Ионообменная смола - Ion-exchange resin

Гранулы ионообменной смолы

An ионообменная смола или же ионообменный полимер это смола или же полимер что действует как среда для ионный обмен. Это нерастворимый матрица (или опорная конструкция) обычно в виде небольших (радиус 0,25–0,5 мм) микрошарики, обычно белого или желтоватого цвета, изготовленные из органический полимер субстрат. Бусины обычно пористый, обеспечивая большой площадь поверхности внутри и внутри них ловушка ионы происходит вместе с сопутствующим высвобождением других ионов, и поэтому этот процесс называется ионным обменом. Есть несколько типов ионообменных смол. Большинство коммерческих смол состоит из сульфонат полистирола.[1]

Гранулы ионообменной смолы

Ионообменные смолы широко используются в различных разделение, процессы очистки и дезактивации. Наиболее распространенные примеры: умягчение воды и очистка воды. Во многих случаях ионообменные смолы использовались в таких процессах как более гибкая альтернатива использованию природных или искусственных материалов. цеолиты. Кроме того, ионообменные смолы очень эффективны в процессе фильтрации биодизельного топлива.

Виды смол

Наиболее типичные ионообменные смолы основаны на сшитый полистирол. Фактические центры ионного обмена вводятся после полимеризации. Кроме того, в случае полистирола сшивание вводится путем сополимеризации стирола и нескольких процентов дивинилбензол. Сшивание снижает ионообменную способность смолы и увеличивает время, необходимое для выполнения процессов ионного обмена, но повышает прочность смолы. Размер частиц также влияет на параметры смолы; более мелкие частицы имеют большую внешнюю поверхность, но вызывают большие потеря головы в столбце процессы.[2]

Помимо того, что ионообменные смолы изготавливаются в форме шариков, они также производятся в виде мембран. Эти ионообменные мембраны, которые сделаны из сильно сшитых ионообменных смол, которые пропускают ионы, но не воду, используются для электродиализ.

Четыре основных типа ионообменных смол различаются функциональные группы:

Специализированные ионообменные смолы также известны, как хелатирующие смолы (иминодиуксусная кислота, тиомочевина смолы на основе и многие другие).

Анионные смолы и катионы - две наиболее распространенные смолы, используемые в процессе ионного обмена. В то время как анионные смолы притягивают отрицательно заряженные ионы, катионные смолы притягивают положительно заряженные ионы.

Анионные смолы

Анионные смолы могут быть как сильно, 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.[3] Слабоосновные смолы не сохраняют свой заряд при высоком pH, поскольку подвергаются депротонированию.[3] 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 водный гидроксид натрия. Во время регенерации регенерирующий химикат проходит через смолу, а захваченные отрицательные ионы вымываются, обновляя обменную способность смолы.

Катионообменная смола[4]

Формула: R − H кислый

Катионообменный метод устраняет жесткость воды но вызывает в ней кислотность, которая дополнительно удаляется на следующей стадии обработки воды путем пропускания этой кислой воды через анионообменный процесс.

Реакция:

R − H + M+ = R−M + H+.

Анионообменная смола[4]

Формула: NR4+ОЙ−

Часто это стирол –дивинилбензол сополимер смолы, которые имеют катионы четвертичного аммония как составная часть полимерной матрицы.

Реакция:

NR4+ОЙ− + HCl = NR4+Cl− + H2О.

Анионообменная хроматография использует этот принцип для извлечения и очистки материалов из смеси или же решения.

Использует

Умягчение воды

Основная статья: Умягчение воды

В этом приложении ионообменные смолы используются для замены магний и кальций ионы, обнаруженные в жесткая вода с натрий ионы. Когда смола свежая, она содержит ионы натрия на своих активных участках. 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 на смоле, заменяясь в растворе ионами натрия. Этот процесс достигает равновесия с гораздо более низкой концентрацией ионов магния и кальция в растворе, чем был в начале.

Идеальное изображение процесса умягчения воды, включающего замену ионов кальция в воде на ионы натрия, полученные от катионообменной смолы.

Смолу можно повторно зарядить, промыв ее раствором, содержащим высокую концентрацию ионов натрия (например, она имеет большое количество поваренная соль (NaCl) растворенный в нем). Ионы кальция и магния мигрируют из смолы, замещаясь ионами натрия из раствора, пока не будет достигнуто новое равновесие. Соль используется для перезарядки ионообменной смолы, которая сама используется для смягчения воды.

Очистка воды

Основная статья: Очищенная вода

В этом приложении ионообменные смолы используются для удаления ядовитый (например. медь ) и опасный металл (например, вести или же кадмий ) ионы из раствора, заменяя их более безобидными ионами, такими как натрий и калий.

Небольшое количество ионообменных смол удаляет хлор или органических загрязнителей из воды - обычно это делается с помощью активированный уголь фильтр, смешанный со смолой. Есть некоторые ионообменные смолы, которые действительно удаляют органические ионы, например, смолы MIEX (магнитно-ионный обмен). Смола для очистки бытовой воды обычно не пополняется - смола выбрасывается, когда ее больше нельзя использовать.

Вода высочайшей чистоты требуется, в частности, для электроники, научных экспериментов, производства сверхпроводников и атомной промышленности. Такую воду получают с использованием ионообменных процессов или комбинации мембранных и ионообменных методов.

Ионный обмен при разделении металлов

Барабан желтый пирог

Ионообменные процессы используются для разделения и очистки металлы, включая разделение уран из плутоний и другие актиниды, включая торий; и лантан, неодим, иттербий, самарий, лютеций, друг от друга и от другого лантаноиды. Есть две серии редкоземельные металлы, лантаноиды и актиниды. Члены каждой семьи имеют очень похожие химические и физические свойства. Ионный обмен в течение многих лет был единственным практическим способом разделения редкоземельных элементов в больших количествах. Это приложение было разработано в 1940-х годах компанией Фрэнк Спеддинг. Впоследствии экстракция растворителем в основном вытеснил использование ионообменных смол, за исключением продуктов высшей чистоты.

Очень важный случай - это PUREX процесс (процесс извлечения плутония-урана), который используется для разделения плутоний и уран из отработанных топливных продуктов из ядерный реактор, и иметь возможность утилизировать отходы. Затем плутоний и уран доступны для производства материалов для ядерной энергии, таких как новое реакторное топливо и ядерное оружие.

Ионообменные шарики также являются важным компонентом в выщелачивание на месте добыча урана. Извлечение на месте включает извлечение урансодержащей воды (содержание до 0,05% U3О8 ) через скважины. Затем экстрагированный раствор урана фильтруют через шарики смолы. В процессе ионного обмена шарики смолы притягивают уран из раствора. Смолы, содержащие уран, затем транспортируются на перерабатывающий завод, где U3О8 отделяется от шариков смолы, и желтый пирог производится. Затем гранулы смолы можно вернуть в установку для ионного обмена, где они будут повторно использованы.

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 отрасли. Цирконий практически прозрачен для свободных нейтронов, используется в реакторах, но гафний - очень сильный поглотитель нейтронов, используемый в реакторах. стержни управления.

Катализ

Ионообменные смолы используются в органический синтез, например за этерификация и гидролиз. Поскольку они имеют большую площадь поверхности и нерастворимы, они подходят для парофазных и жидкофазных реакций. Примеры можно найти, где основной (OH−-форма) ионообменных смол используются для нейтрализации солей аммония.[5] и конвертировать галогениды четвертичного аммония к гидроксидам.[6] Кислый (H+-form) ионообменные смолы использовались в качестве твердые кислотные катализаторы для разрыва защитных групп эфира.[7] и для реакций перегруппировки.[8]

Очистка сока

Ионообменные смолы используются при производстве фруктовых соков, таких как апельсиновый и клюквенный сок, где они используются для удаления горьких компонентов и, таким образом, улучшения вкуса. Это позволяет использовать для производства сока источники терпких фруктов или фруктов с худшим вкусом.

Производство сахара

Ионообменные смолы используются при производстве сахар из разных источников. Они используются для преобразования одного типа сахара в другой, а также для обесцвечивания и очистки сахарных сиропов.

Фармацевтические препараты

Ионообменные смолы используются в производстве фармацевтических препаратов, а не только для катализирующий определенные реакции, но также для выделения и очистки фармацевтических активные ингредиенты.Три ионообменные смолы, сульфонат полистирола натрия, колестипол, и холестирамин, используются как активные ингредиенты. Сульфонат полистирола натрия представляет собой сильнокислотную ионообменную смолу и используется для лечения гиперкалиемия. Колестипол представляет собой слабоосновную ионообменную смолу и используется для лечения гиперхолестеринемия. Холестирамин представляет собой сильноосновную ионообменную смолу, которая также используется для лечения гиперхолестеринемия. Колестипол и холестирамин известны как секвестранты желчных кислот.

Ионообменные смолы также используются в качестве вспомогательные вещества 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, повышенную биодоступность, и повышение химической стабильности активные ингредиенты.

Селективный полимерные хелаторы были предложены для поддерживающая терапия некоторых патологий, где хронический ион накопление происходит, например, Болезнь Вильсона (куда медь происходит накопление)[9] или же наследственный гемохроматоз (железная перегрузка, куда утюг происходит накопление)[10][11][12] Эти полимеры или частицы имеют незначительный или нулевой системный биологическая доступность и они предназначены для образования стабильных комплексов с Fe2+ и Fe3+ в GIT тем самым ограничивая поглощение этих ионов и их долгосрочное накопление. Хотя этот метод имеет лишь ограниченную эффективность, в отличие от низкомолекулярные хелаторы (деферасирокс, деферипрон, или же дефероксамин ) такой подход может иметь лишь незначительные побочные эффекты в субхронические исследования.[12] Интересно, что одновременное хелатирование Fe2+ и Fe3+ повышает эффективность лечения.[12]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Франсуа Дардель и Томас В. Арден «Ионообменники» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2008, Wiley-VCH, Weinheim. Дои:10.1002 / 14356007.a14_393.pub2.
  2. ^ ИЮПАК «настоятельно не рекомендует» использовать термин «ионообменная смола» для обозначения ионообменного полимера, но использование остается обычным: Международный союз теоретической и прикладной химии (2004), «Определения терминов, относящихся к реакциям полимеров и функциональным полимерным материалам (Рекомендации IUPAC 2003 г.)» (PDF), Pure Appl. Chem., 76 (4): 889–906, Дои:10.1351 / pac200476040889
  3. ^ а б Викиучебники: Протеомика / Разделение белков - Хроматография / Ионный обмен # Анионообменники.
  4. ^ а б Vagliasindi, Federico G.A .; Бельджорно, Винченцо; Наполи, Родольфо М. А. (1 января 1998 г.), Гаваши, Ренато; Зандарья, Сарантуя (ред.), «ОЧИСТКА ВОДЫ В УДАЛЕННЫХ И СЕЛЬСКИХ МЕСТАХ: КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ПРОТОКОЛ СКРИНИНГА СООТВЕТСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ POU / POE», Экологическая инженерия и возобновляемые источники энергии, Oxford: Elsevier, стр. 329–336, Дои:10.1016 / b978-0-08-043006-5.50049-5, ISBN  978-0-08-043006-5, получено 2020-10-27
  5. ^ Кэл И. Мейерс и Леонард Э. Миллер (1952). «ε-Аминокапроновая кислота». Орг. Синтезатор. 32: 13. Дои:10.15227 / orgsyn.032.0013.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  6. ^ Карл Кайзер и Джозеф Вайншток (1976). «Алкены через удаление Гофмана: использование ионообменной смолы для получения гидроксидов четвертичного аммония: дифенилметилвиниловый эфир». Орг. Синтезатор. 55: 3. Дои:10.15227 / orgsyn.055.0003.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  7. ^ Р. А. Эрл, Л. Б. Таунсенд (1981). «Метил-4-гидрокси-2-бутиноат». Орг. Синтезатор. 60: 81. Дои:10.15227 / orgsyn.060.0081.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  8. ^ Дэвид Г. Хилми, Лео А. Пакетт (2007). «1,3-Дихлорацетон в качестве эквивалента циклопропанона: 5-оксаспиро [3,4] октан-1-он». Орг. Синтезатор. 84: 156. Дои:10.15227 / orgsyn.084.0156.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  9. ^ Маттова, Яна; Поучкова, Павла; Кучка, Ян; Шкодова, Михаэла; Ветрик, Мирослав; Штепанек, Петр; Урбанек, Петр; Петржик, Милош; Nový, Zbyněk; Hrubý, Мартин (2014). «Хелатирующие полимерные шарики как потенциальное лекарство от болезни Вильсона». Европейский журнал фармацевтических наук. 62: 1–7. Дои:10.1016 / j.ejps.2014.05.002. ISSN  0928-0987.
  10. ^ Поломосканик, Стивен С .; Кэннон, С. Пэт; Neenan, Thomas X .; Холмс-Фарли, С. Рэндалл; Мандевиль, У. Гарри; Дхал, Прадип К. (2005). "Гидрогели, содержащие гидроксамовую кислоту, для терапии хелатированием неабсорбированного железа: синтез, характеристика и биологическая оценка". Биомакромолекулы. 6 (6): 2946–2953. Дои:10.1021 / bm050036p. ISSN  1525-7797. PMID  16283713.
  11. ^ Цянь, Цзянь; Салливан, Брэдли П.; Петерсон, Сэмюэл Дж .; Беркланд, Кори (2017). «Неабсорбируемые железосвязывающие полимеры предотвращают абсорбцию пищевого железа для лечения перегрузки железом». Буквы макросов ACS. 6 (4): 350–353. Дои:10.1021 / acsmacrolett.6b00945. ISSN  2161-1653.
  12. ^ а б c Гроборз, Ондржей; Полакова, Ленка; Колоухова, Кристина; Швец, Павел; Лукотова, Ленка; Мирияла, Виджай Мадхав; Франкова, Павла; Кучка, Ян; Крайт, Ян; Парал, Петр; Байечны, Мартин; Хайзер, Томаш; Поль, Радек; Данлоп, Дэвид; Чернек, Иржи; Шефц, Лудек; Бенеш, Иржи; Штепанек, Петр; Хобза, Павел; Грубый, Мартин (2020). «Хелатирующие полимеры для лечения наследственного гемохроматоза». Макромолекулярная бионаука: 2000254. Дои:10.1002 / mabi.202000254. ISSN  1616-5187. PMID  32954629.

дальнейшее чтение

  • «Химия и работа ионного обмена». Remco Engineering. Архивировано из оригинал на 2014-02-20. Получено 2014-05-16.
  • Фридрих Г. Гельфферих (1962). Ионный обмен. Courier Dover Publications. ISBN  978-0-486-68784-1.
  • Ионообменники (под ред. К. Дорфнера), Вальтер де Грюйтер, Берлин, 1991.
  • К. Э. Харланд, Ионный обмен: теория и практика, Королевское химическое общество, Кембридж, 1994.
  • Ионный обмен (Д. Муравьев, В. Горшков, А. Варшавский), М. Деккер, Нью-Йорк, 2000.
  • Загородний А.А. Ионообменные материалы: свойства и применение, Elsevier, Амстердам, 2006.
  • Александратос С.Д. Ионообменные смолы: ретроспектива исследований промышленной и инженерной химии. Исследования в области промышленной и инженерной химии, 2009.
  • Каталитическая система, содержащая ионообменную смолу и диметилтиазолидиновый промотор, Hasyagar U K, Mahalingam R J, Kishan G, WO 2012.