Ионообменная смола - Ion-exchange resin

Шарики ионообменной смолы

Ионообменная смола или ионообменный полимер является смолой или полимер , который действует в качестве среды для ионного обмена . Это нерастворимая матрица (или поддерживающая структура), обычно в форме небольших (радиусом 0,25–1,43 мм) микрогранул , обычно белого или желтоватого цвета, изготовленных из органического полимерного субстрата. Гранулы обычно пористые , что обеспечивает большую площадь поверхности на них и внутри них, улавливание ионов происходит вместе с сопутствующим высвобождением других ионов, и, таким образом, этот процесс называется ионным обменом. Есть несколько типов ионообменных смол. Большинство промышленных смол изготовлено из сульфоната полистирола .

Шарики ионообменной смолы

Ионообменные смолы широко используются в различных процессах разделения , очистки и обеззараживания. Наиболее распространенные примеры - умягчение и очистка воды . Во многих случаях ионообменные смолы использовались в таких процессах как более гибкая альтернатива использованию природных или искусственных цеолитов . Кроме того, ионообменные смолы очень эффективны в процессе фильтрации биодизельного топлива.

Виды смол

Наиболее типичные ионообменные смолы основаны на сшитом полистироле . Фактические центры ионного обмена вводятся после полимеризации. Кроме того, в случае полистирола сшивание вводится путем сополимеризации стирола и нескольких процентов дивинилбензола . Сшивание снижает ионообменную способность смолы и увеличивает время, необходимое для выполнения процессов ионного обмена, но повышает прочность смолы. Размер частиц также влияет на параметры смолы; более мелкие частицы имеют большую внешнюю поверхность, но вызывают большие потери напора в процессах в колонне.

Ионообменные смолы производятся не только в форме шариков, но и в виде мембран. Эти ионообменные мембраны , которые сделаны из сильно сшитых ионообменных смол, которые пропускают ионы, но не воду, используются для электродиализа .

Четыре основных типа ионообменных смол различаются функциональными группами :

• сильнокислый, обычно содержащий группы сульфоновой кислоты , например полистиролсульфонат натрия или полиАМПС ,
• сильноосновной, обычно с четвертичными аминогруппами , например триметиламмониевыми группами, например полиАРТАС ),
• слабокислый, обычно содержащий группы карбоновых кислот ,
• слабоосновный, обычно содержащий первичные, вторичные и / или третичные аминогруппы , например полиэтиленамин .

Также известны специализированные ионообменные смолы, такие как хелатирующие смолы ( иминодиуксусная кислота , смолы на основе тиомочевины и многие другие).

Анионные 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.

Анионные смолы

Анионные смолы могут быть как сильно, 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. Слабоосновные смолы не сохраняют свой заряд при высоком pH, поскольку подвергаются депротонированию. 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 гидроксидом натрия. Во время регенерации регенерирующий химикат проходит через смолу, а захваченные отрицательные ионы вымываются, обновляя способность обмена смолы.

Катионообменная смола

Формула: R − H кислый

Катионообменный метод устраняет жесткость воды, но вызывает в ней кислотность, которая дополнительно удаляется на следующем этапе обработки воды путем пропускания этой кислой воды через процесс анионного обмена .

Реакция:

R − H + M ⁺ = R − M + H ⁺ .

Анионообменная смола

Формула: –NR ₄ ⁺ OH ^-

Часто это стирол - дивинилбензол сополимеры смола, имеющая четвертичные аммониевые катионы в качестве составной части матрицы смолы.

Реакция:

–NR ₄ ⁺ OH ^- + HCl = –NR ₄ ⁺ Cl ^- + H ₂ O.

Анионообменная хроматография использует этот принцип для извлечения и очистки материалов из смесей или растворов .

Использует

Умягчение воды

В этом применении, ионообменные смолы используются для замены магния и кальция ионов , найденных в жесткой воде с натриевыми ионами. Когда смола свежая, она содержит ионы натрия на своих активных участках. При контакте с раствором, содержащим ионы магния и кальция (но с низкой концентрацией ионов натрия), ионы магния и кальция преимущественно мигрируют из раствора в активные центры на смоле, замещаясь в растворе ионами натрия. Этот процесс достигает равновесия с гораздо более низкой концентрацией ионов магния и кальция в растворе, чем был в начале.

Идеальное изображение процесса умягчения воды, включающего замену ионов кальция в воде на ионы натрия, полученные от катионообменной смолы.

Смолу можно повторно зарядить, промывая ее раствором, содержащим высокую концентрацию ионов натрия (например, в ней растворено большое количество поваренной соли (NaCl)). Ионы кальция и магния мигрируют из смолы, замещаясь ионами натрия из раствора, пока не будет достигнуто новое равновесие. Соль используется для перезарядки ионообменной смолы, которая сама используется для смягчения воды.

Очистка воды

В этом применении ионообменные смолы используются для удаления из раствора ядовитых (например, меди ) и опасных металлов (например, свинца или кадмия ), заменяя их более безвредными ионами, такими как натрий и калий .

Некоторые ионообменные смолы удаляют из воды хлор или органические загрязнения - обычно это делается с помощью фильтра с активированным углем, смешанного со смолой. Есть некоторые ионообменные смолы, которые удаляют органические ионы, например, смолы MIEX (магнитно-ионный обмен). Смолу для очистки бытовой воды обычно не пополняют - смолу выбрасывают, когда ее больше нельзя использовать.

Вода высочайшей чистоты требуется, в частности, для электроники, научных экспериментов, производства сверхпроводников и атомной промышленности. Такая вода производится с использованием процессов ионного обмена или комбинации мембранных и ионообменных методов.

Ионный обмен при разделении металлов

Барабан желтого кекса

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 другие лантаноиды . Есть две серии редкоземельных металлов : лантаноиды и актиниды. Члены каждой семьи имеют очень похожие химические и физические свойства. Ионный обмен в течение многих лет был единственным практическим способом разделения редкоземельных элементов в больших количествах. Это приложение было разработано в 1940-х годах Фрэнком Спеддингом . Впоследствии экстракция растворителем в основном вытеснила использование ионообменных смол, за исключением продуктов высшей степени чистоты.

Очень важным примером является процесс PUREX (процесс извлечения плутония и урана), который используется для отделения плутония и урана от продуктов отработавшего топлива ядерного реактора и для удаления этих отходов. Затем плутоний и уран доступны для производства материалов для ядерной энергии, таких как новое реакторное топливо и ядерное оружие .

Ионообменные шарики также являются важным компонентом при добыче урана методом выщелачивания на месте . Извлечение на месте включает извлечение урансодержащей воды (содержание U ₃ O ₈ до 0,05% ) через скважины. Затем экстрагированный раствор урана фильтруют через шарики смолы. В процессе ионного обмена шарики смолы притягивают уран из раствора. Смолы, содержащие уран, затем транспортируются на перерабатывающий завод, где U ₃ O ₈ отделяется от гранул смолы и образуется желтый кек . Затем гранулы смолы можно вернуть в установку для ионного обмена, где они будут повторно использованы.

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 в строительстве реакторов, но гафний - очень сильный поглотитель нейтронов, используемый в управляющих стержнях реактора .

Катализ

Ионообменные смолы используются в органическом синтезе , например, для этерификации и гидролиза . Поскольку они имеют большую площадь поверхности и нерастворимы, они подходят для парофазных и жидкофазных реакций. Можно найти примеры, когда основная (ОН ^- -форма) ионообменных смол используется для нейтрализации солей аммония и превращения галогенидов четвертичного аммония в гидроксиды. Кислые (H ⁺ -форма) ионообменные смолы использовались в качестве твердых кислотных катализаторов для разрыва защитных групп простого эфира. и для реакций перегруппировки.

Очистка сока

Ионообменные смолы используются при производстве фруктовых соков, таких как апельсиновый и клюквенный сок, где они используются для удаления горьких компонентов и, таким образом, улучшения вкуса. Это позволяет использовать для производства сока источники терпких фруктов или фруктов с плохим вкусом.

Производство сахара

Ионообменные смолы используются при производстве сахара из различных источников. Они используются для преобразования одного типа сахара в другой, а также для обесцвечивания и очистки сахарных сиропов.

Фармацевтические препараты

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 - это сильнокислая ионообменная смола, которая используется для лечения гиперкалиемии . Колестипол представляет собой слабоосновную ионообменную смолу и используется для лечения гиперхолестеринемии . Холестирамин - это сильноосновная ионообменная смола, которая также используется для лечения гиперхолестеринемии . Колестипол и холестирамин известны как секвестранты желчных кислот .

Ионообменные смолы также используются в качестве наполнителей 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, повышенную биодоступность 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 ) или наследственный гемохроматоз ( перегрузка железом , при которой происходит накопление железа ). Эти полимеры или частицы имеют незначительное или нулевое значение. системная биологическая 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 . Интересно, что одновременное хелатирование Fe ²⁺ и Fe ³⁺ увеличивает эффективность лечения.

Улавливание CO ₂ из окружающего воздуха

Анионообменные смолы легко поглощают CO ₂ при высыхании и снова выделяют его при воздействии влаги. Это делает их одними из наиболее многообещающих материалов для прямого улавливания углерода из окружающего воздуха или прямого улавливания воздуха , поскольку колебания влажности заменяют более энергоемкие колебания температуры или давления, используемые с другими сорбентами. Прототип, демонстрирующий этот процесс, был разработан Клаусом Лакнером из Центра отрицательных выбросов углерода .

Смотрите также

• Полиэлектролит
• Умягчение воды

Примечания

дальнейшее чтение

• «Химия и работа ионного обмена» . Ремко Инжиниринг. Архивировано из оригинала на 2014-02-20 . Проверено 16 мая 2014 .
• Фридрих Г. Гельферих (1962). Ионный обмен . Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-68784-1.
• Ионные обменники (К. Дорфнер, ред.), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
• CE Harland, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
• Ионный обмен (Д. Муравьев, В. Горшков, А. Варшавский), М. Деккер, Нью-Йорк, 2000.
• Загородний А.А., Ионообменные материалы: свойства и применение, Elsevier, Амстердам, 2006.
• Александратос С.Д. Ионообменные смолы: ретроспектива исследований промышленной и инженерной химии. Исследования в области промышленной и инженерной химии, 2009.
• Каталитическая система, содержащая ионообменную смолу и диметилтиазолидиновый промотор, Hasyagar UK, Mahalingam RJ, Kishan G, WO 2012.