Ионообменная смола или ионообменный полимер — это смола или полимер , которые действуют как среда для ионного обмена , также известная как ионекс . [1] Это нерастворимая матрица (или опорная структура), обычно в форме небольших (радиусом 0,25–1,43 мм) микрошариков , обычно белого или желтоватого цвета, изготовленных из органического полимерного субстрата. Шарики, как правило, пористые (с определенным распределением размеров, которое влияет на их свойства), обеспечивая большую площадь поверхности на них и внутри них, где происходит захват ионов вместе с сопутствующим высвобождением других ионов, и, таким образом, процесс называется ионным обменом. Существует несколько типов ионообменных смол, которые различаются по составу, если целью является анион или катион. Большинство коммерческих смол изготавливаются из полистиролсульфоната , [2] за которым следует полиакрилат . [3]
Ионообменные смолы широко используются в различных процессах разделения , очистки и дезактивации. Наиболее распространенными примерами являются смягчение и очистка воды . Во многих случаях ионообменные смолы были введены в такие процессы как более гибкая альтернатива использованию природных или искусственных цеолитов . Кроме того, 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 вводится путем сополимеризации стирола и нескольких процентов дивинилбензола . Сшивание снижает ионообменную емкость смолы и продлевает время, необходимое для выполнения ионообменных процессов, но повышает надежность смолы. Размер частиц также влияет на параметры смолы; более мелкие частицы имеют большую внешнюю поверхность, но вызывают большую потерю напора в процессах колонны. [4]
Помимо того, что ионообменные смолы производятся в виде материалов в форме шариков, они также производятся в виде мембран. Эти ионообменные мембраны , которые изготавливаются из высокосшитых ионообменных смол, 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 хелатирующие смолы ( смолы на основе иминодиуксусной кислоты , тиомочевины и многие другие).
Аниониты и катиониты являются двумя наиболее распространенными смолами, используемыми в процессе ионного обмена. В то время как аниониты притягивают отрицательно заряженные ионы, катиониты притягивают положительно заряженные ионы.
Формула: R-OH основная
Аниониты могут быть как сильноосновными, так и слабоосновными. Сильноосновные аниониты сохраняют свой отрицательный заряд в широком диапазоне pH, тогда как слабоосновные аниониты нейтрализуются при более высоких уровнях pH. [5] Слабоосновные смолы не сохраняют свой заряд при высоком pH, поскольку они подвергаются депротонированию. [5] Однако они обладают превосходной механической и химической стабильностью. Это, в сочетании с высокой скоростью ионного обмена, делает слабоосновные аниониты хорошо подходящими для органических солей.
Для анионных смол регенерация обычно включает обработку смолы сильнощелочным раствором, например, водным гидроксидом натрия. Во время регенерации регенерирующий химикат пропускается через смолу, и захваченные отрицательные ионы вымываются, обновляя обменную емкость смолы.
Формула: R−H кислая
Метод катионного обмена устраняет жесткость воды , но вызывает в ней кислотность, которая дополнительно удаляется на следующем этапе очистки воды путем пропускания этой кислой воды через процесс анионного обмена . [6]
Реакция:
Подобно анионным смолам, в катионных смолах регенерация включает использование сильнокислотного раствора, например, водного раствора соляной кислоты. Во время регенерации регенерирующий химикат проходит через смолу и вымывает захваченные положительные ионы, обновляя обменную емкость смолы.
Формула: –NR 4 + OH −
Часто это смолы сополимера стирола и дивинилбензола , в состав матрицы которых входят четвертичные аммониевые катионы . [6]
Реакция:
Анионообменная хроматография использует этот принцип для извлечения и очистки материалов из смесей или растворов .
Ионообменные смолы часто описываются по некоторым из следующих признаков. [7]
Пористая среда частиц смолы является одним из важнейших параметров эффективности продукта. Эти поры выполняют различные функции в зависимости от их размера и являются основной характеристикой, отвечающей за массоперенос между фазами, делая возможным весь процесс ионного обмена. Существует три основных типа размеров пор: [7]
В этом применении ионообменные смолы используются для замены ионов магния и кальция , находящихся в жесткой воде , на ионы натрия . Когда смола свежая, она содержит ионы натрия на своих активных участках. При контакте с раствором, содержащим ионы магния и кальция (но низкую концентрацию ионов натрия), ионы магния и кальция преимущественно мигрируют из раствора на активные участки смолы, заменяясь в растворе ионами натрия. Этот процесс достигает равновесия при гораздо более низкой концентрации ионов магния и кальция в растворе, чем была начата.
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, заменяясь ионами натрия из раствора до тех пор, пока не будет достигнуто новое равновесие. Соль используется для перезарядки ионообменной смолы, которая сама по себе используется для смягчения воды.
В этом случае ионообменные смолы используются для удаления ядовитых (например, меди ) и опасных ионов металлов (например, свинца или кадмия ) из раствора, заменяя их более безвредными ионами, такими как натрий и калий , в то время как катионообменные и анионообменные смолы используются для удаления растворенных ионов из воды.
Немногие ионообменные смолы удаляют хлор или органические загрязнители 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 ионообмен). Бытовая смола для очистки воды обычно не перезаряжается — смола выбрасывается, когда ее больше нельзя использовать.
Вода высочайшей чистоты требуется для электроники, научных экспериментов, производства сверхпроводников, ядерной промышленности и т. д. Такая вода производится с использованием ионообменных процессов или комбинаций мембранных и ионообменных методов.
Процессы ионного обмена используются для разделения и очистки металлов , включая отделение урана от плутония и других актинидов , включая торий ; и лантана , неодима , иттербия , самария , лютеция друг от друга и других лантаноидов . Существует две серии редкоземельных металлов : лантаноиды и актиниды. Члены каждого семейства имеют очень похожие химические и физические свойства. Ионный обмен в течение многих лет был единственным практическим способом разделения редкоземельных элементов в больших количествах. Это применение было разработано в 1940-х годах Фрэнком Спеддингом . Впоследствии экстракция растворителем в основном вытеснила использование ионообменных смол, за исключением продуктов самой высокой чистоты.
Очень важным случаем является процесс PUREX (процесс извлечения плутония-урана), который используется для отделения плутония и урана от отработанного топлива ядерного реактора и для возможности утилизации отходов. Затем плутоний и уран доступны для производства ядерно-энергетических материалов, таких как новое реакторное топливо и ядерное оружие .
Ионообменные шарики также являются важным компонентом в добыче урана методом подземного выщелачивания. Подземное извлечение включает извлечение урансодержащей воды (содержание U 3 O 8 составляет всего 0,05% ) через скважины. Затем извлеченный раствор урана фильтруется через шарики смолы. С помощью ионообменного процесса шарики смолы извлекают уран из раствора. Затем смолы, насыщенные ураном, транспортируются на перерабатывающий завод, где U 3 O 8 отделяется от шариков смолы и получается желтый кек . Затем шарики 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, также очень важно для ядерной промышленности. Цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используемых при строительстве реакторов, но гафний является очень сильным поглотителем нейтронов, используемых в стержнях управления реактора .
Ионообменные смолы используются в органическом синтезе , например, для этерификации и гидролиза . Имея большую площадь поверхности и нерастворимость, они подходят для реакций в паровой и жидкой фазе. Можно найти примеры, когда основные (ОН - форма) ионообменные смолы используются для нейтрализации солей аммония [8] и преобразования галогенидов четвертичного аммония в гидроксиды. [9] Кислотные (Н + -форма) ионообменные смолы использовались в качестве твердых кислотных катализаторов для расщепления защитных групп эфира. [10] и для реакций перегруппировки. [11]
Ионообменные смолы используются в производстве фруктовых соков, таких как апельсиновый и клюквенный, где они используются для удаления горьких на вкус компонентов и, таким образом, улучшения вкуса. Это позволяет использовать кислые или менее вкусные фруктовые источники для производства сока.
Ионообменные смолы используются в 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 и для выделения и очистки фармацевтических активных ингредиентов . В качестве активных ингредиентов используются три ионообменные смолы: полистиролсульфонат натрия , колестипол и холестирамин . Полистиролсульфонат натрия является сильнокислотной ионообменной смолой и используется для лечения гиперкалиемии . Колестипол является слабоосновной ионообменной смолой и используется 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 применениях ионообменная смола может иметь несколько различных функций, включая маскировку вкуса, пролонгированное высвобождение, распад таблеток, повышенную биодоступность и улучшение химической стабильности активных ингредиентов .
Селективные полимерные хелаторы были предложены для поддерживающей терапии некоторых патологий, где происходит хроническое накопление ионов , таких как болезнь Вильсона (где происходит накопление меди ) [12] или наследственный гемохроматоз ( перегрузка железом , где происходит накопление железа ) [13] [14] [15] 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, ограничения поглощения этих ионов и их долгосрочного накопления. Хотя этот метод имеет лишь ограниченную эффективность, в отличие от низкомолекулярных хелаторов ( деферасирокс , деферипрон или дефероксамин ), такой подход может иметь только незначительные побочные эффекты в субхронических исследованиях . [15] Интересно, что одновременное хелатирование Fe 2+ и Fe 3+ повышает эффективность лечения. [15]
Анионообменные смолы легко поглощают CO2 в сухом состоянии и снова выделяют его при воздействии влаги. [16] Это делает их одними из самых перспективных материалов для прямого улавливания углерода из окружающего воздуха, [17] или прямого улавливания воздуха , поскольку колебание влажности заменяет более энергоемкие колебания температуры или давления, используемые с другими сорбентами. Прототип, демонстрирующий этот процесс, был разработан Клаусом Лакнером в Центре отрицательных выбросов углерода .