3.5.6.1. Иониты

Иониты или ионообменники – это вещества, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Большинство ионитов являются твёрдыми, нерастворимыми в воде веществами.

Классификация ионитов:

- По знаку заряда обмениваемых ионов иониты подразделяют на катиониты (способные обмениваться катионами), аниониты (способные обмениваться анионами) и амфолиты (в зависимости от рН среды могут обмениваться или катионами, или анионами);

- По степени диссоциации катиониты могут быть сильнокислотными (они всегда диссоциированы и способны к ионному обмену при любых значениях рН) и слабокислотными (которые работают только в нейтральных и щелочных средах). Активными группами сильнокислотных катионитов обычно являются сульфогруппы SO₃H, слабокислотных – группы ОН, СООН. Аниониты соответственно подразделяются на сильнооснόвные и слабооснόвные (работающие только в нейтральных и кислых средах). Активными группами сильноосновных анионитов являются аминогруппы (первичные NH ₂, вторичные =NH и третичные N), слабоосновных – остатки четвертичных аммониевых оснований, например, N⁺(CH₃)₃Cl^.

- По химической природе каркаса катиониты и аниониты могут быть неорганическими, органическими и минерально-органическими (состоящими из органического полиэлектролита на неорганическом носителе или, реже, из неорганического ионита, диспергированного в полимерном связующем);

- По происхождению иониты могут быть природными и синтетическими

К природным ионитам относятся неорганические (например, цеолиты, минералы глин – каолинит, монтмориллонит и др.) и органические (например, целлюлоза, торф, шерсть, шёлк, гумусовые вещества почвы). К синтетическим - неорганические (SiO₂, например, в виде аэросила, силикагель, Al₂O₃, сульфоуголь, пермутит Na₂O · Al₂O₃ · 3SiO₂ · 2H₂O) и органические (ионообменные смолы, являющиеся важнейшими из всех ионитов в практическом отношении). Выпускаются иониты в виде зёрен различной формы, порошков, паст, тканей и других изделий, например, мембран. Применяются иониты для очистки, разделения и концентрирования веществ (например, сахара, лекарственных средств), для водоподготовки, очистки сточных вод. Кроме того, иониты используются в качестве носителей в хроматографии и гетерогенных катализаторов. В зависимости от целей исследования или другого процесса, связанного с использованием ионитов, они могут применяться в различных формах, называемых по виду ионов, обмениваемых с контактирующим раствором. Чаще всего катиониты применяют в Н- или Na-форме, аниониты – в ОН- или Cl-форме.

Главными физико-химическими характеристиками ионитов являются обменная ёмкость, механическая прочность и химическая стойкость. У органических, кроме того, немаловажным свойством является способность к набуханию (см. п. 10.4). Обменной ёмкостью называется число ммоль ионогенных групп, содержащихся в 1 г сухого ионита. Иными словами, обменная ёмкость показывает, какое количество ионов в миллиэквивалентах способен обменять на своей поверхности 1 грамм сухого ионита. Природные иониты имеют сравнительно малую обменную ёмкость, обычно не превышающую 0,2 – 0,3 мэкв/г. У синтетических ионитов она на порядок выше (3 – 5 мэкв/г), а у некоторых ионообменных смол может достигать 10 мэкв/г и более.

Проиллюстрируем механизм действия ионитов на примере умягчения и обессоливания воды.

Карбонатная жёсткость природной воды обусловлена содержанием в ней гидрокарбонатов кальция и магния. Для извлечения ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ и замены их на ионы Na⁺, воду пропускают через колонку (например, стеклянную или чугунную трубу), заполненную катионитом в Na-форме. При этом на нём происходит реакция ионного обмена:

Na Na + Ca²⁺ + 2HCO₃^ =

= ==Ca + 2Na⁺ + 2HCO₃^

Аналогично происходит замена ионами Na⁺ и ионов Mg²⁺ и из колонки выходит мягкая вода.

Для полного обессоливания воду пропускают поочерёдно через колонки с катионитом в Н-форме и с анионитом в ОН-форме (или через одну колонку с амфолитом).

катионит

Катионит будет задерживать все катионы, например, ионы натрия:

катионит

H + Na⁺ + Cl^ =

= Na + H⁺ + Cl^,

а анионит – все анионы, например, хлорид-ионы:

OH + H⁺ + Cl^ =

= Cl + H₂O.

Таким образом, из колонки с анионитом выходит уже практически чистая вода. Современные иониты позволяют получать обессоленную воду, содержание солей в которой бывает даже меньше, чем в дистиллированной.

После того, как обменная ёмкость ионита будет исчерпана, т. е. все способные к обмену ионы будут заменены другими ионами того же знака, ионит теряет работоспособность. Для приведения его в исходное состояние требуется регенерация, которая проводится выдерживанием отработанного ионита в растворе соответствующего вещества. Катиониты регенерируются в Н-форму длительным выдерживанием в достаточно концентрированном растворе кислоты (обычно HCl), в Na-форму – в растворе хлорида натрия. Аниониты регенерируются в ОН-форму выдерживанием в растворе щёлочи (сильноосновные - в растворе NaOH, слабоосновные - в растворе аммиака), в Cl-форму – в растворе NaCl.