2.3. Сольватационные свойства ионитов

Иониты, подобно другим полярным веществам, слабо взаимодействуют с неполярными и интенсивно - с полярными молекулами, которые их сольватируют. Некоторую роль в этом процессе может играть при­тяжение молекул полярных растворителей матрицей, но в основном они притягиваются функциональными группами, атомы которых, благодаря значительному различию их электроотрицательности, имеют долевые электрические заряды. Поскольку иониты применяют в основном в водных средах, ниже рассмотрен главный частный случай сольватации - гидратация.

Первые молекулы воды, поглощенные ионообменником, связываются непосредственно со свободными противоионами, фиксированными ионами и ионными парами наиболее прочной связью со значительными изменениями энергии системы. Под влиянием входящей воды и электростатического отталкивания одноименно заряженных фиксированных ионов объем ионита увеличивается, то есть он набухает. Происходящее при этом распрямление и распутывание полимерных цепей не может быть безграничным: оно лимитируется упругостью трехмерной матрицы, за счет которой в ионите возникнет так называемое давление набухания, препятствующее поглощению из­быточных количеств воды.

Для количественной характеристики набухания ионитов применяют следующие величины:

1) коэффициент влагоемкости К_вл - количество граммов воды, связываемой 1 г сухого ионита в состоянии осмотического равновесия;

2) эквивалентный коэффициент влагоемкости К_э, выражаемый числом миллимолей воды, приходящихся на 1 ммоль активных групп ионита в состоянии осмотического равновесия.

Величина К_вл позволяет прогнозировать и рассчитывать объем ионита, набухшего в воде. Кроме того, по этому параметру судят об общем объеме порового пространства в рабочей ионной форме ионита. Величина К_э дает возможность оценить влагоемкость ионитов в разных ионных формах.

2.4. Способность ионитов к регенерации

В ионообменных процессах иониты постепенно переходят из одной ионной формы в другую, теряя при этом способность участвовать в замещении, которое протекает по заданной реакции. Однако вследствие обратимости обмена ионит можно регенерировать, то есть вернуть в исходную ионную форму. Существует несколько способов регенерации.

Регенерация, осуществляемая добавлением реагентов, содержащих вытесняющий ион, называется химической. При эксплуатации смесей ионитов выгоднее применять безреагентные способы, не требующие ни отделения катионитов от анионитов, ни введения специальных реагентов.

К безреагентным методам относятся термическая и электрохимическая регенерации. Термическая регенерация, основанная на повышении степени гидролиза солевых форм с увеличением температуры, успешно применяется для анионитов различной основности. Совместная термическая регенерация слабокислотных катионитов и низкоосновных анионитов является одним из главных звеньев так называемого «Сиротерм»-процесса, широко при­меняемого для промышленной водоподготовки.

Принцип электрохимической регенерации заключается в следующем: при наложении разности потенциалов на слой катионита в Na-форме, Nа⁺-ионы будут мигрировать к катоду, замещаясь ионами, получаемыми в результате анодной реакции

2Н₂О  4Н⁺ + О₂ + 4е^-.

В результате в прианодном слое катионит полностью перейдет в Н⁺-форму, прикатодный слой останется в прежнем состоянии, а промежуточная зона будет содержать оба подвижных иона.

Что касается химической регенерации, то она применяется для десорбции индивидуальных компонентов. Объем регенеранта и продолжительность регенерации с увеличением размера зерен ионита возрастают. Ионит, подлежащий регенерации, обрабатывают раствором соответствующего электролита. Для замены подвижных ионов регенерирующий раствор пропускают через слой до исчезновения в фильтрате следов извле­каемых ионов. Затем ионит держат в контакте с раствором в течение нескольких часов и снова промывают. Операцию повторяют до полного извлечения ионов из ионита.

Катиониты в Н⁺-форму переводят предпочтительно соляной кислотой, хотя в специфических случаях используют растворы серной и азотной кислот. Аниониты регенерируют растворами щелочей (для перевода в ОН^- -форму).