Ioniții sunt substanțe solide insolubile capabile să-și schimbe ionii cu ioni din soluția înconjurătoare. Acestea sunt de obicei rășini organice sintetice având grupări acide sau alcaline. Schimbătoarele de ioni sunt împărțite în schimbătoare de cationi care absorb cationi , schimbătoare de anioni care absorb anioni și schimbătoare de ioni amfoteri având ambele aceste proprietăți [1] . Schimbătoarele de ioni sunt utilizate pe scară largă pentru desalinizarea apei, în chimia analitică pentru separarea substanțelor prin cromatografie și în tehnologia chimică. Schimbătoarele de ioni sunt obișnuite în natură, în special, solul conține schimbătoare de cationi, care protejează cationii elementelor necesare plantelor (de exemplu, potasiul) împotriva spălării cu apă și îi schimbă cu ioni de hidrogen ai acidului secretat de plante. , contribuind astfel la nutriția plantelor [2] . În funcție de natura matricei, se disting schimbătorii de ioni anorganici și organici.
În 1850, Harry Stephen Meysey Thompson a publicat un articol într-o revistă engleză [ 3] în care sublinia rezultatele experimentelor sale din vara anului 1845. A trecut prin stratul de sol apă distilată cu sulfat de amoniu dizolvat în ea . La ieșire, cantitatea de sulfat de amoniu din apă a scăzut semnificativ, dar a început să conțină mult gips , ceea ce a indicat că ionii de amoniu au fost reținuți de sol, schimbându-se cu ionii de calciu conținuti în acesta . În același număr al revistei, John Thomas Way a publicat un articol [ 4 ] , care a efectuat multe experimente care mărturisesc schimbul de ioni în sol. Ambii autori se referă şi la fermierul Huxtable , care a efectuat un experiment similar .
Într-un articol din 26 iulie 1905, R. Hans ( germană: Gans ) a descris metode pentru producerea tehnică a schimbătorilor de ioni anorganici artificiali - zeoliți [5] și a indicat posibilitatea utilizării acestora pentru a reduce duritatea apei. Acțiunea schimbătorilor de ioni a fost studiată de oamenii de știință ruși și sovietici K. K. Gedroits , N. D. Zelinsky , M. S. Tsvet [1] . În 1935, B. A. Adams ( ing. Basil Albert Adams ) și E. L. Holmes ( ing. Eric Leighton Holmes ) au descoperit proprietatea schimbului de ioni în polimeri organici sintetici [6] , adăugându-se astfel la grupul de schimbători de ioni cunoscuți cu rășini schimbătoare de ioni. . În 1950-1960. Schimbătoarele de ioni sintetici au fost studiate de M. M. Dubinin , B. P. Nikolsky , B. N. Laskorin [1] .
Schimbătoarele de ioni constau de obicei din boabe, deși schimbătoarele de ioni sunt produse și sub formă de membrane, fibre și țesături [1] . Pentru certitudine, să luăm un schimbător de cationi care conține cationi de hidrogen . Dacă o substanță fără ioni este trecută printr-un astfel de schimbător de cationi, de exemplu, apă distilată , atunci nici substanța, nici schimbătorul de cationi nu se vor schimba în vreun fel. Cu toate acestea, dacă omiteți soluția de sare , atunci această soluție se va transforma în acid , iar schimbătorul de cationi nu va mai conține cationi de hidrogen, dar va avea loc cationi de sare - schimbul de ioni. Pentru a readuce schimbătorul de cationi la starea sa inițială, acidul trebuie trecut prin el - cationii de sare din schimbătorul de cationi vor fi din nou înlocuiți cu cationi de hidrogen - și apoi spălați de reziduurile acide. În mod similar, schimbătoarele de anioni își schimbă anionii cu anionii mediului în care sunt plasați [2] .
Schimbătoarele de ioni constau dintr-o matrice polimerică și grupări ionogene asociate cu aceasta. În timpul disocierii, fiecare grup ionogen este împărțit într-un ion fix asociat matricei și un ion mobil, care este schimbat cu ioni de soluție. De obicei, cu cât sarcina ionului schimbat este mai mare, cu atât schimbătorul de ioni îi schimbă mai bine, iar dacă sarcinile sunt aceleași, ionii a căror rază este mai mare sunt mai bine schimbați. De exemplu, schimbătoarele de cationi puternic acide cu grupări sulfo schimbă ionii de potasiu K + mai bine decât ionii de litiu Li + [1] , deoarece litiul și potasiul sunt situate în aceeași subgrupă a tabelului periodic și numărul atomic al potasiului este mai mare decât cel al litiu, prin urmare, raza sa ionică este mai mare. Un alt exemplu: schimbătorii de anioni puternic bazici schimbă ioni de iod I - mai bine decât ionii de clor Cl - [1] , deoarece clorul și iodul sunt situate în același subgrup și numărul atomic al iodului este mai mare decât cel al clorului, prin urmare, raza ionică a acestuia este mai mare.
În funcție de sarcina ionilor schimbați, schimbătoarele de ioni sunt împărțite în următoarele tipuri [1] :
În funcție de natura matricei, schimbătoarele de ioni sunt împărțite în anorganice și organice.
Schimbatoarele de ioni organici sunt practic rasini schimbătoare de ioni sintetice . O matrice organică este realizată prin policondensarea moleculelor organice monomerice precum stirenul , divinilbenzenul , acrilamida etc. În această matrice sunt introduse chimic grupări ionogene (ioni fixați) de tip acid sau bazic. Grupările de tip acid introduse în mod tradițional sunt -COOH; -S03H ; _ -RO 4 H 2 etc., iar tipul principal: ≡N; =NH; -NH2 ; _ -NR 3+ , etc. Rășinile schimbătoare de ioni moderne, de regulă, au o capacitate mare de schimb și stabilitate în funcționare.
Ioniții sunt capabili să se umfle în apă, ceea ce se datorează prezenței grupărilor fixe hidrofile capabile de hidratare. Cu toate acestea, umflarea nelimitată, adică dizolvarea, este prevenită prin legături încrucișate. Gradul de reticulare este stabilit în timpul sintezei schimbătoarelor de ioni prin cantitatea de agent de reticulare introdus, divinilbenzen (DVB). Rășinile standard utilizate pentru înmuiere conțin 8% DVB. Rășinile disponibile în prezent pot conține de la 2 la 20%. În ansamblu, gradul de umflare al schimbătorilor de ioni este determinat de cantitatea de reticulare DVB, de concentrația grupărilor ionogene hidrofile în volumul granulei schimbătorului de ioni și de ce contraioni sunt prezenți în schimbătorul de ioni. În general, ionii încărcați unic, în special ionii de hidrogen și hidroxil, duc la cea mai mare umflare; contraionii cu încărcare multiplă duc la o oarecare compresie și la o scădere a volumului boabelor.
Schimbătoarele de ioni anorganici sunt în principal schimbătoare de ioni de origine naturală, care includ aluminosilicați, hidroxizi și săruri ale metalelor polivalente . Cele mai comune schimbătoare de ioni naturali anorganici utilizate pentru purificarea apei sunt zeoliții .
Zeoliții sunt minerale din grupul aluminosilicaților apos de elemente alcaline și alcalino-pământoase, care se caracterizează prin prezența unui cadru tridimensional aluminosilicat-oxigen, care formează sisteme de cavități și canale în care sunt cationi alcalini, alcalino-pământos și molecule de apă. situat. Volumul total al sistemului de cavități și canale ale zeolitului este de până la 50% din volumul cadrului de zeolit. Cationii și moleculele de apă sunt slab legate de cadru și pot fi înlocuite parțial sau complet prin schimb de ioni și deshidratare. Proprietățile de schimb ionic ale zeoliților sunt determinate de caracteristicile afinității chimice a ionilor și de structura cristalină a zeolitului. În acest caz, este necesar să se potrivească dimensiunile orificiilor de intrare din cadrul zeolitului și al ionilor de substituție, deoarece cadrul zeolitului are o structură cristalină rigidă și, spre deosebire de rășinile organice, nu se poate umfla cu o modificare a volumului.
Schimbul de ioni pe zeoliți face posibilă izolarea ionilor, a căror extracție prin alte metode este adesea foarte dificilă. A fost stabilită capacitatea zeoliților de a adsorbi ionii radioactivi de cesiu din soluții, de a elimina NH4 + , de a extrage ionii de Cu, Pb, Zn, Cd, Ba, Co, Ag și alte metale și de a purifica gazele naturale. Efectul ionozitic face posibilă adsorbția vaporilor de azot, CO 2 , SO 2 , H 2 S, Cl 2 , NH 3 din sistemele gazoase și lichide . În plus, zeoliții pot fi folosiți pentru a îndepărta fierul dizolvat, manganul și duritatea.
Spre deosebire de rășinile organice, există o serie de caracteristici ale zeoliților. Astfel, mineralizarea totală a apei tratate trebuie să fie de cel puțin 80 mg/l, deoarece la un conținut mai mic de sare, cadrul de aluminosilicat al zeolitului este dizolvat. Când pH-ul apei tratate este sub 6, crește și probabilitatea distrugerii rețelei cristaline.
Capacitatea de schimb dinamic a zeoliților este mai mică decât capacitatea de schimb dinamic a rășinilor organice în aceleași condiții, ceea ce este asociat cu o cinetică de schimb mai lentă pe zeoliți. Duritatea reziduală a apei după zeoliți este de aproximativ 0,3 meq/l, în timp ce după rășini organice nu este mai mare de 0,1 meq/l.
Ioniții sunt folosiți pentru a reduce duritatea apei prin înlocuirea ionilor de calciu și magneziu care o cauzează cu alții, de exemplu, sodiu . De asemenea, sunt utilizați pentru desalinizarea apei , în timp ce atât cationii, cât și anionii sunt îndepărtați prin trecerea succesivă a apei prin schimbătorul de cationi și schimbătorul de anioni. În industria alimentară, schimbătoarele de ioni sunt folosite pentru a purifica sucul de sfeclă de zahăr de impuritățile în producția de zahăr și sunt utilizate în producția de drojdie , glucoză și gelatină . Schimbătoarele de cationi sunt folosite în medicină pentru a crește timpul de depozitare a sângelui prin înlocuirea ionilor de calciu din acesta cu ioni de sodiu. Schimbătoarele de ioni sunt utilizate pe scară largă pentru izolarea antibioticelor din soluții în timpul producției lor. Cu ajutorul schimbătorilor de ioni, din minereurile polimetalice sunt extrase elemente rare și oligoelemente . În agricultură, schimbătoarele de ioni sunt folosite pentru a livra elementele de care au nevoie plantelor [1] .