Ионообменная смола

или Ионообменная смола 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. Гранулы 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, которые различаются по составу, в зависимости от того, является ли мишенью анион или катион. Большинство коммерческих смол изготавливаются из полистиролсульфоната . [ 1 ] затем 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.
Виды смол
[ редактировать ]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 сильно сшитых ионообменных смол, которые пропускают ионы, но не воду, используются для электродиализа .
Четыре основных типа ионообменных смол различаются по своим функциональным группам :
- сильнокислотный катион (SAC), обычно содержащий группы сульфоновой кислоты , например, полистиролсульфонат натрия или полиАМПС , часто используемый для операций умягчения и деминерализации воды.
- Сильноосновный анион (SBA), обычно содержащий четвертичные аминогруппы , например, триметиламмониевые группы, например, полиАПТАС ), хорошо подходит для удаления кремнезема, урана и нитратов.
- слабокислотный катион (WAC), обычно содержащий группы карбоновой кислоты . Идеальный выбор для очистки от щелочей, а также для умягчения ручьев с высоким уровнем солености.
- слабоосновный анион (WBA), обычно содержащий первичные, вторичные и/или третичные аминогруппы , например полиэтиленамин . Эффективны для деминерализации, где не требуется удаление SiO2 и CO2. Также эффективен для поглощения кислот.
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.
Анионообменные смолы
[ редактировать ]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.
Катионообменная смола
[ редактировать ]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:
- Р-Н + М + = R−M + H + .
Как и в случае с анионитовыми смолами, в катионных смолах регенерация включает использование сильнокислого раствора, например, водного раствора соляной кислоты. Во время регенерации регенерирующий химикат проходит через смолу и вымывает захваченные положительные ионы, обновляя обменную способность смолы.
Анионообменная смола
[ редактировать ]Формула: –NR 4 + ОЙ −
Часто это стирола и дивинилбензола смолы на основе сополимеров , которые имеют катионы четвертичного аммония в качестве неотъемлемой части смоляной матрицы. [ 5 ]
Реакция:
- -№ 4 + ОЙ − + HCl = –NR 4 + кл − + Н 2 О.
Анионообменная хроматография использует этот принцип для извлечения и очистки материалов из смесей или растворов .
Характеристики
[ редактировать ]Ионообменные смолы часто описывают по некоторым из следующих особенностей. [ 6 ]
- Емкость : представляет количество ионов, которые могут быть обменены/сохранены на единицу массы смолы. Обычно выражается в миллиграммах ионов на грамм смолы (мг/г).
- Набухание : При контакте с растворителем смолы могут набухать (увеличиваться в объеме). На набухание смолы влияют ее химический состав, структура полимера и сшивка. Смолы с более высокой степенью сшивки имеют тенденцию проявлять меньшую склонность к набуханию по сравнению со смолами с более низкой степенью сшивки. Набухание обычно выражается как процентное увеличение объема или веса смолы при воздействии определенного растворителя.
- Селективность : Относится к предпочтению или способности смолы избирательно адсорбировать или обменивать одни ионы по сравнению с другими. Это фундаментальное свойство, определяющее эффективность смолы в отделении или удалении определенных ионов из раствора.
- Стабильность : Целостность смолы можно описать с точки зрения механической и химической устойчивости шариков.
Поры
[ редактировать ]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: [ 6 ]
- Микропоры : при ширине щели менее 2 нм они обычно находятся в конце более крупных пор, и их основной характеристикой является наличие наложенных потенциалов стенок. Это означает, что частицы внутри них притягиваются к своим твердым стенкам и вступают в контакт с активными центрами.
- Мезопоры : при ширине щели от 2 до 50 нм эти поры среднего размера имеют основную задачу предотвращения капиллярной конденсации и обычно располагаются перед микропорами.
- Макропоры : при ширине щели более 50 нм это поры самого большого размера, основная цель которых — стать основным путем для молекул, которые проникают в частицу и затем перераспределяются через другие меньшие каналы.
Использование
[ редактировать ]Умягчение воды
[ редактировать ]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.
Очистка воды
[ редактировать ]В этом случае 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.
Ионный обмен при разделении металлов
[ редактировать ]
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 желтый кек образуется . 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 .
Катализ
[ редактировать ]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, где основные (OH − -форма) ионообменных смол используются для нейтрализации солей аммония. [ 7 ] и превращают галогениды четвертичного аммония в гидроксиды. [ 8 ] Кислый (H + -форма) ионообменные смолы использовались в качестве твердых кислотных катализаторов для расщепления защитных групп эфира. [ 9 ] и для реакций перегруппировки. [ 10 ]
Очистка сока
[ редактировать ]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.
Производство сахара
[ редактировать ]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.
Фармацевтика
[ редактировать ]Ионообменные смолы используются в производстве фармацевтических препаратов не только для катализа определенных реакций, но также для выделения и очистки фармацевтических активных ингредиентов . три ионообменные смолы: полистиролсульфонат натрия , колестипол и холестирамин используются В качестве активных ингредиентов . 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 меди ). происходит накопление [ 11 ] или наследственный гемохроматоз ( перегрузка железом , при которой железа ) происходит накопление [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Эти полимеры или частицы имеют незначительную или нулевую системную биологическую доступность и предназначены для образования стабильных комплексов с Fe. 2+ и Fe 3+ в ЖКТ и, таким образом, ограничивая 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 ]
Улавливание CO 2 из окружающего воздуха
[ редактировать ]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 прямой захват воздуха , поскольку колебания влажности заменяют более энергоемкие колебания температуры или давления, используемые с другими сорбентами. Прототип, демонстрирующий этот процесс, был разработан Клаусом Лакнером в Центре отрицательных выбросов углерода .
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Франсуа Дардель и Томас В. Арден «Ионообменники» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2008, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a14_393.pub2 .
- ^ «Ионный обмен (IX) | Водные растворы» . www.dupont.com . Проверено 21 мая 2023 г.
- ^ ИЮПАК «категорически не рекомендует» использовать термин «ионообменная смола» для обозначения ионообменного полимера, но его использование остается распространенным: Международный союз теоретической и прикладной химии (2004 г.), «Определения терминов, касающихся реакций полимеров и функциональных полимерных материалов (Рекомендации IUPAC 2003 г.)» (PDF) , Pure Appl. хим. , 76 (4): 889–906, doi : 10.1351/pac200476040889 , S2CID 98351038
- ^ Перейти обратно: а б Викибуки:Протеомика/Разделение белков - Хроматография/Ионообмен#Анионообменники .
- ^ Перейти обратно: а б Вальясинди, Федерико Дж.А.; Бельджорно, Винченцо; Наполи, Родольфо М.А. (1 января 1998 г.), Гаваски, Ренато; Зандарья, Сарантуяа (ред.), «Очистка воды в отдаленных и сельских районах: концептуальный протокол проверки соответствующих технологий POU/POE» , «Инженерия окружающей среды и возобновляемые источники энергии » , Оксфорд: Elsevier, стр. 329–336, doi : 10.1016/b978. -0-08-043006-5.50049-5 , ISBN 978-0-08-043006-5 , получено 27 октября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б Перри, Джон Х. (сентябрь 1950 г.). «Справочник инженера-химика». Журнал химического образования . 27 (9): 533. Бибкод : 1950ЖЧЭд..27..533П . дои : 10.1021/ed027p533.1 . ISSN 0021-9584 .
- ^ Кэл Ю. Мейерс и Леонард Э. Миллер (1952). «ε-аминокапроновая кислота». Орг. Синтез . 32 : 13. дои : 10.15227/orgsyn.032.0013 .
- ^ Карл Кайзер; Джозеф Вайнсток (1976). «Алкены путем удаления Хофмана: использование ионообменной смолы для получения гидроксидов четвертичного аммония: дифенилметилвиниловый эфир». Орг. Синтез . 55 :3. дои : 10.15227/orgsyn.055.0003 .
- ^ Р. А. Эрл; Л. Б. Таунсенд (1981). «Метил 4-гидрокси-2-бутиноат». Орг. Синтез . 60 : 81. дои : 10.15227/orgsyn.060.0081 .
- ^ Дэвид Дж. Хилми; Лео А. Пакетт (2007). «1,3-Дихлорацетон как эквивалент циклопропанона: 5-оксаспиро[3.4]октан-1-он» . Орг. Синтез . 84 : 156. дои : 10.15227/orgsyn.084.0156 .
- ^ Маттова, Яна; Пучкова, Павла; Кучка, Ян; Шкодова, Микаэла; Ветрик, Мирослав; Штепанек, Петр; Урбанек, Петр; Петррик, Милош; Новый, Збинек; Хруби, Мартин (2014). «Хелатирующие полимерные шарики как потенциальное средство лечения болезни Вильсона». Европейский журнал фармацевтических наук . 62 : 1–7. дои : 10.1016/j.ejps.2014.05.002 . ISSN 0928-0987 . ПМИД 24815561 .
- ^ Поломошканик, Стивен С.; Кэннон, К. Пэт; Нинан, Томас X.; Холмс-Фарли, С. Рэндалл; Мандевиль, В. Гарри; Дхал, Прадип К. (2005). «Гидрогели, содержащие гидроксимовую кислоту, для терапии хелатирования неабсорбируемого железа: синтез, характеристика и биологическая оценка». Биомакромолекулы . 6 (6): 2946–2953. дои : 10.1021/bm050036p . ISSN 1525-7797 . ПМИД 16283713 .
- ^ Цянь, Цзянь; Салливан, Брэдли П.; Петерсон, Сэмюэл Дж.; Беркланд, Кори (2017). «Неабсорбируемые железосвязывающие полимеры предотвращают всасывание железа с пищей для лечения перегрузки железом». Макробуквы ACS . 6 (4): 350–353. doi : 10.1021/acsmacrolett.6b00945 . ISSN 2161-1653 . ПМИД 35610854 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гроборз, Ондрей; Полакова, Ленка; Колоушова, Кристина; Швец, Павел; Лукотова, Ленка; Мирияла, Виджай Мадхав; Франкова, Павла; Кучка, Ян; Крайт, Ян; Парал, Питер; Замечательно, Мартин; Хейзер, Томас; Поль, Радек; Данлоп, Дэвид; Чернек, Иржи; Шефц, Людек; Бенеш, Иржи; Штепанек, Петр; Хобза, Павел; Груби, Мартин (2020). «Хелатирующие полимеры для лечения наследственного гемохроматоза». Макромолекулярная биология . 20 (12): 2000254. дои : 10.1002/mabi.202000254 . ISSN 1616-5187 . ПМИД 32954629 . S2CID 221827050 .
- ^ Ван, Тао; Лю, Цзюнь; Фан, Мэнсян; Ло, Чжунян (01 января 2013 г.). «Влагоповоротный сорбент для прямого улавливания углекислого газа из воздуха: термодинамический и кинетический анализ» . Энергетическая процедура . 37 : 6096–6104. Бибкод : 2013EnPro..37.6096W . дои : 10.1016/j.egypro.2013.06.538 . ISSN 1876-6102 .
- ^ Ван, Сюэру; Сун, Ючжэн; Чен, Ян; Сяо, Ханг; Ши, Сяоян; Лю, Илунь; Чжу, Лянлян; Он, Я-Лин; Чэнь, Си (27 августа 2020 г.). «Абсорбция CO2 ионообменными смолами: влияние аминных функциональных групп и микропористых структур». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 59 (38). Американское химическое общество (ACS): 16507–16515. doi : 10.1021/acs.iecr.0c03189 . ISSN 0888-5885 . S2CID 225232043 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Химия и работа ионного обмена» . Ремко Инжиниринг. Архивировано из оригинала 20 февраля 2014 г. Проверено 16 мая 2014 г.
- Фридрих Г. Хельферих (1962). Ионный обмен . Публикации Курьера Дувра. ISBN 978-0-486-68784-1 .
- Ионообменники (К. Дорфнер, ред.), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
- К. Э. Харланд, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
- Ion exchange (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
- А.А. Загородний, Ионообменные материалы: свойства и применение, Elsevier, Амстердам, 2006.
- Александратос СД. Ионообменные смолы: ретроспектива исследований в области промышленной и технической 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.