Ионообменные смолы

Ионный обмен — разновидность обратимой химической реакции, при которой твердое вещество обменивается ионами с раствором электролита. Ионный обмен реализуется на веществах — ионитах, которые представляют собой сетчатые полимеры природного, искусственного или синтетического происхождения.

Иониты состоят из неподвижного каркаса – матрицы, и функциональных групп, которыми они обмениваются с ионами электролита. По знаку заряда обменивающихся противоионов иониты разделяют на:

• катиониты, в которых противоионы обмениваются с положительными ионами водорода или металлов;
• аниониты, способные обмениваться противоионами с гидроксильными группами или кислотными остатками.

Процесс ионного обмена состоит из следующих стадий:

• ионы раствора переносятся к поверхности гранулы ионита;
• диффузия ионов внутри гранулы;
• непосредственная реакция ионного обмена;
• диффузия противоиона, вытесняемого изнутри к поверхности гранулы;
• перенос противоиона с поверхности гранулы в объем раствора.

Скорость ионного обмена зависит от следующих факторов:

• доступности фиксированных ионов в каркасе ионита;
• размера гранул ионита;
• температуры;
• концентрации раствора и др.

Реакция ионного обмена — совокупность процессов, характерных для раствора и для самого ионита. В реальных условиях водного раствора доминирующим фактором будет диффузия ионов внутри зерна ионита. Поэтому скорость ионного обмена будет расти с уменьшением размера зерна ионита.

В водоочистке под ионным обменом понимают реакции разделения, выделения и очистки веществ, проведенные при помощи ионообменных материалов (ионообменных смол, природных цеолитов и др.).

Происхождение ионообменных смол

Неорганические природные иониты могут иметь кристаллическое или слоистое строение — цеолиты, глины, оксиды графита и др. Природные иониты чаще всего катиониты.

Иониты могут проявлять и амфотерные свойства, то есть в зависимости от условий и кислотности среды проявлять себя как катиониты или аниониты.

Синтетические ионообменные материалы (ионообменные смолы) представляют собой гибкие макромолекулы, скрепленные поперечными связями — углеводородными мостиками. Макромолекула имеет вид трехмерной сетки, в некоторых узлах которой имеются заряженные функциональные группы с нейтрализующими их противоионами.

Синтетические иониты способны к набуханию в воде, что обусловлено присутствием в их составе фиксированных гидрофильных групп. Однако полному растворению в воде препятствуют поперечные связи в составе ионообменной смолы. Стандартные умягчающие ионообменные смолы содержат около 8% сшивающего агента — дивинилбензола (ДВБ).

Степень набухания иона зависит от количественного содержания ДВБ, содержания гидрофильных ионогенных групп в составе ионита и вида противоинов, находящихся в ионите.

По внешнему виду синтетические ионообменные смолы представляют собой гранулы разных размеров и форм. Если гранулы получены в результате реакции полимеризации, то их форма почти шарообразная. Если в результате реакции поликонденсации — гранулы неправильной формы.

Характеристики ионитов

Иониты характеризуются следующими параметрами:

• гранулометрический состав;
• механическая прочность;
• осмотическая прочность;
• химическая стойкость;
• селективность;
• плотность ионита.

Селективность ионита — важная характеристика, показывающая, насколько эффективно ионит удаляет определенные противоионы в присутствии других, конкурентных противоионов. Селективность зависит от строения матрицы ионита, типов функциональных групп, содержания противоионов в растворе и т.д. [2].

Селективность ионитов растет с увеличением заряда противоиона. Если у ионов один и тот же заряд, то селективность возрастает с увеличением атомного веса. Наибольшую селективность ионит будет проявлять к противоиону с самым большим атомным весом и с наибольшим зарядом.

Типичный ряд селективности ионитов выглядит следующим образом:

При увеличении концентрации противоионов в растворе наблюдается обращение селективности. Например, двухзарядные противоионы удаляются из ионита однозарядными противоионами при контакте с таким раствором, где однозарядные ионы представлены в высокой концентрации. На этом эффекте основано явление регенерации ионитов растворами кислот (для катионитов), или щелочей (для анионитов), или 10-12% растворами солей.

Ресурс работы ионита в водоподготовке характеризует величина рабочей обменной ёмкости. Она выражается в эквивалентах на литр набухшего ионита и показывает, как долго ионит может проявлять свои рабочие свойства до первого проскока поглощаемого иона в фильтрат.

В зависимости от степени диссоциации иониты разделяют на:

• сильнокислотные аниониты (содержащие сульфогруппы или фосфорнокислые группы);
• сильноосновные аниониты (содержащие четвертичные аммониевые основания R₃NOH);
• слабокислотные катиониты (содержащие карбоксильные или фенольные группы, диссоциирующие при pH
• слабоосновные катиониты (содержащие первичные и вторичные аминогруппы, диссоциирующие при pH>7).

В зависимости от противоиона, которым насыщен рабочий раствор, различают H-форму, Na-форму, Ca-форму и для катионитов, и OH-форму, Cl-форму для анионитов.