Ионообменная смола или ионообменный полимер — это смола или полимер , который действует как среда для ионного обмена . Это нерастворимая матрица (или опорная структура), обычно имеющая форму небольших (радиусом 0,25–1,43 мм) микрошариков , обычно белого или желтоватого цвета, изготовленных из органического полимерного субстрата. Шарики обычно являются пористыми (с определенным распределением размеров, которое влияет на их свойства), обеспечивая большую площадь поверхности внутри и внутри них, где происходит захват ионов вместе с сопутствующим высвобождением других ионов, поэтому этот процесс называется ионным обменом. . Существует несколько типов ионообменных смол. Большинство коммерческих смол изготавливаются из полистиролсульфоната [1] , за которым следует полиакрилат . [2]
Ионообменные смолы широко используются в различных процессах разделения , очистки и обеззараживания. Наиболее распространенными примерами являются умягчение и очистка воды . Во многих случаях ионообменные смолы применялись в таких процессах как более гибкая альтернатива использованию природных или искусственных цеолитов . Также ионообменные смолы высокоэффективны в процессе фильтрации биодизеля.
Большинство типичных ионообменных смол основаны на сшитом полистироле . Фактические ионообменные центры вводятся после полимеризации. Кроме того, в случае полистирола сшивание происходит за счет сополимеризации стирола и нескольких процентов дивинилбензола . Сшивка снижает ионообменную способность смолы и продлевает время, необходимое для осуществления ионообменных процессов, но повышает прочность смолы. Размер частиц также влияет на параметры смолы; более мелкие частицы имеют большую внешнюю поверхность, но вызывают большие потери напора в колонных процессах. [3]
Ионообменные смолы производятся не только в виде шариков, но и в виде мембран. Эти ионообменные мембраны , изготовленные из ионообменных смол с высокой степенью сшивки, которые пропускают ионы, но не воду, используются для электродиализа .
Четыре основных типа ионообменных смол различаются по своим функциональным группам :
Известны также специализированные ионообменные смолы, такие как хелатные смолы ( иминодиуксусная кислота , смолы на основе тиомочевины и многие другие).
Анионовые смолы и катионные смолы являются двумя наиболее распространенными смолами, используемыми в процессе ионного обмена. В то время как анионные смолы притягивают отрицательно заряженные ионы, катионные смолы притягивают положительно заряженные ионы.
Формула: R-OH базовый
Анионовые смолы могут быть как сильноосновными, так и слабоосновными. Сильноосновные анионные смолы сохраняют свой отрицательный заряд в широком диапазоне pH, тогда как слабоосновные анионные смолы нейтрализуются при более высоких уровнях pH. [4] Слабоосновные смолы не сохраняют свой заряд при высоком pH, поскольку подвергаются депротонированию. [4] Однако они обладают превосходной механической и химической стабильностью. Это, в сочетании с высокой скоростью ионного обмена, делает слабоосновные анионные смолы хорошо подходящими для органических солей.
Для анионных смол регенерация обычно включает обработку смолы сильноосновным раствором, например водным раствором гидроксида натрия. Во время регенерации регенерирующий химикат проходит через смолу, а захваченные отрицательные ионы вымываются, обновляя обменную способность смолы.
Формула: R-H кислотная
Катионообменный метод устраняет жесткость воды, но вызывает в ней кислотность, которая далее удаляется на следующем этапе очистки воды путем пропускания этой кислой воды через процесс анионного обмена . [5]
Реакция:
Формула: –NR 4 + OH −
Часто это смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола , которые имеют катионы четвертичного аммония в качестве неотъемлемой части смоляной матрицы. [5]
Реакция:
Анионообменная хроматография использует этот принцип для извлечения и очистки материалов из смесей или растворов .
Ионообменные смолы часто описывают по некоторым из следующих особенностей. [6]
Пористая среда частиц смолы является одним из наиболее важных параметров эффективности продукта. Эти поры выполняют различные функции в зависимости от их размеров и являются основным элементом, ответственным за массоперенос между фазами, что делает возможным весь процесс ионного обмена. Существует три основных типа размеров пор:
В этом случае ионообменные смолы используются для замены ионов магния и кальция , содержащихся в жесткой воде , ионами натрия . Когда смола свежая, в ее активных центрах содержатся ионы натрия. При контакте с раствором, содержащим ионы магния и кальция (но с низкой концентрацией ионов натрия), ионы магния и кальция преимущественно мигрируют из раствора к активным центрам смолы, замещаясь в растворе ионами натрия. Этот процесс достигает равновесия при гораздо более низкой концентрации ионов магния и кальция в растворе, чем было начато.
Смолу можно перезарядить, промыв ее раствором, содержащим высокую концентрацию ионов натрия (например, в нем растворено большое количество поваренной соли (NaCl). Ионы кальция и магния мигрируют из смолы, замещаясь ионами натрия из раствора до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесие. Соль используется для перезарядки ионообменной смолы, которая сама используется для смягчения воды.
В этом применении ионообменные смолы используются для удаления ионов ядовитых (например, меди ) и опасных металлов (например, свинца или кадмия ) из раствора, заменяя их более безобидными ионами, такими как натрий и калий , в процессе катионного и анионного обмена. смолы используются для удаления растворенных ионов из воды.
Немногие ионообменные смолы удаляют хлор или органические загрязнения из воды – обычно это делается с помощью фильтра с активированным углем , смешанного со смолой. Существуют некоторые ионообменные смолы, которые удаляют органические ионы, например смолы MIEX (магнитный ионообменный обмен). Смола для очистки бытовой воды обычно не перезаряжается – смолу выбрасывают, когда ее больше нельзя использовать.
Вода высочайшей чистоты необходима, в частности, для электроники, научных экспериментов, производства сверхпроводников, атомной промышленности. Такую воду получают с помощью ионообменных процессов или комбинации мембранных и ионообменных методов.
Ионообменные процессы используются для разделения и очистки металлов , включая отделение урана от плутония и других актинидов , включая торий ; и лантан , неодим , иттербий , самарий , лютеций друг от друга и от других лантаноидов . Существует две серии редкоземельных металлов : лантаноиды и актиниды. Члены каждого семейства имеют очень схожие химические и физические свойства. Ионный обмен в течение многих лет был единственным практическим способом отделения редкоземельных элементов в больших количествах. Это приложение было разработано в 1940-х годах Фрэнком Спеддингом . Впоследствии экстракция растворителями в основном вытеснила использование ионообменных смол, за исключением продуктов высочайшей чистоты.
Очень важным примером является процесс PUREX (процесс извлечения плутония-урана), который используется для отделения плутония и урана от отработавшего топлива ядерного реактора и для возможности утилизации отходов. Затем плутоний и уран будут доступны для производства материалов для ядерной энергетики, таких как новое реакторное топливо и ядерное оружие .
Ионообменные шарики также являются важным компонентом при добыче урана методом подземного выщелачивания. Добыча на месте предполагает извлечение урансодержащей воды (содержание всего 0,05% U 3 O 8 ) через скважины. Затем экстрагированный раствор урана фильтруют через гранулы смолы. Благодаря процессу ионного обмена шарики смолы притягивают уран из раствора. Смолы, содержащие уран, затем транспортируются на перерабатывающий завод, где U 3 O 8 отделяется от шариков смолы и образуется желтый кек . Затем гранулы смолы можно вернуть на ионообменную установку, где они используются повторно.
Процесс ионного обмена также используется для разделения других наборов очень похожих химических элементов, таких как цирконий и гафний , что, кстати, тоже очень важно для атомной промышленности. Цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используемых в строительстве реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в стержнях управления реакторами .
Ионообменные смолы используются в органическом синтезе , например, для этерификации и гидролиза . Имея большую площадь поверхности и нерастворимые, они подходят для реакций в паровой и жидкой фазах. Можно найти примеры использования основных (ОН - форм) ионообменных смол для нейтрализации солей аммония [7] и превращения галогенидов четвертичного аммония в гидроксиды. [8] Кислотные (H + -форма) ионообменные смолы использовались в качестве твердых кислотных катализаторов для расщепления защитных эфирных групп. [9] и для реакций перегруппировки. [10]
Ионообменные смолы используются при производстве фруктовых соков, таких как апельсиновый и клюквенный, где они используются для удаления компонентов горького вкуса и улучшения вкуса. Это позволяет использовать источники фруктов с терпким или плохим вкусом для производства сока.
Ионообменные смолы используются при производстве сахара из различных источников. Они используются для преобразования одного типа сахара в другой тип сахара, а также для обесцвечивания и очистки сахарных сиропов.
Ионообменные смолы используются в производстве фармацевтических препаратов не только для катализа определенных реакций, но также для выделения и очистки фармацевтических активных ингредиентов . В качестве активных ингредиентов используются три ионообменные смолы: полистиролсульфонат натрия , колестипол и холестирамин . Полистиролсульфонат натрия представляет собой сильнокислотную ионообменную смолу и используется для лечения гиперкалиемии . Колестипол представляет собой слабоосновную ионообменную смолу и применяется для лечения гиперхолестеринемии . Холестирамин является сильноосновной ионообменной смолой и также используется для лечения гиперхолестеринемии . Колестипол и холестирамин известны как секвестранты желчных кислот .
Ионообменные смолы также используются в качестве вспомогательных веществ в фармацевтических составах, таких как таблетки, капсулы, жевательные резинки и суспензии. В этих случаях ионообменная смола может выполнять несколько различных функций, включая маскировку вкуса, пролонгированное высвобождение, дезинтеграцию таблеток, повышение биодоступности и улучшение химической стабильности активных ингредиентов .
Селективные полимерные хелаторы были предложены для поддерживающей терапии некоторых патологий, при которых происходит хроническое накопление ионов , таких как болезнь Вильсона (при которой происходит накопление меди ) [11] или наследственный гемохроматоз ( перегрузка железом , при котором происходит накопление железа ) [12] [13] [14] Эти полимеры или частицы имеют незначительную или нулевую системную биологическую доступность , и они предназначены для образования стабильных комплексов с Fe 2+ и Fe 3+ в ЖКТ и, таким образом, ограничивают поглощение этих ионов и их долгосрочное накопление. Хотя этот метод имеет лишь ограниченную эффективность, в отличие от низкомолекулярных хелаторов ( деферазирокс , деферипрон или дефероксамин ), такой подход может иметь лишь незначительные побочные эффекты в субхронических исследованиях . [14] Интересно, что одновременное хелатирование Fe 2+ и Fe 3+ повышает эффективность лечения. [14]
Анионообменные смолы легко поглощают CO 2 при высыхании и снова выделяют его при воздействии влаги. [15] Это делает их одними из наиболее перспективных материалов для прямого улавливания углерода из окружающего воздуха, [16] или прямого улавливания воздуха , поскольку колебания влажности заменяют более энергоемкие колебания температуры или колебания давления, используемые с другими сорбентами. Прототип, демонстрирующий этот процесс, был разработан Клаусом Лакнером в Центре отрицательных выбросов углерода .