Химическая лаборатория (фотографии). Chemical laboratory (photos)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Ионообменные смолы / Ion-exchange resins (ion-exchange polymers)

Иониты - твердые, нерастворимые (в условиях эксплуатации) вещества, способные обменивать собственные ионы на ионы из раствора. Различают катиониты (обмениваются катионами) и аниониты (обмениваются с раствором анионами). Иониты могут быть природными, например, распространенные глинистые минералы (каолинит, бентонит, монтмориллонит) и их смеси или синтетическими. Среди синтетических ионитов большое значения имеют ионообменные смолы - высокомолекулярные органические вещества, которые содержат в своей структуре функциональные группы, способные к ионному обмену с раствором.

Катиониты могут быть сильнокислотными (способны к катионному обмену, как в сильнокислой, так и в слабокислой, нейтральной или щелочной среде) и слабокислотными (способны к обмену в нейтральной и щелочной среде, иногда - в слабокислой). Аналогично аниониты могут быть сильноосновными и слабоосновными. Первые работают и в сильнощелочной, и в щелочной, и в нейтральной или кислой среде; вторые - в нейтральной или кислой.

Существуют также другие разновидности ионообменных смол: комплексообразующие ионообменные смолы (содержат группы, способные селективно связывать в комплекс заданный ион (ионы), например, в их составе могут быть краун-эфиры, пришитые к полимерной матрице); окислительно-восстановительные смолы и т.д. Некоторые смолы имеют одновременно обменные группы разных типов. Например, амфотерные ионообменные смолы содержат катионообменные и анионообменные группы. С такими смолами я не сталкивался на практике, поэтому упоминать их не буду.

Аниониты и катиониты широко используются, как в лаборатории, так и в промышленности. Если речь идет о лаборатории: ионообменная хроматография (для аналитической химии или препаративного разделения), концентрирование микропримесей и селективное выделение ионов из раствора. В промышленности: обессоливание воды (или только умягчение), глубокая очистка воды (например, на АЭС), очистка технологических растворов (сахарные заводы, фармацевтика и т.д.), очистка промстоков, концентрирование и разделение ценных металлов, регенерация металлов из отработанных электролитов и других технологических растворов; иногда иониты применяются как катализаторы для органических реакций.

Если смола поглотила из раствора заданный катион (анион), например, медь или радиоактивный цезий, то как потом его извлекают из смолы? Принципиальных путей два: регенерация и деструкция. При регенерации смолу обрабатывают специальным раствором электролита (в случае меди - кислотой) - в результате поглощенные ионы снова переходят в раствор, а в смолу возвращаются ионы, которые были в ней изначально (в нашем примере медь замещается в смоле на ионы водорода). Регенерированная смола возвращается в работу, а раствор соли меди идет на переработку. Другой вариант - деструкция: смолу просто сжигают, а из остатка выделяют сконцентрированные в нем вещество (например, радиоактивный цезий). Или не выделяют, а отправляют на захоронение отходов.

Ионообменные смолы получают путем полимеризации или поликонденсации: в этом случае обменные группы уже содержится в молекулах исходных мономеров. После полимеризации (поликонденсации) они остаются в смоле. Другой вариант - модификация готовых полимеров, в результате чего в структуре полимера образуются заданные ионообменные группы (полимераналогичные превращения).

Ниже даны фотографии некоторых распространенных ионообменных смол, которые удалось найти в лабораториях у коллег.

Катионит универсальный КУ-2-8. Катионит КУ-2 - сильнокислотный катионит, один из самых распространенных катионитов в промышленности и в лаборатории. Каркас представляет собой сополимер стирола и дивинилбензола (дивинилбензол служит для поперечной сшивки), содержит ионообменные группы -SO₃H: подобные катиониты называют сульфокислотными или сульфокатионитами. Сульфокатиониты довольно распространены на практике.

Сульфогруппы -SO₃H вводят в сополимер стирола с дивинилбензолом действием серной кислоты или олеума в присутствии каталитизатора.

По внешнему виду катионит КУ-2 представляет собой желтые или коричневые гранулы ("шарики").

Катионит универсальный марки КУ-1 (сильнокислотный). Несмотря на схожесть названий, этот катионит существенно отличается от КУ-2. Если КУ-2 - продукт сополимеризации стирола с дивинилбензолом (с последующим сульфированием полученной смолы), то КУ-1 это сульфокатионит на основе фенолформальдегидной смолы [см. Лурье А.А. Сорбенты и хроматографические носители. Справочник (1972) [ссылка] (С.28)], а фенолальдегидные смолы получают реакцией поликонденсации (в случае КУ-1: фенолсульфокислота + формальдегид).

Коллега, который с ним работал, говорит, что КУ-1 хуже, чем КУ-2. Причина - указана выше. Первый - поликонденсационный катионит, второй - полимеризационный. При полимеризации легче получить материал с заданными свойствами, чем при реакции поликонденсации. Кроме того, КУ-2 не содержит фенольных групп, а КУ-1 - содержит. Это имеет значение, поскольку фенолы окисляются.

Катионит КБ-4 (и его модификация КБ-4П-2) - в работе с ним не сталкивался. Слабокислый катионит. Матрица - метилметакрилат-дивинилбензол, обменные группы - карбоксил -COOH. Согласно литературе - применяется для извлечения двух- и многовалентных катионов в растворах, где присутсвует значительное количество одновалентных катионов.

Расшифровка нвзывния: КБ — катионит буферный (слабокислотный), буква "П" означает "пористый".

Катиониты Dowex - сильнокислотный катионит американской фирмы Dow. Это прототип, по которому сделали (вернее - с которого передрали) катионит КУ-2. Сополимер стирола и дивинилбензола с различным содержанием последнего (в зависимости от марки). Обменные группы: -SO₃H. На фотографиях показан катионит марки Dowex DR 2030.

Конкретный образец смолы Dowex служил катализатором в установке получения биодизеля. Рапсовое масло (триглицериды жирных кислот) переэтерифицировали этанолом. В результате получались этиловые эфиры жирных кислот, которые служат топливом для дизельных двигателей. В цивилизованном мире давно уже крупные заводы работают, а в конкретном НИИ с трудом лабораторную установку по получению биодизеля осилили. Позор, конечно, но государство платит, - значит, можно работать и так.

Сульфоуголь - сильнокислотный катионит, который получатся при обработке природных каменных углей олеумом (сульфирование). Содержит разные обменные группы: -SO₃H, -СООН и -ОН (полифункциональный катионит).

Используется для умягчения и обессоливания воды, очистки промышленный стоков и т.п. Подобно обычному каменному углю, сульфоуголь горюч и способен к самовоспламенению на воздухе при хранении в массе (кучи и т.п.).

Нетрудно догадаться, что сульфоуголь - продукт довольно грубый, обладает такими-себе ионообменными показателями и не отличается стабильностью характеристик. Его качество зависит от качества (марки) исходного угля. Почему сульфоуголь до сих пор используют? Ответ можно изложить одним словом - цена, точнее двумя словами: дешевизна и доступность.

Кроме ионообменных свойств сульфоуголь обладает также восстановительными свойствами. В одном из практикумов сказано, что он восстанавливает трехвалентное железо до двухвалентного, шестивалентный молибден до пятивалентного, бихромат-ионы до ионов трехвалентного хрома.

Коллеге прислали целый мешок сульфоугля - как раз в рамках работы, которой я сейчас занимаюсь. Пошел на почту получать - дали ему мешок с надписью "Аня" (отправитель) - написано большими буквами и ярким маркером. Понял, что нести на плечах такой мешок по городу не стоит (люди могут не так понять и вызвать полицию), поэтому купил большой пакет и поместил мешок в него.

Увы мешок с "Аней" не сфотографировал, поэтому придется взять фото сульфоугля из сети - да простят меня менеджеры (не простят - переживу).

С катионитами - все, перейдем к анионитам.

Анионит высокоосновный АВ-17-8 (сильноосновный). Сополимер: стирол - дивинилбензол - триметиламин. Обменные группы -N⁺(CH₃)₃. Приведу цитату из литературы (Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности орrанических и неорrанических веществ. ч. II. [ссылка]).

"Анионит полимеризационного типа, содержит один вид ионогенных групп - бензилтриметиламмониевую. Применяется в водоподготовке для удаления ионов слабодиссоциирующих кислот (угольной, кремниевой), в гидрометаллургии для регенерации отходов, очистки возвратных и сточных вод, в химической и фармацевтической промышленности для разделения и очистки различных веществ. Совместно с катионитом КУ-2–8 используется для глубокого обессоливания воды. Аналоги: амберлайт IRA-400; дауэкс 1, 11; дуолайт А-101; диайон SA-10A; кастель А-500; леватит М-500; зеролит 1-Т; вофатит SBW." (Далее по тексту - цитаты без ссылки).

Анионит АВ-16ГС. Анионит сильноосновный (высокоосновный). "Полифункциональный анионит поликонденсационного типа, содержит в качестве ионогенных групп вторичные, третичные аминогруппы алифатического ряда и пиридиновые. Применяется в пищевой промышленности для осветления сахарных сиропов, получения лимонной кислоты. Обладает комплексообразующими свойствами по отношению к меди, железу и другим тяжелым металлам и может быть использован для их выделения и разделения." Исходные вещества для получения: пиридин, ПЭПА (полиэтиленполиамин), эпихлоргидрин

Анионит низкоосновный АН-1 (слабоосновный). Получают поликонденсацией меламина с формальдегидом.

"Полифункциональный анионит, содержит в качестве ионогенных групп вторичные (преимущественно) и третичные аминогруппы, связанные с триазиновым кольцом. Применяется в гидрометаллургии для извлечения молибдена, а также для очистки пентозного гидролизата от серной кислоты и красящих веществ в гидролизной промышленности."

Анионит ЭДЭ-10-П. Низкоосновный анионит. "Полифункциональный анионит, смешанной основности, гелевой структуры, содержит в качестве ионогенных групп вторичные, третичные аминогруппы алифатического ряда и группы четвертичных аммониевых оснований. Применяется для деминерализации воды, обессоливания воды, содержащей небольшие количества органических веществ; используется для очистки гидролизных растворов, глюкозных сиропов в медицине, молочной сыворотки в пищевой промышленности, этилового спирта от примесей кислот и альдегидов в химической промышленности. Аналоги: дуолайт Л-30; кастель Л-100, вофатит L-600".

Исходные вещества для получения: ПЭПА (полиэтиленполиамин), эпихлоргидрин.

Анионит низкоосновный АН-2ФН. "Полифункциональный анионит, содержит в качестве ионогенных групп вторичные и третичные аминогруппы алифатического ряда и небольшое количество фенольных групп. Применяется для деминерализации воды, содержащей небольшие количества гумусовых веществ, для сорбции щавелевой кислоты, а также в гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности." Исходные вещества для производства: ПЭПА (полиэтиленполиамин), фенол, формальдегид.

Анионит низкоосновный АН-31. Получают поликонденсацией из следующих веществ: ПЭПА, эпихлоргидрин, аммиак. "Полифункциональный анионит, содержит в качестве ионогенных групп вторичные и третичные аминогруппы алифатического ряда. Применяется в водоподготовке (первая ступень) и для сорбции редких металлов."

В заключение - набор ионообменных смол. Большинство ионитов (катиониты и аниониты), показанных выше, были взяты именно из этого набора. Сам набор обнаружил в геохимическом институте - коллега собрал его по частям из разных лабораторий. Судя по перечню оставшихся реактивов, раньше в институте велась активная работа. Сейчас от института осталось одно название. Прошлое следует учитывать, но в нем не стоит жить: все, что у нас есть, - настоящее и будущее.