Гидрометаллургия

I. Иониты, проявляющие свойства сильных кислот или оснований. Катиониты этого типа характеризуются легкостью вытеснения из них ионов водорода другими катионами. Уже при малых) значениях рН ионы водорода замещаются на (Катионы раствора. Аниониты этого типа характеризуются легкостью обмена ионов гидроксила на анионы различных кислот.
Активной группой в катионитах I типа является группа
—SO₃Н. Аниониты этого типа содержат четвертичные аммониевые основания ( N+). К ионитам I типа относятся КУ-2, КУ-3, КУ-4, СДВ-2, СДВ-3, АР, АВ-16, АВ-17, АМ, АМП.
II. Иониты, проявляющие свойства слабых кислот или оснований. При низких значениях рН катионы большинства металлов почти неспособны поглощаться катионитами этого типа (ион водорода не вытесняется). Аналогичные свойства проявляют аниониты этого типа по отношению к анионам при низких значениях рОН. При повышении значения рН (или рОН) обменная емкость ионитов этого типа вначале незначительная, затем быстро возрастает. Активные группы ионитов этого типа:
—СООН; —SiO₂H; —ОН; —NH₂⁺; —NH₃⁺- или = NH⁺ (силикагель, КБ-4, КБ-4П2, СГ-1, ЭДЭ-10П, АН-2Ф, АН-1, ММГ-1,НО).
III. Иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислот или оснований. Определенная обменная емкость для этих смол реализуется уже при низких значениях рН или рОН (за счет сильнокислотных или сильноосновных групп). При повышении рН или рОН обменная емкость резко возрастает в тот момент, когда начинают «работать» слабоосновные или слабокислотные группы.
Катиониты этой категории содержат различные кислотные остатки (например, карбоксильную и сульфогруппу), аниониты—смесь N⁺ и =NН⁺: КУ-1, КУ-6, КБУ-1, СНФ, КФ-1, КФУ, СМ-12, сульфоуголь, ПЭК,
IV. Иониты, обменная способность которых непрерывно возрастает по мере повышения рН или рОН. Такие иониты ведут себя подобно смеси многих кислот или оснований различной силы. Изменение их обменной емкости происходит постепенно в широком интервале рН (рОН). К ним относятся многие природные ионообменники (почвы, глины и т. п.).

Рис 2
Кривые, характеризующие

иониты четырех типов (зависимость
обменной емкости ионита ОЕ от рН
(рОН) раствора) (Айвазов Б. В.,
1968, с. 78 рис.24).

На рис. 2 приведены кривые, характеризующие зависимость обменной емкости ионитов четырех типов от рН (для катионитов) и рОН (для анионитов).

Полная емкость, отнесенная к определенному количеству смолы, есть величина постоянная. Обычно емкость относят к единице массы или объема набухшего или сухого ионита.
За стандартизованное состояние при определении емкости обычно принимают катионит в Н⁺-форме и анионит в Сl-форме. Емкость часто приводят в миллиграмм-эквивалентах сорбируемого вещества на грамм смолы, в стандартном состоянии, отмытой от избытка адсорбированных веществ и высушенной.
К основным характеристикам ионообменных смол относятся:
обменная емкость ионита. Различают три разновидность емкости: статическую, динамическую и полную динамическую.
1. Статическая обменная емкость (СОЕ) выражает число миллиграмм-эквивалентов данного вида ионов поглощаемых одним граммом воздушно-сухого ионита, находящегося в статическом контакте с раствором заданной концентрации иона и РН при достижении равновесного состояния.
Динамическая обменная емкость (ДОЕ) определяется числом миллиграмм-эквивалент ионов на один литр набухшего ионита поглощаемых в динамических условиях, т.е. при пропускании через определенный слой сорбента раствора определенной концентрации с постоянной скоростью до проскока поглощаемого иона. Полная динамическая ёмкость (ПДОЕ) отвечает поглощению ионов в динамических условиях до полного насыщения слоя ионита.
Лучшие образцы ионитов имеют СОЕ равную (4,0-8,0)мгэкв/г.
К важным характеристикам относятся гранулометрический состав ионитов находящийся в пределах (0,6-1,6)мм, для набухшего состояния, механическая прочность и пористость матрицы влияющая на кинетику сорбции.
Преимущественное поглощение одного из ионов называется селективностью или избирательностью ионита. Как правило, селективность обуславливается двумя факторами. Она зависит от соответствия размеров пор сорбента размеру гидратированного радиуса иона элемента, когда ионы больших радиусов не входят в эти поры зерен ионита (ситовый эффект), а ионы меньших размеров характеризуются меньшей энергией сорбции. Такой эффект проявляется более четко при наибольшем набухании ионита. Этот гидратационный эффект ещё более четко проявляется в практически ненабухающих неорганических сорбентах. С другой стороны, селективность может быть обусловлена химическим взаимодействием, особенно комплексообразованием извлекаемых ионов с функциональными группами ионитов, появлением дополнительной координационной связи. Для металлов типа железа, урана, редкоземельных элементов характерно образование комплексных соединений с кислородом в качестве адденда. Поэтому селективными по железу являются иониты с большим содержанием фенольных групп, а по урану и редкоземельным элементам – карбоксильные и фосфорнокислые катиониты. Такие элементы, как кобальт, никель, медь образуют в растворах устойчивые аммиакаты, поэтому селективно сорбируются анионитами содержащими первичные аминогруппы. Увеличение валентности иона также приводит к большей прочности связи иона с матрицей смолы и способствует сдвигу равновесия в сторону сорбции многовалентного иона.
Зависимость количества поглощенного иона от является однозначной функцией концентрации этого иона в растворе. Эта зависимость выражена в изотермах сорбции.

а_с изотермы сорбции

1,0 с_р - концентрация иона в растворе
а_с – емкость сорбента
1 условия равновесные
2
3

1,0 с_р

Если сродство поглощаемого и вытесняемого иона одинаково, то изотерма 2 линейная.

При большем сродстве поглощаемого иона изотерма 1 выпуклая.
Если поглощаемый ион связан с ионитом менее прочно, чем ион находящийся в матрице ионита, изотерма будет вогнутой.
Характер изотермы определяет для равновалентных ионов резкость границы зон их разделения. Резкая зона разделения при выпуклой (1) изотерме, при вогнутой (3) – границы размыты. Резкость границы зон также зависит от заряда ионов, емкости ионита и концентрации иона пропускаемого через колонку.