ІОННИЙ ОБМІН

ІОННИЙ ОБМІН — оборотний процес обміну іонами між двома контактуючими фазами. Зазвичай одна з фаз — розчин електроліту, друга — іоніт (див. Іоніти). Іоногенна група іоніту дисоціює, утворюючи іонну пару, фіксований іон якої ковалентно пов’язаний з каркасом (матрицею) іоніту, а протиіон рухомий і може обмінюватися на іони однойменного заряду із розчину електроліту. І.о. — це гетерогенна хімічна реакція обміну, яка кількісно характеризується константою рівноваги К, яку визначають за рівнянням Нікольського:

K = (c1 /a1)1/z1 · (c2 /a2)1/z2,

де с1 і с2 — концентрації протиіонів 1 та іонів 2 у рівноважному розчині; а1 і а2 – концентрації іонів 1 і 2 у рівноважній фазі іоніту; z1 i z2 — зарядові числа іонів. Зміна енергії Гіббса в ході І.о. підпорядковується рівнянню: ∆G = –RTlnK.

Задачу знаходження K. можна звести до експериментального визначення рівноважної концентрації С одного компонента в розчині. У разі обміну однозарядних іонів маємо рівняння:

a = K · a0 c /[c0 + (K – 1)c],

де а — рівноважна концентрація іона у фазі іоніту; а0 — обмінна ємність іоніту; с0 — концентрація вихідного розчину.

Сорбованість іонів зростає зі збільшенням заряду іона, а у іонів з рівними зарядами — зі зменшенням ступеня їх гідратації. При І.о. багатьох органічних іонів виникає додаткова взаємодія цих іонів з матрицею сорбенту (дисперсійні сили, водневий зв’язок). Унаслідок цього K для органічних сполук часто на 1–2 порядки вища, ніж для неорганічних.

Процес І.о. складається з 5 послідовних стадій: переміщення сорбованого іона до поверхні зерна сорбенту (1) та всередині нього (2), власне І.о. (3), переміщення витиснутого іона всередині зерна сорбенту (4) і від його поверхні в розчині 5). Усі стадії, за винятком хімічної реакції обміну, мають дифузійний характер. Лімітуючу стадію визначають експериментально: якщо це хімічна реакція обміну, то швидкість процесу не залежить від розміру зерен сорбенту; якщо це внутрішня дифузія, то сорбція зростає після перерв у досліді (явище «відпочинку»); якщо це зовнішня дифузія, то швидкість поглинання залежить від швидкості проходження розчину. Коефіцієнти дифузії визначають експериментально, для органічних іонів вони на 1–2 порядки менші, ніж для неорганічних. Особливо великі органічні іони (напр. антибіотиків) не проходять у внутрішню частину зерен сорбентів. Тому для них застосовують поверхнево-шаруваті сорбенти, в яких іоногенні групи розташовані тонким шаром поблизу поверхні зерен. Зменшення шляху дифузії призводить до різкого збільшення швидкості І.о. Більшість іонообмінних процесів проводять у динамічних умовах — пропусканням розчину через нерухомий шар сорбенту у періодичних процесах або протитечійним рухом розчину і сорбенту у безперервних процесах. Переваги динамічного методу — глибоке очищення розчину від домішок (завдяки контакту зі свіжими порціями сорбенту) і повне використання обмінної ємності шару (внаслідок видалення потоком розчину продуктів іонообмінної реакції зі сфери реакції).

Процеси І.о. застосовують для одержання пом’якшеної і знесоленої води, рідких, кольорових і благородних металів із руд, для розподілу компонентів складних сумішей (див. Хроматографія), у харчовій промисловості — у виробництві цукру, для очищення стічних вод, а також повітря. У фармацевтичній промисловості І.о. використовують для одержання різних ЛП, зокрема антибіотиків. Сорбційними методами видаляють токсичні речовини з організму. Крізь шар сорбенту пропускають кров, плазму крові, лімфу. Відповідно ці процеси називають гемо-, плазмо- і лімфоперфузією. Недоліком гемосорбції є прямий контакт адсорбенту із клітинними частинками крові (еритроцитами, тромбоцитами, лейкоцитами), внаслідок чого сорбент може травмувати клітини. Для запобігання цьому недоліку гранули сорбенту покривають тонкими біосумісними пористими полімерними плівками. В Україні випускають гемосорбенти, призначені для лікування токсикозів, перитонітів, опіків, деяких шкірних хвороб, а також гемосорбенти, що використовуються у терапії імунозалежних хвороб.

Гриссбах Р. Теория и практика ионного обмена. — М., 1963; Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. — Л., 1980; Химическая энциклопедия. В 5 т. — М., 1990. — Т. 2.