7.6.5. Ионнообменные полимеры.

Присутствие в полимере групп, проявляющих кислотные или основные свойства, позволяет осуществлять реакции обмена с катионами или анионами. Такие полимеры называют ионнообменными. Соответственно, различают катиониты, поглощающие из раствора электролита катионы и способные обменивать их в эквивалентных количествах на другие катионы, и аниониты, способные поглощать из раствора анионы и обменивать их на другие анионы.

Катиониты проявляют свойства поликислот, аниониты – свойства полиоснований.

Реакции катионного и анионного обмена могут быть изображены следующими схемами:

2RNa + CaCl₂ « R₂Ca + 2NaCl

2RCl + Na₂SO₄ « R₂SO₄ + 2NaCl.

Здесь R – неподвижный макромолекулярный ион.

Эти реакции являются гетерогенными.

Катиониты, как правило, содержат сульфогруппы, карбоксильные, фосфиновокислые, мышьяковокислые, селеновокислые группы и др. Например, фенолоформальдегидные смолы являются катионитами (слабыми, т.е. имеют низкую ёмкость). Более сильные катиониты получают поликонденсацией п-фенолсульфокислоты или её натриевой соли с формальдегидом.

Катиониты полимеризационного типа получают сополимеризацией стирола с дивинилбензолом или подобным сомономером, например, диизопропилбензолом и, порой, дополнительно, акрилонитрилом, винилпиридином и др. Сильнокислотные группы -SO₃H, -PO₃H₂ вводят в синтезируемый сетчатый полимер реакциями полимераналогичных превращений.

Аниониты содержат в макромолекулах ионогенные группы основного характера – аминогруппы, пиридиновые и др. Они, как и катиониты, могут быть получены как методами поликонденсации, так и полимеризации. Например, совместной поликонденсацией пиридина, полиэтиленполиамина и эпихлоргидрина получают сильноосновные аниониты. Сополимеризацией стирола и дивинилбензола с полследующими полимераналогичными превращениями неионогенных групп в анионообменные или непосредственно сополимеризацией мономеров, проявляющих основные свойства (2-метил-5-винилпиридин и др.) получают аниониты различной ёмкости.

Форма ионитов – как правило, мелкие шарики (бисер). Поскольку данные реакции ионного обмена являются гетерогенными, предпринимались усилия по увеличению поверхности ионитов. Это достигается либо увеличением пористости бисера, либо приданием иониту гелеобразной структуры.

Наиболее плодотворное направление – изготовление ионообменных волокон. В этом случае решается сразу несколько проблем: исключается унос материала потоком жидкости или газа, резко увеличивается удельная поверхность ионита. Так, удельная поверхность гранулированного ионита составляет примерно 0,1 м²/г, а волокон ВИОН – 10 – 30 м²/г.

Хемосоррбционные (ионообменные) волокна используются не только для извлечения ионов из растворов, но и для очистки воздуха от ряда токсичных и агрессивных газов ( SO₂, SO₃, HF, Cl₂, H₂S, NH_3, оксидов азота и других газов), а также аэрозолей (туманы кислот, аэрозоли солей), являющихся наиболее распространёнными загрязнителями атмосферы.

Для изготовления ионообменных волокон обычно используют сополимеры акрилонитрила с 2-метил–5 - винилпиридином, итаконовой кислотой и другими сомономерами. Для придания большей устойчивости сополимера и возможности многократных регенераций полимер сшивают путём добавлением эпоксисоединений, либо обработками гидрозингидратом. Регенерация волокон осуществляется быстрее и с меньшими затратами регенерирующих растворов по сравнению с регенерацией зернистых ионитов. После 100 циклов сорбция – регенерация статическая обменная ёмкость и механические свойства волокон остаются неизменными.

Несложными специальными обработками можно придать анионообменным волокнам ВИОН бактерицидные свойства.

Полимерные иониты применяют в водоподготовке, в гидрометаллургии и гальванотехнике для селективного извлечения ценных металлов, в пищевой и гидролизной промышленности (сахарное производство, очистка глюкозы, фруктозы, желатина, глицерина и др.), в производстве молочных продуктов, виноматериалов, в химии и химической промышленности, полупроводниковом производстве, в медицине, биологии, фармакологии и др.