Ионообменные смолы: применение, свойства и классификация

Ионообменные смолы - уникальный класс полимерных материалов, обладающих способностью извлекать ионы из жидких сред. В данной статье мы подробно рассмотрим их состав, строение, основные свойства и области применения.

Знакомство с ионообменными смолами

Ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные органические полимеры, нерастворимые в воде и большинстве органических растворителей. Они содержат функциональные группы кислотного или оснóвного характера, способные к ионному обмену с растворами электролитов.

Определение и история открытия

Термин "ионообменные смолы" был предложен английским химиком Р. Кунином в 1935 году. Их открыли еще в конце XIX века, однако промышленное производство началось только в 1935-1940 годах.

Первые ионообменные материалы изготавливали на основе неорганических веществ - цеолитов и глин. В дальнейшем стали применять синтетические органические полимеры, обладающие рядом преимуществ.

Механизм действия - принцип ионного обмена

Действие ионообменных смол основано на способности функциональных групп, входящих в их состав, к ионному обмену с растворами электролитов. Процесс обмена протекает избирательно и обратимо, не затрагивая основную структуру полимера.

Схема ионного обмена выглядит следующим образом:

• Катионит в Н-форме + раствор NaOH = катионит в Na-форме + раствор HOH;
• Анионит в ОН-форме + раствор HCl = анионит в Cl-форме + раствор HOH.

Преимущества перед другими фильтрующими материалами

Ионообменные смолы обладают целым рядом ценных качеств:

• Высокая обменная емкость;
• Хорошая кинетика ионного обмена;
• Широкий выбор структур и функциональных групп;
• Устойчивость к агрессивным средам;
• Длительный срок службы;
• Возможность многократной регенерации.

Эти достоинства позволяют эффективно использовать ионообменные смолы в самых различных отраслях промышленности.

Основные свойства ионитов

Химический состав и строение гранул

Ионообменные смолы представляют собой зерна неправильной формы размером 0,25-1,2 мм. Они изготавливаются на основе синтетических полимеров - полистирола, полиакрилата и др. методом суспензионной полимеризации.

Гранулы имеют пористое строение, обладают развитой внутренней поверхностью. На этой поверхности располагаются функциональные группы, определяющие ионообменные свойства смолы.

Виды по активным группам: катиониты, аниониты, амфолиты

По типу обмениваемых ионов различают катиониты, аниониты и амфолиты:

• Катиониты - обменивают катионы (Na+, Ca2+, NH4+ и др.);
• Аниониты - обменивают анионы (Cl-, SO42-, NO 3- и др.);
• Амфолиты - обменивают как катионы, так и анионы.

Виды по структуре: гелевые, макропористые, мезопористые

По структуре различают гелевые, макропористые и мезопористые ионообменные смолы.

Гелевые иониты не имеют развитой пористой структуры, зато отличаются высокой обменной емкостью. Макропористые и мезопористые иониты обладают системой пор, позволяющих эффективно проводить ионный обмен.

Основные параметры, определяющие качество

Основными характеристиками ионообменных смол являются:

• Обменная емкость - количество ионов, которые способна поглотить 1 г сухого ионита;
• Скорость ионного обмена - быстрота установления сорбционного равновесия;
• Селективность - предпочтительность извлечения ионов одного типа.

Эти характеристики во многом определяют область применения того или иного типа ионита.

Схемы классификации ионообменных смол

Существует несколько схем классификации ионообменных смол, основанных на разных принципах.

По матрице (основе)

По химической природе матрицы иониты делят на:

• Полистирольные;
• Сополимерные;
• Полиакриловые.

Наиболее распространены сульфированные полистирольные смолы, обладающие высокой химической стойкостью.

По электрическому заряду обмениваемых ионов

По типу ионов, участвующих в обмене, различают:

• Катиониты;
• Аниониты;
• Амфолиты.

Данная классификация рассмотрена в п. 2.2.

По силе кислотности или основности функциональных групп

По этому признаку иониты делят на:

• Сильнокислотные;
• Слабокислотные;
• Сильноосновные;
• Слабоосновные.

Кислотно-основные свойства ионита определяют области его применения.

Подготовка ионообменных смол к применению

Подбор ионита

Перед применением ионообменных смол проводят их тщательный подбор в соответствии с условиями предполагаемого процесса.

Учитывают: состав очищаемого раствора, требования к качеству очистки, температурный режим, гидродинамические характеристики процесса и другие факторы.

Предварительное кондиционирование

Перед эксплуатацией проводят предварительную подготовку ионитов - их кондиционирование. Эта процедура заключается в переводе смолы в рабочую ионную форму.

Кондиционирование осуществляют пропусканием через слой ионита растворов кислот, щелочей или солей.

Периодическая регенерация

По мере эксплуатации происходит постепенное насыщение ионита извлекаемыми ионами, вследствие чего его обменная емкость снижается.

Для восстановления ионообменных свойств смол проводят регенерацию - перевод в исходную ионную форму.

Подготовка ионообменных смол к применению

Методы регенерации

Для регенерации ионитов используются следующие основные методы:

• Химический - обработка кислотой или щелочью;
• Термический - нагревание до 100-150°С;
• Электрохимический - электролиз при наложении постоянного тока.

Наиболее распространен химический метод регенерации, так как он позволяет быстро и с высокой степенью эффективности восстанавливать обменную емкость ионитов.

Схемы регенерации

Различают непрерывную и периодическую регенерацию ионитов.

При непрерывной регенерации часть ионообменной смолы постоянно находится в стадии восстановления. Это позволяет поддерживать высокую обменную емкость всего слоя ионита.

Периодическая регенерация осуществляется через определенные промежутки времени или после достижения ионитом предельной степени исчерпания.

Применение ионообменных смол

Водоподготовка и очистка сточных вод

Ионообменные смолы широко используются для умягчения и обессоливания воды в системах водоподготовки промышленных предприятий.

Кроме того, их применяют для извлечения ценных или токсичных компонентов из сточных вод в целях их повторного использования или обезвреживания.

Выделение и очистка веществ

С помощью ионообменных смол осуществляют глубокую очистку или выделение целевых веществ из растворов электролитов.

Этот метод широко используется в гидрометаллургии редких металлов, радиохимии, пищевой и фармацевтической промышленности.

Разделение смесей методом хроматографии

Благодаря своей селективности ионообменные смолы широко используются в ионообменной хроматографии для разделения смесей неорганических и органических веществ.

Этот метод основан на различной сорбируемости компонентов смеси ионитами разного типа. Последовательно пропуская раствор через несколько колонок с разными ионитами можно эффективно разделить сложные многокомпонентные смеси.

Очистка газов

Ионообменные смолы применяют также для очистки и осушки газовых сред, в частности природного газа, водорода, инертных газов.

Сорбционные свойства ионитов позволяют удалять из газов кислород, диоксид углерода, сероводород, меркаптаны и следы влаги.

Очистка масел и нефтепродуктов

Еще одно перспективное направление применения - использование ионообменных смол для очистки смазочных масел, дизельного топлива, бензинов от полярных примесей, воды и механических частиц.

Такая очистка позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства нефтепродуктов.