Ионообменные смолы

ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ, синтетические органические иониты; состоят из углеводородного каркаса (матрицы) и прочно связанных с ним ионогенных групп, способных к эквивалентному обмену ионов на другие ионы из раствора электролита. Впервые ионообменные смолы синтезированы в 1935 году английскими химиками Б. Адамсом и Э. Холмсом.

Наиболее распространённым способом получения ионообменных смол  является введение ионогенных групп в сетчатые полимеры, в основном в сополимеры стирола, метилметакрилата или других мономеров с дивинилбензолом в качестве сшивающего агента (содержание дивинилбензола обычно 4-16% по массе). На схеме показано строение ионообменной смолы на основе сополимера стирола и дивинилбензола (Х - ионогенная группа).

По знаку заряда обменивающихся ионов различают катионо- и анионообменные смолы. Ионогенные группы могут быть разной природы: сильнокислотные, например SO^-₃H⁺, и сильноосновные, например H⁺(СН₃)₃Сl^-, способные обменивать ионы в широком диапазоне значений pH; среднекислотные, например СООН, и слабокислотные, например ОН, обменивающие ионы при pH >7 и pH >10 соответственно; среднеосновные, например третичные амины, и слабоосновные, например вторичные амины, обменивают ионы при pH <7. Ионообменные  смолы, содержащие одновременно катионо- и анионообменные группы, называются амфотерными ионитами или полиамфолитами. Полиамфолиты, способные образовывать комплексные соединения с ионами металлов - например содержащие группы CH₂N(CH₂COOH)₂, CH₂NHCH₂P(O)(OH)₂ в бензольном кольце, называют также хелатообразующими смолами.

Ионообменные  смолы  могут быть монофункциональными, т. е. содержать ионогенные группы только одного типа (например, сульфокислотные ионообменные смолы), или полифункциональными (например, сульфофенольные ионообменные смолы). В последнем случае разные ионогенные группы способны к ионному обмену при разных величинах pH.

Ионообменные  смолы и материалы на их основе производят в виде гранул (зёрен) разного размера сферической или неправильной формы, порошков, волокон, тканей, мембран. Наиболее важны (по объёму применения) зернёные ионообменные смолы; ими заполняют колонны массообменных аппаратов.

Различают гелевые (микропористые) и макропористые ионообменные смолы. Частицы гелевых ионообменных смол  гомогенны, ионогенные группы в них равномерно распределены по объёму зерна. Макропористые ионообменные смолы гетерогенны, их зёрна пронизаны системой пор со средним диаметром 20-130 нм. Макропористые ионообменные смолы характеризуются более высокой осмотической устойчивостью, а также способностью к ионообменной сорбции крупных органических ионов. Специальный класс составляют ионообменные смолы, содержащие ионогенные группы только в поверхностном слое; они используются в аналитической химии (смотри в статье Ионообменная хроматография).

При обычных условиях ионообменные смолы - устойчивые материалы и могут длительно (месяцы и годы) использоваться в ионообменных циклах. Термическая устойчивость ионообменных смол  зависит от их природы: сильнокислотные катиониты устойчивы при температурах до 80-100 °С, слабокислотные - до 130-150 °С, сильноосновные аниониты - до 60 °С, слабоосновные -до 80-100 °С. Обменная ёмкость ионообменных смол  зависит от природы обменных групп, структуры ионита, pH раствора и составляет 1-12 ммоль/г.

Наибольшее применение имеют сильнокислотные ионообменные смолы с сульфогруппами и сильноосновные ионообменные смолы с четвертичными аммониевыми группами на основе сополимера стирола и дивинилбензола, так как они используются в наиболее крупномасштабных процессах (обессоливание и умягчение природных вод и других растворов). Для наиболее полного удаления ионов электролитов из растворов применяют ионообменные смолы разной природы.

Для извлечения ионов из растворов с высоким содержанием органических веществ используют аниониты на основе сополимеров акриловой кислоты или акрилонитрила с дивинилбензолом, которые характеризуются низкой сорбцией органических веществ. Слабокислотные ионообменные смолы на основе сополимеров акриловой или метакриловой кислоты с дивинилбензолом применяют для устранения временной жёсткости воды, сорбции ионов металлов, а также извлечения органических веществ фармакологического назначения. В макропористых ионообменных смолах, предназначенных для сорбции больших органических молекул, для сшивания полиакриловой или полиметакриловой кислот используют диметакрилат три- или диэтиленгликоля.

Хелатообразующие ионообменные смолы применяют для селективного извлечения поливалентных ионов металлов из растворов. Высокие селективность и обменная ёмкость при удалении ртути из растворов обеспечиваются применением ионообменных смол  на основе сополимеров стирола и дивинилбензола, содержащих тиольные группы SH, при удалении бора - N-метилглюкаминовые группы CH₃N⁺CH₂[CH(OH)]₄CH₂OH.

Мировой объём производства ионообменных смол  - несколько сотен тысяч т/год. Ионообменные  смолы широко используются при водоподготовке (для умягчения и деминерализации воды), для извлечения и разделения редких элементов, очистки сточных вод различных производств, извлечения из пульп радиоактивных и цветных металлов, глубокой очистки сырья (например, рассола NaCl для мембранного электролиза), аналитического контроля различных процессов, в пищевой промышленности - для очистки сахарных сиропов, улучшения качества вин и соков, в производстве витаминов и лекарственных препаратов.

Лит. смотри при ст. Иониты.

В.И. Горшков, В. А. Иванов.