5.1. Активне вугілля–іонообмінники
Активне вугілля поряд з широко і здавна відомими адсорбційними властивостями мають ще й здатність до іонного обміну, а також до електронного обміну. Ці унікальні «здібності» активного вугілля слід описати докладніше.
5.1. Активне вугілля–іонообмінники
Слід коротко згадати, що є явище іонного обміну. Відомо, що багато речовин (електроліти) - кислоти, луги, солі - при розчиненні у воді розпадаються на іони різного знака. Існують також тверді тіла, що є утворенням з гігантського катіону або аніону, заряди яких нейтралізовані відповідними протиіонами. Це, зокрема, спеціальні синтетичні полімери, які мають функціональні групи кислотного чи основного характеру. Пов'язані з ними протиоіони, наприклад, іони водню або гідроксилу, можуть обмінюватися з іонами зовнішнього розчину. Відбувається іонний обмін, який можна схематично записати так:
Тут і складний катіон і аніон, матриця, що несе рухливі іони. Такі тверді нерозчинні речовини, здатні обмінювати свої рухливі іони на однойменно заряджені іони навколишнього розчину, називаються іонітами. Процеси іонного обміну зазвичай цілком оборотні і легко йдуть у прямому, й у напрямі.
Залежно від того, які іони обмінюються, іоніти ділять на катіоніти (які катіони обмінюють) і аніоніти (обмінюючі аніони). Відомі й амфотерні іонообмінники – амфоліти.
При дослідженні активного вугілля виявилося, що вони теж мають іонообмінну здатність, причому не тільки спеціально оброблені, а й звичайнісінькі. При цьому, залежно від умов приготування, вони можуть бути катіонітами, аніонітами або амфолітами. Іонний обмін на вугіллі обумовлений різними причинами –хімічними та електрохімічними. Так, звичайне активне вугілля у водних розчинах на повітрі виявляє аніонообмінні властивості. Це з тим, що у умовах вугілля веде себе як своєрідний кисневий електрод. Поверхня його заряджена позитивно, а зовнішню обкладку подвійного електричного шару складають іони гідроксилу (А.М. Фрумкін, Д.М. Старжеско):
Внаслідок того, що активне вугілля має дуже велику питому поверхню, такий подвійний шар, що вистилає всю поверхню зіткнення вугілля з водою (розчином), має високу ємність. Це призводить до значно аніонообмінної здатності, тому що іони гідроксилу можуть легко обмінюватися з аніонами оточуючого розчину.
У певних спеціально створених умовах можна електрохімічно перезарядити активне вугілля, надати йому негативного заряду. Це досягається, наприклад, на вільному від кисню вугіллі, на яке нанесено невелику кількість платини, при поміщенні його в атмосферу водню (водневе вугілля). Зовнішню обкладку подвійного електричного шару при цьому становлять іони водню, в розчинах таке вугілля має властивості катіонообмінника
Катіонообмінні властивості характерні для спеціально приготованого окисленого вугілля. Окислення вуглецевої поверхні відбувається завжди при зіткненні її з киснем повітря, але при звичайній температурі воно йде дуже повільно, при підвищеній (в інтервалі 400-450 ° С) процес прискорюється і поверхнею вугілля може бути пов'язане до 15-25% кисню. Окислене вугілля містить велику кількість кисневмісних груп кислотного характеру. Крім того, його поверхня заряджена негативно, що є причиною існування певної кількості електрохімічно пов'язаних із нею іонів водню.
Будова подвійнихелектричних шарів біля поверхні звичайних та окислених вугілля та іонний обмін на них можна зобразити наступним чином:
В Інституті фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського АН УРСР ще на початку 60-х років було виявлено, що окислене вугілля на відміну від більшості синтетичних іонітів мають виключно високу вибірковість при катіонному обміні, що виявляється в багатьох системах. Ця здатність вибірково поглинати окремі компоненти суміші катіонів, залишаючи в розчині інші, пов'язана з будовою поверхні. Як випливає з наведеної вище схеми, на поверхні окисленого вугілля до вуглецевого каркаса, що представляє собою конденсовану систему ароматичних кілець, приєднані різноманітні кисневмісні групи. Ті, які містять водень (кислотні), здатні обмінюватися з катіонами розчину. Окремі іони, що поглинаються (головним чином багатозарядні) можуть утворювати з функціональними групами поверхневі координаційні з'єднання. У цьому ті чи інші іони зв'язуються з поверхнею неоднаково. Один, наприклад однозарядні катіони лужних металів (літію, натрію, калію), пов'язані переважно електростатичними силами, легко перетворюється на розчин, інші – міцніше пов'язані з функціональними групами і залишаються лежить на поверхні. Вибірковість окисленого вугілля обумовлена саме великими відмінностями у міцності поверхневих комплексів, що залежать від природи іона металу.