Иониты — твёрдые нерастворимые вещества, способные обменивать свои ионы на ионы из окружающего их раствора. Обычно это синтетические органические смолы , имеющие кислотные или щелочные группы. Иониты разделяются на катиониты , поглощающие катионы , аниониты , поглощающие анионы , и амфотерные иониты, обладающие обоими этими свойствами . Широко применяются иониты для опреснения вод, в аналитической химии для разделения веществ методом хроматографии , в химической технологии. Иониты распространены в природе, в частности, в почве содержатся катиониты, которые предохраняют катионы необходимых растениям элементов (например, калия) от вымывания водой и обменивают их на ионы водорода выделяемой растениями кислоты, таким образом способствуя питанию растений . В зависимости от природы матрицы различают неорганические и органические иониты.

История

В 1850 году Гарри Стивен Мейси Томпсон ( англ. Harry Stephen Meysey Thompson ) опубликовал в английском журнале The Journal of the Royal Agricultural Society of England статью , в которой изложил результаты экспериментов, проведённых им летом 1845 года. Он пропускал дистиллированную воду c растворённым в ней сульфатом аммония через слой почвы. На выходе количество сульфата аммония в воде значительно уменьшилось, зато она стала содержать много гипса , что свидетельствовало о том, что ионы аммония задержались почвой, обменявшись на содержавшиеся в ней ионы кальция . В том же номере журнала опубликовал статью Джон Томас Уэй ( англ. John Thomas Way ) , который провёл множество экспериментов, свидетельствующих об ионообмене в почве. Оба автора ссылаются также на фермера Хакстебла ( англ. Huxtable ), поставившего подобный эксперимент.

В статье, датируемой 26 июля 1905 года , Р. Ганс ( нем. Gans ) описал методы технического получения искусственных неорганических ионитов — цеолитов — и указал на возможность их применения для уменьшения жёсткости воды . Действие ионитов изучали российские и советские учёные К. К. Гедройц , Н. Д. Зелинский , М. С. Цвет . В 1935 году Б. А. Адамс ( англ. Basil Albert Adams ) и Э. Л. Холмс ( англ. Eric Leighton Holmes ) обнаружили свойство обменивать ионы у синтетических органических полимеров , тем самым пополнив группу известных ионитов ионообменными смолами . В 1950—1960 гг. синтетические иониты исследовали М. М. Дубинин , Б. П. Никольский , Б. Н. Ласкорин .

Принцип действия

Иониты обычно состоят из зёрен, хотя производятся и иониты в виде мембран, волокон и тканей . Возьмём для определённости катионит, содержащий катионы водорода . Если через такой катионит пропустить вещество без ионов, например, дистиллированную воду , то ни вещество, ни катионит никак не изменятся. Однако если пропустить раствор соли , то этот раствор превратится в кислоту , а катионит будет содержать уже не катионы водорода, а катионы соли — произойдёт ионообмен. Чтобы вернуть катионит в исходное состояние, через него нужно пропустить кислоту — катионы соли в катионите вновь заменятся на катионы водорода — а затем отмыть от остатков кислоты. Подобным же образом аниониты обменивают свои анионы на анионы среды, в которую их помещают .

Иониты состоят из полимерной матрицы и связанных с ней ионогенных групп. При диссоциации каждая ионогенная группа разделяется на фиксированный ион, связанный с матрицей, и подвижный ион, который и обменивается на ионы раствора. Обычно чем больше заряд обмениваемого иона, тем лучше ионит обменивается им, а если заряды одинаковы, лучше обмениваются ионы, радиус которых больше. Например, сильнокислотные катиониты с сульфогруппами ионы калия K ⁺ обменивают лучше, чем ионы лития Li ⁺ , поскольку литий и калий расположены в одной подгруппе таблицы Менделеева и атомный номер калия больше, чем у лития, поэтому и радиус иона у него больше. Другой пример: сильноосновные аниониты обменивают ионы иода I ^- лучше, чем ионы хлора Cl ^- , поскольку хлор и иод расположены в одной подгруппе и атомный номер иода больше, чем у хлора, поэтому и радиус иона у него больше.

Классификация

По заряду обмениваемых ионов иониты делятся на следующие типы :

• Катиониты. Являясь кислотами, они поглощают положительные ионы и обменивают их на другие положительные ионы. Для регенерации катионита нужно подвергнуть его действию раствора кислоты. В свою очередь, подразделяются на следующие подтипы :
  • Сильнокислотные. Содержат сильно диссоциированные кислотные группы, например, сульфокислотные . Могут обменивать ионы в средах с кислой, нейтральной и щелочной реакцией.
  • Слабокислотные. Содержат слабодиссоциированные кислотные группы, например, карбоксильные . Обменивают ионы только в средах с нейтральной и щелочной реакцией.
• Аниониты. Являясь основаниями, поглощают отрицательные ионы и обменивают их на другие отрицательные ионы. Для регенерации анионита его подвергают действию щёлочи. Подразделяются на следующие подтипы :
  • Сильноосновные. Могут обменивать ионы в средах с кислой, нейтральной и щелочной реакцией.
  • Слабоосновные. Могут обменивать ионы только в средах с кислой и нейтральной реакцией.
  • Среднеосновные. Содержат и группы, характерные для сильноосновных анионитов, и группы, характерные для слабоосновных анионитов.
• Амфотерные иониты или полиамфолиты. В разных ситуациях они могут вести себя или как катиониты, или как аниониты. Для регенерации амфотерных ионитов их промывают водой.

В зависимости от природы матрицы иониты делятся на неорганические и органические.

Органические иониты

Органические иониты — это в основном синтетические ионообменные смолы . Органическая матрица изготавливается путём поликонденсации мономерных органических молекул, таких как стирол , дивинилбензол , акриламид и т. д. В эту матрицу химическим путём вводятся ионогенные группы (фиксированные ионы) кислотного или основного типа. Традиционно вводимыми группами кислотного типа являются -СООН; -SО ₃ Н; -РО ₄ Н ₂ и т. п., а основного типа: ≡N; =NH; -NH ₂ ; -NR ³⁺ и т. п. Современные ионообменные смолы, как правило, обладают высокой обменной ёмкостью и стабильностью в работе.

Иониты способны к набуханию в воде, что обусловлено присутствием гидрофильных фиксированных групп, способных к гидратации. Однако беспредельному набуханию, то есть растворению, препятствуют поперечные связи. Степень поперечной связанности задаётся при синтезе ионитов через количество вводимого сшивающего агента — дивинилбензола (ДВБ). Стандартные смолы, используемые для умягчения, содержат 8 % ДВБ. Доступные в настоящее время смолы могут содержать от 2 до 20 %. В целом степень набухания ионитов определяется количеством сшивки ДВБ, концентрацией гидрофильных ионогенных групп в объёме зерна ионита и тем, какие противоионы находятся в ионите. Обычно однозарядные ионы, особенно ионы водорода и гидроксила, приводят к наибольшему набуханию; многозарядные противоионы приводят к некоторому сжатию и уменьшению объёма зерен.

Неорганические иониты

Неорганические иониты — это в основном иониты природного происхождения, к которым относятся алюмосиликаты, гидроксиды и соли . Наиболее распространенными и применяемыми для очистки воды неорганическими природными ионитами являются цеолиты .

Цеолиты — это минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов, которые характеризуются наличием трёхмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щёлочноземельные катионы и молекулы воды. Общий объём системы полостей и каналов цеолита составляет до 50 % объёма каркаса цеолита. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены путём ионного обмена и дегидрации. Ионообменные свойства цеолитов определяются особенностями химического сродства ионов и кристаллической структуры цеолита. При этом необходимо соответствие размеров входных отверстий в цеолитовый каркас и замещающих ионов, так как каркас цеолита имеет жёсткую кристаллическую структуру и, в отличие от органических смол, не может набухать с изменением объёма.

Ионным обменом на цеолитах удается выделять ионы, извлечение которых другим методом часто представляет большую сложность. Установлена способность цеолитов адсорбировать радиоактивные ионы цезия из растворов, удалять NH ₄ ⁺ , извлекать ионы Cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag и других металлов, очищать природные газы. Ионоситовый эффект позволяет адсорбировать из газовых и жидких систем пары азота, CO ₂ , SO ₂ , H ₂ S, Cl ₂ , NH ₃ . Кроме этого, цеолиты могут быть использованы для удаления растворённых железа, марганца и уменьшения жёсткости.

Цеолиты имеют ряд особенностей, отличающих их от органических смол. Так, общая минерализация обрабатываемой воды должна быть не менее 80 мг/л, так как при меньшем содержании солей происходит растворение алюмосиликатного каркаса цеолита. При рН обрабатываемой воды ниже 6 также возрастает вероятность разрушения кристаллической решетки.

Динамическая обменная ёмкость цеолитов ниже динамической обменной ёмкости органических смол в тех же условиях, что связано с более медленной кинетикой обмена на цеолитах. Остаточная жёсткость воды после цеолитов составляет около 0,3 мг-экв/л, тогда как после органических смол — не более 0,1 мг-экв/л.

Применение

Иониты применяются для уменьшения жёсткости воды путём замены обусловливающих её ионов кальция и магния на другие, например, натрия . Применяются они и для обессоливания воды, при этом удаляются и катионы, и анионы путём последовательного прохождения воды через катионит и анионит. В пищевой промышленности иониты применяются для очистки сока сахарной свёклы от примесей при производстве сахара , используются в производстве дрожжей , глюкозы , желатина . Катиониты применяются в медицине для увеличения времени хранения крови путём замены в ней ионов кальция на ионы натрия. Широко используются иониты для выделения из растворов антибиотиков при их производстве. С помощью ионитов извлекаются редкие и рассеянные элементы из полиметаллических руд . В сельском хозяйстве иониты используются для доставки растениям необходимых им элементов .

Примечания