Неорганические иониты - Амфлетт Ч.
Скачать (прямая ссылка):
Селективность и равновесие обмена на глинах; обмен на монтмориллоните и аттапульгите
Для глинистых минералов, как и для органических ионообменных смол, надежно установлено сродство некоторых групп элементов [4]. Сродство катионов возрастает в порядке уменьшения гидра-тированных ионных радиусов; например, для щелочных металлов порядок следующий: 1л+<Ыа+<К+< <РчЬ+<Сэ+. Положение иона водорода в этом ряду трудно определить, так как при обработке кислотой
Глинистые минералы
35
обычно происходит разрушение алюмосиликатного каркаса, сопровождающееся диспергированием глины и переходом иона алюминия в раствор. Поэтому результаты, полученные при титровании глин кислотами, следовало интерпретировать с большой осторожностью. Водородные формы глинистых минералов могут быть получены при отстаивании последних с катионообменной смолой, находящейся в Н+-форме; для того чтобы в растворе поддерживать значения рН, приблизительно отвечающие нейтральной реакции, катионит обычно применяют в виде смеси с анионообменной смолой.
Получить точные термодинамические данные по ионному обмену в глинистых системах стало возможным только после того, как стали доступны образцы с хорошо воспроизводимым составом. О первой работе в этом направлении сообщалось в 1951 г. В статьях Томаса и его сотрудников содержатся данные о некоторых известных глинистых минералах, предоставленных Американским нефтяным институтом. Результаты по сорбции и элюированию, выраженные в виде кривых, были получены на колонках из смеси глины и асбеста, в которых минерал превращался из одной катионной формы в другую с помощью растворов различного состава. Методы, применяемые для изучения реакций ионного обмена, можно разделить на три типа. Во-первых, исследование превращения естественных глин, обычно находящихся в кальциевой или магниевой форме, в другую катионную форму, например цезиевую. Полную емкость минерала можно измерить при пропускании раствора цезия через колонку путем определения концентрации катионов в элюате или исходя из количества цезия, поглощенного колонкой. Во-вторых, можно показать обратимость процесса обмена путем исследования нескольких циклов обмена между глиной в цезиевой форме и, например, калием. В более общем случае можно осуществить изотопный обмен между неактивной цезиевой глиной и раствором цезия, меченного Сэ137, что может дать информацию о кинетике реакций обмела, интерпре-
36
Глава 2
тация которой будет упрощена, поскольку свободная энергия обмена для изотопной системы невелика. И наконец, для изучения равновесия между двумя катионами А+ и В+ их смешанные растворы с постоянной общей концентрацией, но с различными соотношениями между ними можно пропускать через колонку до тех пор, пока составы поступающих и вытекающих растворов не станут одинаковыми. Глина тогда будет находится в равновесии с двумя катионами при условии постоянства общей концентрации ионов. Степень сорбции, соответствующую этим концентрациям, можно получить путем интегрирования выходной кривой или путем вымывания катионов из глины и анализа этого раствора. Поскольку общая концентрация в опытах по вымыванию известна, необходимо определить содержание лишь одного из ионов, что обычно делается с помощью соответствующего радиоактивного индикатора. Однако в некоторых случаях, когда сродство глины к двум катионам сильно отличается, можно определять концентрации обоих катионов, что позволяет получать более точные результаты.
Если 9о— полная обменная емкость глины, q — количество данного иона, поглощенного после достижения равновесия, с0 — общая концентрация исследуемого раствора и с—концентрация искомого иона, то результаты могут быть выражены в форме изотермы, которая определяет зависимость относительного поглощения q/qo от относительной концентрации с/с0. Емкость и сорбция обычно выражаются в миллиграмм-эквивалентах {мг-экв) на 1 г обменника, а концентрация— в миллиграмм-эквивалентах на 1 мл раствора. На рис. 3 и 4 показаны характерные изотермы обмена на монтмориллоните [5] и аттапульгите [6].
Монтмориллонит, применявшийся в работе, был взят из отложений Чамберса (Аризона); его химический состав соответствует формуле
( А11,329^ ео,!216^ёо,541^ ео,07б) (Si^gaAlg^) Ol0 (ОН)2 (CaQ)209Na0lo29Ko,023)»
Относительная концентрация Cs в растворе с/с„
Рис. 3. Изотермы обмена систем цезий — стронций и цезий — калий иа монтмориллоните [5].
---Са —К, 0,01—0,04 н. раствор, комнатная температура;
-Сз—Эг, 0,05 н. раствор, температура: О 5°, Э 25°, О 75°.
О О} О? Щ ад Го
Относительная концентрация Сб в растворе с/с0
Рис. 4. Изотермы обмена щелочных металлов на аттапульгите [6].
Концентрация раствора 0,02 и.
38
Глава 2
в которой в первых скобках представлены октаэдри-чески координированные ионы, во вторых — тетра-эдрически координированные ионы, в последних — обменивающиеся катионы. Вычисленная для этого образца емкость, равная 1,32 мг-экв/г, хорошо совпадает с экспериментальной величиной (1,38 мг-экв/г).
Относительно/} концентрация Сэ в растворе с/с0
Рис. 5. Изотермы обмена на нижних зеленых песках при 20° [7].
