используют обменную емкость слоя ионита Е_сл в ммоль-эквивалент/см³:

,

где d_н - плотность набухшего ионита, г/см³;  - доля сво­бодного объема или порозность слоя, зависящая от формы и фракци­онного состава ионита.

Таким образом, для расчета обменной емкости слоя надо знать емкость и плотность сухого ионита, коэффициент влагоемкости и долю свободного пространства в объеме слоя.

2.2. Ионизация ионитов

Существующие в настоящее время ионообменные материалы значительно различаются типом и количеством ионообменных групп, строением матрицы и, следовательно, физико-химическими и эксплуатационными свойствами.

Удобным и надежным способом установления типа обменных групп, определения их констант ионизации и обменной емкости является потенциометрическое титрование. Как и в случае малорастворимых кислот и оснований, этот метод основан на гетерогенной ионообменной реакции между Н-формой катионита со щелочью и ОН-формой анионита с кислотой:

R-H + NaOH  R-Na + H₂O

R-OH + HCl  R-Cl + H₂O.

От титрования растворов с цветными индикаторами титрование потенциометрическое отличается тем, что окончание процесса фиксируют по изменению рН раствора, который измеряется после прибавления каждой порции раствора NaOH или НСI.

Кривые потенциометрического титрования катионитов и анионитов напоминают по форме кривые титрования растворимых кислот и оснований. При наличии активных групп различных типов с достаточно большим различием в константах ионизации на кривых титрования ионитов, так же как и растворимых электролитов, обнаруживается несколько скачков. Однако существуют и различия, обусловленные тем, что противоионы ионитов, реагирующие с титрантом, находятся в твердой фазе.

Для количественных расчетов при титровании применяется уравнение Гендерсона - Гассельбаха:

.

Рис. 4. Вид зависимости рН равновесного раствора от величины lg[(1-)/]

при титровании монофункционального карбоксильного катионита

Величина рН внешнего раствора является линейной функцией .

По отрезку, отсекаемому на оси рН прямой, можно найти кажущуюся константу ионизации, а по тангенсу угла наклона – величину n.

При =0,5 (независимо от значения n) рК=рН. Величина константы ионизации зависит от целого ряда факторов, таких как строение функциональной группы и матрицы.