Механизм действия ионообменных смол

Сырье

Метод	Сырье для основы полимера	Мостико-образователи	Ионогенные группы
Катиониты	Аниониты
Поликонден-сация	Многоатомные фенолы, алифатические и ароматические амины, мочевина и ее производные	Формальдегид, галогенпроизводные углеводородов, эпоксисоединения	–SO3 H, –PO3 H2, −COOH, гидроксильные группы и др.	Первичные, вторичные, третичные амины; группы аммониевых оснований
Полимеризация	Вещества, содержащие винильные группы (стирол, акриловые соединения и др.)	Ди- и поливиниловые соединения (дивинил- и тривинилбензол)

Первоначально полимерные иониты получали только по первому способу, например из фенолсульфокислоты, образующей в смеси с фенолом сетчатый полимер при поликонденсации с формальдегидом. По такой схеме, например, получают бифункциональный катионит КУ-1.

Иониты, получаемые поликонденсацией, как правило, полифункциональны, сетчатость их структуры трудно регулировать. К тому же их механическая прочность и химическая устойчивость недостаточны. Поэтому все иониты изготовляют главным образом процессом полимеризации. Сетчатая структура полимера образуется при сополимеризации мономерного электролита или мономера, к которому впоследствии можно присоединить ионогенные группы, с мономером, имеющим две двойные связи и выполняющим поэтому функцию мостикообразователя. Соотношением основного компонента и мостикообразователя регулируют сетчатость сополимера и его набухаемость.

Примером сополимеризации мономеров, содержащих ионогенные группы, служат способы получения слабокислотного катионита сополимеризацией метакриловой кислоты с дивинилбензолом:

Присоединением ионогенных групп к сополимерам получают иониты разнообразных типов. Для этой цели чаще всего используют сополимеры стирола с дивинилбензолом. Если гранулы такого сополимера сульфируют, то получают сульфокатионит:

При обработке же сополимера трихлоридом фосфора получают фосфорнокислотный катионит, содержащий группы фосфинистой или фосфиновой кислоты:

Хлорметилируя сополимер хлорметиловым эфиром или смесью параформа и хлористого водорода, получают промежуточный продукт, который переводят в монофункциональный ионит любой основности:

или в слабокислотный катионит:

В сополимер стирола и дивинила вводят ионогенные группы, одновременно превращая его в сетчатый сополимер.

Присоединяя к звеньям полимеров сульфгидрильные группы, получают иониты, способные и к реакциям электронного обмена (окислительно-восстановительным реакциям); присоединяя одновременно кислотные и аминогруппы, придают ионитам амфотерные свойства; близким расположением в звеньях полимера ионогенных и полярных групп создают условия для образования комплексов с поглощаемым ионом:

Иониты в зависимости от их кислотного и основного характера могут реагировать как катиониты или как аниониты. Катиониты обладают способностью к обмену катионов своих ионогенных групп на катионы растворенных солей или водородные ионы кислот. В общем виде:

R _n (SO₃ H) _m R _n (SO₃) _m … _m H⁺

R _n (SO₃)^– _m … _m H⁺ + _m NaCl R _n (SO₃)^– _m … _m Na⁺ + _m HCl

Пример катионного обмена:

1. Na-смола + CaSO₄ ↔ Ca-смола + Na₂ SO₄

2. H-смола +CaSO₄ ↔ Ca-смола + H₂ SO₄

3. Ca-смола + HCl ↔ H-смола + CaCl₂

4. H-смола + NaCl ↔ Na-смола + HCl

5. H-смола + NaOH ↔ Na-смола + H₂ O – реакция нейтрализации

Аниониты обменивают анионы своих ионогенных групп на анионы солей или кислот, находящихся в растворе. В общем виде:

R _n (NR₃ ⁺ OH^–) _m ↔ R _n (NR₃)⁺ _m … _m OH^–

R _n (NR₃)⁺ _m … _m OH^– + _m NaCl ↔ R _n (NR₃)⁺ _m … _m Cl^- + _m NaOH

Пример анионного обмена:

1. ОН-смола + HCl ↔ Cl-смола + H₂ O – реакция нейтрализации

2. SO₄ -смола + NaOH ↔ OH-смола + Na₂ SO₄

3. Cl-смола +CaSO₄ ↔ SO₄ -смола + СaCl₂

Подобные реакции имеют место и для обмена с многочисленными другими органическими и неорганическими солями, кислотами и основаниями. Реакции обратимы, что очень важно для регенерации ионита (перевод катионитов в Н-форму осуществляется соляной кислотой, а в нейтральную – раствором NaCl. Перевод же анионитов в ОН-форму происходит при обработке его раствором NaOH).

Благодаря двухступенчатому методу обмена можно достигать практически полного удаления электролита. Это так называемое обессоливание или деминерализация, протекает, например, для обычной воды с постоянной жесткостью по следующей схеме.

Для воды, содержащей CaSO₄, процесс протекает по уравнению:

CaSO₄ + H-смола = H₂ SO₄ + Ca-смола

Для воды, содержащей NaCl, имеет место следующая реакция:

NaCl + H-смола = HCl + Na-cмола

Удаление кислот идет по схеме:

H₂ SO₄ + OH-смола = SO₄ -смола + НОН

HCl + OH-смола = Cl-смола + НОН

16.4. «Емкость» ионита

Обменная способность ионитов определяется встряхиванием их навески с титрованными растворами кислоты (или щелочи), а также фильтрованием этого раствора через слой ионитов, с последующим титрованием отфильтрованной пробы раствора щелочью (или кислотой). Обменная емкость ионитов обычно выражается в миллиграмм-эквивалентах поглощенного иона на 1 г (или единицу объема) ионита. Высокоемкие иониты могут поглощать 6–10 мг-экв иона на 1 г ионита.

Дата добавления: 2014-12-08