Неорганические иониты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина»

 

Институт естествознания

 

Кафедра аналитической и неорганической химии

 

Курсовая работа

по физической химии

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ.

 

 

 

Студентки 3 курса

 дневного отделения

 специальности «химия»

Поповой А.А.

 

 

Научный руководитель: к.х.н. доцент

аналитической и неорганической химии

Бердникова Г.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тамбов – 2012

 

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………..	3
Глава 1. Глинистые минералы. ………………………………………………….	6
Возможные пути использования глин в качестве ионообменников.................	9
Цеолиты. …………………………………………………………………………..	10
Глава 2. Ионный обмен на солях гетерополикислот. ………………………….	13
Зависимость ионообменных свойств гетерополикислот от их строения. ……	15
Сорбция и разделение многовалентных катионов. …………………………….	16
Глава 3.Применение неорганических ионообменников в системах для очистки воды……………………………………………………………………...	19
Неорганические ионообменные мембраны. ……………....................................	21
Заключение. ………………………………………………………………………	23
Список литературы ………………………………………………………………	24
Приложение 1. ………………………………………………………………….	25
Приложение 2. ………………………………………………………………….	26

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Иониты1, ионообменники, ионообменные сорбенты, твёрдые, практически нерастворимые вещества или материалы, способные к ионному обмену. Иониты могут поглощать из растворов электролитов (солей, кислот и щелочей) положительные или отрицательные ионы (катионы или анионы), выделяя в раствор взамен поглощённых эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. Молекулярную структуру И. можно представить в виде пространственной сетки или решётки, несущей неподвижные (фиксированные) ионы, заряд которых компенсируют противоположно заряженные подвижные ионы, так называемые противоионы. Они-то и участвуют в ионном обмене с раствором.

По знаку 2заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты. Первые проявляют кислотные свойства, вторые — основные. Если иониты способны обменивать и катионы и анионы, их называют амфотерными. По химической природе иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими, по происхождению — природными и искусственными, или синтетическими. Иониты подразделяют на типы и группы по специфическим свойствам, особенностям структуры, назначению и т. п. В частности, иониты, имеющие достаточно плотную структурную сетку с "окнами" определённого размера и избирательно поглощающие лишь те ионы, которые способны пройти в эти "окна", называют ионитовыми ситами.

Из неорганических ионитов практическое значение имеют природные и синтетические алюмосиликаты (некоторые глинистые минералы, цеолиты, пермутиты), гидроокиси и соли многовалентных металлов, например гидроокись и фосфат циркония. Находят применение иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы, лигнина и др. Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам — ионообменным смолам.

В зависимости3 от способа получения и назначения иониты выпускают в различных товарных формах: в виде порошка, зёрен неправильной формы или сферических гранул, волокнистого материала, листов или плёнок (ионитовых мембран). На международный рынок иониты поступают под фирменными названиями: амберлиты (США, Япония), дуолиты (США, Франция), дауэксы (США), зеролиты (Великобритания), леватиты (ФРГ), вофатиты (ГДР) и многие др. Основные промышленные марки отечественных ионитов: катиониты КУ-1, КУ-2, СГ-1, КБ-2, КБ-4, аниониты АВ-16, АВ-17, АН-1, АН-2Ф, АН-18, АН-31, ЭДЭ-10П.

Важнейшей областью применения ионитов была и остаётся водоподготовка. С помощью ионитовых фильтров получают деминерализованную (обессоленную) воду для паросиловых установок, многих современных технологических процессов и бытовых нужд. Ионитовые фильтры и электродиализные установки с ионитовыми мембранами применяют для опреснения морской или грунтовой воды с высоким солесодержанием. В гидрометаллургии иониты используют в процессах обогащения сырья, разделения и очистки редких элементов. Иониты позволяют извлекать золото, платину, серебро, медь, хром, уран и др. металлы из растворов. Переработка радиоактивных отходов, удаление многих вредоносных примесей из сточных вод также успешно осуществляются с использованием ионитов.

В химической промышленности иониты применяют для очистки или выделения продуктов органического и неорганического синтеза, в качестве катализаторов, как средство аналитического контроля технологических процессов. В пищевой промышленности иониты используют при рафинировании сахара, для улучшения качества вин и соков, в производстве витаминов и лекарственных препаратов. С их помощью из растительного и животного сырья извлекают ценные продукты биологического синтеза, консервируют плазму крови, лечат некоторые заболевания. Иониты всё шире применяют в производственной практике, науке и быту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.

ГЛИНИСТЫЕ МИНЕРАЛЫ

 

В целях удобства многочисленные неорганические ионообменники можно разделить на несколько главных типов4.

А. Ионообменники с кристаллическим строением	1. Алюмосиликаты: а) с двумерной слоистой структурой, например глины и слоистые цеолиты; б) с трехмерной сетчатой структурой, например цеолиты; 2. Несиликатные соединения, например, соли гетерополикислот.
Б. Ионообменники с неявным кристаллическим строением и аморфные вещества.	1. Гидроокиси многовалентных металлов; 2. Кислые соли многовалентных  металлов и многоосновных кислот.

 

Глинистые минералы включают различные группы алюмосиликатов, основные типы которых почти незаметно переходят один в другой. Строение части из них было установлено с помощью рентгеноструктурного и других физических методов анализа. Чтобы объяснить ионообменные свойства глин, необходимо хотя бы в общих чертах рассмотреть соответствующие структуры, только тогда можно представить существующие между ними различия и установить их связь с другими типами неорганических ионообменных соединений.

Алюмосиликатный каркас у глин в основном состоит из чередующихся параллельных двумерных слоев, образованных силикатными тетраэдрами и алюминатными октаэдрами.5 Расположение этих слоев, степень и природа изоморфных замещений внутри них в значительной степени определяют химические и физические свойства соответствующих материалов. Три основных типа глинистых минералов можно рассматривать как идеальные (рис. 1).6

Простейший тип (рис. 1, а)7 характерен для каолинитовых глин, глинистых отложений в Китае. У этого типа основной единицей является двойной слой, состоящий из одного силикатного и одного алюминатного слоев с незначительными изоморфными замещениями внутри каждого из них. Структурные единицы подобного типа при построении ориентируются вдоль оси с кристалла, перпендикулярной плоскостям слоя, на краях и углах которого обычно находятся свободные гидроксильные группы. Типичная формула каолинита Si4Al4O10(OH)8 , однако состав отдельных членов ряда может отличаться от идеального. Свободные гидроксильные группы могут обмениваться с анионами при погружении в раствор соли, и так как они представляют собой слабые кислоты, то содержащиеся в них ионы водорода могут также замещаться катионами. Поэтому каолинит имеет небольшую обменную емкость, примерно одинаковую для катионов и анионов. В более сложных типах глинистых минералов наблюдается повторение структурной ячейки, состоящей из одного алюминатного слоя, расположенного между двумя силикатными слоями; идеальная формула структурной ячейки Si8Al4О20(OH)4• nН2О. Но в результате изоморфных замещений формулы этих соединений сильно отличаются от написанной, и среди них можно отчетливо различить два типа. Такие замещения могут встречаться как в тетраэдрическом, так и в октаэдрическом слое; они зависят от размера и координационного числа ионов, замещающих алюминий и кремний. Например, А13+ в октаэдрическом слое может быть замещен на Mg 2+ и Fe2+ и другие ионы октаэдрического строения с соответствующими радиусами, a Si4+ в тетраэдрическом слое может быть замещен А13+, так как последний может иметь координационные числа 4 и 6. Таким образом, алюминий может находиться и в тетраэдрических, и в октаэдрических слоях некоторых глин. В любом случае исходный ион замещается ионом низшего положительного заряда и каркас приобретает отрицательный заряд при каждом акте замещения. Поэтому для сохранения электронейтральности катионы внедряются в межплоскостные пространства между каждой парой трехслойных ячеек (см. рис. 1.б и 1. в).8

Если минерал находится в виде суспензии в водном растворе и молекулы воды могут проникать между отдельными слоями ячеек, то катионы минерала свободно перемещаются и могут обмениваться с катионами, присутствующими в растворе. Таким образом, катионообменная емкость этих двух типов глинистых минералов частично увеличивается благодаря обмену, происходящему на краях и углах граней, как в каолините, но в большей степени вследствие замещения катионов, находящихся в межплоскостных пространствах. Степень последнего зависит от интенсивности изоморфного замещения, но, как правило, она значительно выше, чем в первом случае. В результате катионообменные емкости этих двух типов минералов намного превышают их анионообменные емкости. Кроме того, если катионообменная емкость каолинита может значительно возрастать при уменьшении размера частиц, то емкость глин других типов гораздо в меньшей степени зависит от этого параметра. В каолинитовых глинах отдельные ячейки связаны в направлении оси со слабыми силами Ван-дер-Ваальса и водородными связями, вследствие чего минералы очень быстро диспергируются в воде, хотя в растворах солей может выпадать хлопьевидный осадок.

 

Возможные пути использования глин в качестве ионообменников.9

 

Несмотря на то, что устойчивость глин в растворах кислот невелика, они были предложены для использования в качестве ионообменников в тех случаях, когда имеет значение их дешевизна, специфичность, а также устойчивость по отношению к радиации и нагреванию в водной среде. Монтмориллонит предложили использовать при переработке радиоактивных сбросных растворов, из-за малых размеров его частиц для получения материала, который можно использовать в больших колонках, необходима некоторая предварительная обработка. Из двух изученных процессов один заключается в выдавливании материала из водяной пульпы в ионообменную колонку, другой — в смешивании глины со связующим раствором, например с этилортосиликатом, с последующим разложением смеси при нагревании. Последняя операция, однако, приводит к некоторой потере емкости. Оба этих метода имеют свои недостатки, и, кроме того, полученные продукты неустойчивы в водных средах при высоких температурах. Согласно третьему способу, монтмориллонит отмывается разбавленными растворами кислоты и щелочи, удаляются частицы диаметром < 2 м к и далее при pH = 1 осаждается хлопьевидный осадок, который отделяется центрифугированием. Затем 2%-ная суспензия в течение трех недель подвергается электродиализу с применением дистиллированной воды для удаления ионов хлора. Полученная суспензия медленно испаряется досуха при температуре 70°. Твердое вещество размалывают, просеивают; в результате получается материал, состоящий из ориентированных агрегатов, в которых плоскости кристаллов параллельны внутренним слоям. В другом варианте хлопьевидный осадок сушат неполностью и прессуют для получения волокнистого материала с 50% -ной влажностью. Считают, что агрегаты, находящиеся в Н+-форме, устойчивы в водных растворах при 300° и ионы водорода, содержащиеся в них, могут обратимо заменяться другими катионами. Так, емкость этого ионообменника по отношению к барию составляет приблизительно 1 мг-экв/г и при температуре 100°, и при 250°. Вермикулит, также пригодный для данных целей, имеет, вероятно, то преимущество, что он не требует предварительной обработки. Для достижения наибольших скоростей обмена нужно использовать его расслоенную форму.

 

ЦЕОЛИТЫ.10

 

Цеолиты образуют другую группу алюмосиликатных минералов, построенных из тетраэдрических группировок АlO45- и SiО44- с общими углами, ребрами и гранями, образующих плотную структуру. Подобно глинистым минералам, они имеют отчетливо различаемое кристаллическое строение. В зависимости от строения и типа связи цеолиты существуют в виде волокнистых, слоистых или жестких трехмерных структур. Первые два класса цеолитов имеют строение, аналогичное волокнистым глинистым минералам (например, аттапульгиту, сепиолиту) и типичным слоистым глинистым минералам и слюдам соответственно. Третий класс цеолитов с сильной ковалентной связью по всем трем направлениям не имеет аналогов среди глинистых минералов. Цеолиты этого класса имеют прочную трехмерную кристаллическую решетку, которую обычно используют при описании цеолитов; ионообменные свойства этого класса цеолитов исследованы.