Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

Определение кислотно-основных свойств ионообменных материалов

Методические указания

к внеаудиторной самостоятельной работе по дисциплине

«Химия и микробиология воды» для студентов дневной (3 курс)

и заочной (4 курс) форм обучения по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

Воронеж 2012

УДК 544.723.21

ББК 24.5

Составитель Г.В. Славинская

Определение кислотно-основных свойств ионообенных материалов: метод. указания к внеаудиторной самостоятельной работе по дисциплине «Химия и микробиология воды» для студ. дневной (3 курс) и заочной (4 курс) форм обучения спец. 270112 / Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т.; сост.: Г.В. Славинская. - Воронеж, 2011. – 36 с.

В методических указаниях даны теоретические положения метода потенциометрического определения кислотно-основных характеристик ионообменных материалов. Знание констант ионизации функциональных групп ионообменника позволяет правильно выбрать тип и марку ионита для использования на разных стадиях водоподготовки, особенно при очистке сточных вод с разной реакцией среды, а также при выборе условий регенерации отработанной фильтрующей загрузки.

Предназначено для студентов, аспирантов и магистрантов, обучающихся по направлению 270112 «Водоснабжение и водоотведение»

Ил. 6 . Табл. 1. Библиогр.: 9 назв.

УДК 544.723.21

ББК 24.5

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Рецензент – Яценко В.Н., к.б.н., доцент кафедры гидравлики,

водоснабжения и водоотведения Воронежского ГАСУ

1. Общие сведения об ионном обмене и ионитах

Ионообменные материалы за сравнительно короткое время получили широкое распространение в различных областях науки и промышленности. Основными потребителями ионитов и ионообменной технологии являются: аналитическая и препаративная химия, биохимия, медицина, фармацевтическая промышленность и пищевая промышленность, водоподготовка для прецизионных производств, тепло- и атомной энергетики и др. Уровень требований, предъявляемых к ассортименту, свойствам и качеству ионообменных материалов, непрерывно растет. Возможности практического применения ионитов расширяются в связи с синтезом новых типов ионообменных и сорбционных материалов.

Рациональное использование ионитов для решения практических задач требует всестороннего изучения их физико-химических свойств и параметров равновесий в ионообменных системах, делает необходимым разработку методов теоретического обоснования и оптимизации ионообменных процессов.

Ионный обмен - гетерогенный химический процесс, в котором участвует электролит и ионит. Ионит - твердая или жидкая, не смешивающаяся с водой или другим растворителем фаза.

Полимерные иониты представляют собой сшитые полиэлектролиты, состоящие из каркаса (матрицы) и функциональных (ионогенных) групп. Вследствие их ионизации в ионите образуются две разновидности ионов: фиксированные, закрепленные на матрице и не способные перейти во внешний раствор, а также ионы, противоположные по знаку заряда фиксированным ионам. Их называют противоионами. Они легко переходят во внешний раствор в обмен на строго эквивалентное количество ионов того же знака, поступающих в ионит из внешнего раствора.

Если ионизация функциональных групп приводит к образованию свободных (не связанных ковалентно с органическим полимером) катионов, то ионообменник называется катионитом. Функциональные группы катионитов: SO₃^-¦H⁺; -СОО^-¦Н⁺; - ¦2H⁺ ; - ¦2H⁺ ; - ¦2H⁺ ; -S^-¦H⁺ ; -O ^-¦H⁺ (гидроксильные группы фенольного ядра) и др.

Если при ионизации фиксированных функциональных групп полимера образуются свободные анионы, ионит является анионитом. Функциональные группы анионитов: -N⁺(CH₃)₃ , -NН₃⁺, =NH₂⁺, NH⁺ и др.

Ионообменные синтетические материалы получаются полимеризацией или поликонденсацией исходных низкомолекулярных веществ. Ионогенные функциональные группы в полученных высокомолекулярных материалах, придающих им свойства катионообменника или анионообменника, вводят обычно на последних этапах синтеза.

В зависимости от константы ионизации функциональных групп катионообменники могут быть отнесены к сильнокислотным или слабокислотным, а анионообменники к сильно - и слабоосновным. Среди катионитов и анионитов могут быть также ионообменники, содержащие функциональные группы, по своей способности к ионизации занимающие среднее положение.

К сильнокислотным относятся катиониты, содержащие сульфогруппы, присоединенные к бензольному кольцу (сульфокатиониты). Кажущаяся константа диссоциации сульфогрупп K_a  10^-110^-2 мольл^-1 (pK_a  12). Сильнокислотные катиониты могут применяться при любых значениях рН водных растворов.

К катионитам средней силы относятся образцы с группами фосфорной кислоты, у которых K_a  10^-310^-5 мольл^-1 (pK_a  35). Эти иониты могут работать при рН > 3. Слабокислотные катиониты содержат карбоксильные группы с K_a  10^-510^-7 мольл^-1 (рK_a  57). Они слабее своего аналога - уксусной кислоты с рK_a = 4,75.

К очень слабокислотным относятся фенольные катиониты с группами -C₆Н₄ОН (рK_a  10) и сульфгидрильные катиониты с группами -SH (pK_a > 10).

Как видно, значения pK_a катионитов позволяют достаточно четко провести их классификацию. Катиониты с кислотными группировками значительно слабее их простых аналогов - соответствующих минеральных или органических кислот, что объясняется деполяризующим влиянием матрицы высокомолекулярного органического соединения на связь О:Н, в результате которого снижается эффективный положительный заряд водорода.

В отличие от катионитов аниониты несколько труднее поддаются классификации, так как их основность очень сильно зависит от места расположения функциональных групп в структуре матрицы.

К сильноосновным относятся аниониты с четвертичными алкиламмониевыми группами: -[N(CH₃)₃]⁺OH^-, K_b  10^-110^-2 (тип I) и [N(CH₃)₂C₂H₄]⁺OH^-, K_b  10^-110^-2 (тип II), и с пиридиниевыми группами -[C₅H₅N]⁺OH^-, K_b  10^-2  10^-3, рK_b = 23.

К среднеосновным относятся аниониты с третичными (N), вторичными (=NН) и первичными (-NН₂) аминогруппами, присоединенными к алифатической цепи матрицы (K_b  10^-310^-5, рK_b = 35).

К слабоосновным относятся аниониты, в которых вторичные и третичные аминогруппы присоединены (непосредственно или через метильную группу) к ароматическому радикалу (K_b  10^-610^-9, рK_b = 69).

Очень слабоосновными являются аниониты с пиридиниевыми функциональными группами -C₅H₄N c K_b  10^-910^-10 (рK_b = 910), а также аниониты с первичными аминогруппами, присоединенными к ароматическому кольцу -C₆H₄-NH₂ (K_b > 10^-10).

Для анионитов справедлива следующая закономерность - с удалением функциональных групп от ароматических и гетероциклических ядер в структуре анионита их основность увеличивается. Сильноосновные аниониты могут применяться при любых значениях рН среды, среднеосновные - при рН  11, слабоосновные - при рН  9, очень слабоосновные - при рН  5.

Многие органические и минеральные иониты полифункциональны, то есть содержат два и более видов функциональных групп.