Iontoměničová pryskyřice - Ion-exchange resin
Iontoměničová pryskyřice nebo iontoměničová polymerem je pryskyřice, nebo polymer, který se chová jako médium pro výměnu iontů . Je to nerozpustná matrice (nebo podpůrná struktura) obvykle ve formě malých (0,25–1,43 mm poloměru) mikroperliček , obvykle bílých nebo nažloutlých, vyrobených z organického polymerního substrátu. Kuličky jsou typicky porézní a poskytují velkou povrchovou plochu a uvnitř nich dochází k zachycení iontů spolu s doprovodným uvolňováním dalších iontů, a proto se tento proces nazývá iontová výměna. Existuje několik typů iontoměničových pryskyřic. Většina komerčních pryskyřic je vyrobena z polystyrensulfonátu .
Iontoměničové pryskyřice jsou široce používány v různých separačních , purifikačních a dekontaminačních procesech. Nejběžnějšími příklady jsou změkčení vody a čištění vody . V mnoha případech byly do takových procesů zavedeny iontoměničové pryskyřice jako flexibilnější alternativa k použití přírodních nebo umělých zeolitů . Také iontoměničové pryskyřice jsou vysoce účinné v procesu filtrace bionafty.
Druhy pryskyřic
Většina typických iontoměničových pryskyřic je na bázi zesítěného polystyrenu . Vlastní iontoměničová místa jsou zavedena po polymeraci. Navíc je v případě polystyrenu zavedeno zesíťování kopolymerací styrenu a několika procent divinylbenzenu . Zesíťování snižuje iontoměničovou kapacitu pryskyřice a prodlužuje dobu potřebnou k provedení iontoměničových procesů, ale zlepšuje robustnost pryskyřice. Velikost částic také ovlivňuje parametry pryskyřice; menší částice mají větší vnější povrch, ale způsobují větší ztrátu hlavy v kolonách.
Kromě toho, že jsou vyrobeny jako materiály ve tvaru kuliček, iontoměničové pryskyřice se vyrábějí také jako membrány. Tyto iontoměničové membrány , které jsou vyrobeny z vysoce zesítěných iontoměničových pryskyřic, které umožňují průchod iontů, ale nikoli vody, se používají k elektrodialýze .
Čtyři hlavní typy iontoměničových pryskyřic se liší svými funkčními skupinami :
- silně kyselé, typicky se skupinami kyseliny sulfonové , např. polystyrensulfonát sodný nebo polyAMPS ,
- silně zásaditý, typicky představující kvartérní aminoskupiny , například trimethylamoniové skupiny, např. polyAPTAC ),
- slabě kyselé, typicky se skupinami karboxylových kyselin ,
- slabě zásadité, typicky představující primární, sekundární a/nebo terciární aminoskupiny , např. polyethylenamin .
Jsou známy také specializované iontoměničové pryskyřice, jako jsou chelatační pryskyřice ( kyselina iminodioctová , pryskyřice na bázi thiomočoviny a mnoho dalších).
Aniontové pryskyřice a kationtové pryskyřice jsou dvě nejběžnější pryskyřice používané v procesu iontové výměny. Zatímco aniontové pryskyřice přitahují záporně nabité ionty, kationtové pryskyřice přitahují kladně nabité ionty.
Aniontové pryskyřice
Aniontové pryskyřice mohou být buď silně nebo slabě zásadité. Silně zásadité aniontové pryskyřice si udržují svůj negativní náboj v širokém rozsahu pH, zatímco slabě zásadité aniontové pryskyřice jsou neutralizovány při vyšších úrovních pH. Slabě zásadité pryskyřice neudržují svůj náboj při vysokém pH, protože procházejí deprotonací. Nabízejí však vynikající mechanickou a chemickou stabilitu. To v kombinaci s vysokou rychlostí iontové výměny činí slabě zásadité aniontové pryskyřice vhodné pro organické soli.
U aniontových pryskyřic regenerace obvykle zahrnuje zpracování pryskyřice silně zásaditým roztokem, např. Vodným hydroxidem sodným. Během regenerace prochází regenerační chemikálie pryskyřicí a zachycené negativní ionty jsou vypláchnuty, čímž se obnovuje schopnost výměny pryskyřice.
Katexová pryskyřice
Vzorec: R -H kyselý
Metoda kationtové výměny odstraňuje tvrdost vody, ale vyvolává v ní kyselost, která se dále odstraní v dalším stupni úpravy vody průchodem této kyselé vody procesem aniontoměničové výměny .
Reakce:
- R − H + M + = R − M + H + .
Aniontoměničová pryskyřice
Vzorec: –NR 4 + OH -
Často se jedná o kopolymerové pryskyřice styren - divinylbenzen, které mají kvartérní amoniové kationty jako nedílnou součást pryskyřicové matrice.
Reakce:
- –NR 4 + OH - + HCl = –NR 4 + Cl - + H 2 O.
Aniontoměničová chromatografie využívá tohoto principu k extrakci a čištění materiálů ze směsí nebo roztoků .
Využití
Změkčení vody
V této aplikaci, iontoměničové pryskyřice se používá k nahrazení hořčíku a vápníku ionty nacházejí v tvrdé vodě s sodíkových iontů. Když je pryskyřice čerstvá, obsahuje na svých aktivních místech ionty sodíku. Při kontaktu s roztokem obsahujícím ionty hořčíku a vápníku (ale s nízkou koncentrací iontů sodíku) ionty hořčíku a vápníku přednostně migrují z roztoku do aktivních míst na pryskyřici, přičemž jsou v roztoku nahrazeny ionty sodíku. Tento proces dosahuje rovnováhy s mnohem nižší koncentrací iontů hořčíku a vápníku v roztoku, než s čím byl zahájen.
Pryskyřice lze dobít promytím roztokem obsahujícím vysokou koncentraci sodíkových iontů (např. Má v sobě rozpuštěno velké množství běžné soli (NaCl)). Ionty vápníku a hořčíku migrují z pryskyřice a jsou nahrazovány ionty sodíku z roztoku, dokud není dosaženo nové rovnováhy. Sůl se používá k dobití iontoměničové pryskyřice, která sama slouží ke změkčení vody.
Čištění vody
V této aplikaci se iontoměničové pryskyřice používají k odstranění jedovatých (např. Mědi ) a nebezpečných kovových (např. Olova nebo kadmia ) iontů z roztoku a nahrazují je více neškodnými ionty, jako je sodík a draslík .
Několik iontoměničových pryskyřic odstraňuje z vody chlor nebo organické nečistoty-to se obvykle provádí pomocí filtru s aktivním uhlím smíchaného s pryskyřicí. Existuje několik iontoměničových pryskyřic, které odstraňují organické ionty, například pryskyřice MIEX (magnetická iontová výměna). Pryskyřice na čištění vody pro domácnost se obvykle nenabíjí - pryskyřice se vyřadí, když ji již nelze použít.
Voda nejvyšší čistoty je vyžadována mimo jiné pro elektroniku, vědecké experimenty, výrobu supravodičů a jaderný průmysl. Taková voda se vyrábí postupy iontové výměny nebo kombinací membránových a iontoměničových metod.
Výměna iontů při separaci kovů
Procesy iontové výměny se používají k separaci a čištění kovů , včetně separace uranu z plutonia a dalších aktinidů , včetně thoria ; a lanthan , neodym , ytterbium , samarium , lutetium , od sebe navzájem a od ostatních lanthanoidů . Existují dvě řady kovů vzácných zemin , lanthanoidy a aktinidy. Členové každé rodiny mají velmi podobné chemické a fyzikální vlastnosti. Výměna iontů byla po mnoho let jediným praktickým způsobem, jak vzácné zeminy ve velkém oddělit. Tato aplikace byla vyvinuta ve čtyřicátých letech minulého století Frankem Speddingem . Následně extrakce rozpouštědlem většinou nahradila použití iontoměničových pryskyřic s výjimkou produktů s nejvyšší čistotou.
Velmi důležitým případem je proces PUREX (proces extrakce plutonia a uranu), který se používá k oddělení plutonia a uranu z vyhořelých palivových produktů z jaderného reaktoru a k možnosti likvidace odpadních produktů. Poté je plutonium a uran k dispozici pro výrobu materiálů jaderné energie, jako je nové palivo do reaktoru a jaderné zbraně .
Iontoměničové kuličky jsou také nezbytnou součástí těžby uranového loužiště in-situ . Rekuperace in situ zahrnuje extrakci vody obsahující uran (třídění až 0,05% U 3 O 8 ) skrz vrty. Extrahovaný roztok uranu se poté filtruje přes kuličky pryskyřice. Prostřednictvím procesu iontové výměny přitahují kuličky pryskyřice z roztoku uran. Pryskyřice uranu zatížené jsou pak transportovány do zpracovatelského závodu, kde U 3 O 8 se oddělí od pryskyřice kuliček, a yellowcake je produkován. Pryskyřičné kuličky pak mohou být vráceny do zařízení pro výměnu iontů, kde jsou znovu použity.
Proces iontové výměny se také používá k oddělení dalších sad velmi podobných chemických prvků, jako je zirkonium a hafnium , což je mimochodem také velmi důležité pro jaderný průmysl. Zirkonium je prakticky transparentní pro volné neutrony, používané ve stavebních reaktorech, ale hafnium je velmi silný absorbér neutronů, používaný v řídicích tyčích reaktoru .
Katalýza
Iontoměničové pryskyřice se používají v organické syntéze , např. Pro esterifikaci a hydrolýzu . Vzhledem k velkému povrchu a nerozpustnosti jsou vhodné pro reakce v plynné a kapalné fázi. Příklady lze nalézt, pokud základní (OH - -forma) iontoměničových pryskyřic se používá k neutralizaci z amonných solí a převést kvartérní amoniové halogenidy na hydroxidy. Kyselé (H + -forma) iontoměničové pryskyřice byly použity jako pevné kyselé katalyzátory pro štěpení skupin chránících ether. a pro reakce přeskupení.
Čištění šťávy
Iontoměničové pryskyřice se používají při výrobě ovocných šťáv, jako jsou pomerančové a brusinkové šťávy, kde se používají k odstranění složek s hořkou chutí a tím ke zlepšení chuti. To umožňuje, aby na výrobu šťávy byly použity ovocné zdroje s horkou nebo horší chutí.
Výroba cukru
Iontoměničové pryskyřice se používají při výrobě cukru z různých zdrojů. Používají se k přeměně jednoho druhu cukru na jiný druh cukru a k odbarvení a čištění cukrových sirupů.
Farmaceutický průmysl
Iontoměničové pryskyřice se používají při výrobě léčiv, a to nejen pro katalyzování určitých reakcí, ale také pro izolaci a čištění farmaceuticky účinných látek . Jako aktivní složky se používají tři iontoměničové pryskyřice, polystyrensulfonát sodný , colestipol a cholestyramin . Polystyrensulfonát sodný je silně kyselá iontoměničová pryskyřice a používá se k léčbě hyperkalémie . Colestipol je slabě zásaditá iontoměničová pryskyřice a používá se k léčbě hypercholesterolémie . Cholestyramin je silně zásaditá iontoměničová pryskyřice a používá se také k léčbě hypercholesterolémie . Kolestipol a cholestyramin jsou známé jako sekvestranty žlučových kyselin .
Iontoměničové pryskyřice se také používají jako excipienty ve farmaceutických formulacích, jako jsou tablety, kapsle, gumy a suspenze. Při těchto použitích může mít iontoměničová pryskyřice několik různých funkcí, včetně maskování chuti, prodlouženého uvolňování, dezintegrace tablet, zvýšené biologické dostupnosti a zlepšování chemické stability aktivních složek .
Selektivní polymerní chelátory byly navrženy pro udržovací terapii některých patologií, kde dochází k chronické akumulaci iontů , jako je Wilsonova choroba (kde dochází k akumulaci mědi ) nebo dědičná hemochromatóza ( přetížení železem , kde dochází k akumulaci železa ) Tyto polymery nebo částice mají zanedbatelnou nebo nulovou hodnotu systémová biologická dostupnost a jsou navrženy tak, aby vytvářely stabilní komplexy s Fe 2+ a Fe 3+ v GIT a omezovaly tak příjem těchto iontů a jejich dlouhodobou akumulaci. Ačkoli tato metoda má pouze omezenou účinnost, na rozdíl od malomolekulárních chelátorů ( deferasirox , deferipron nebo deferoxamin ) může mít takový přístup v subchronických studiích jen malé vedlejší účinky . Je zajímavé, že současná chelace Fe 2+ a Fe 3+ zvyšuje účinnost léčby.
Zachycení CO 2 z okolního vzduchu
Aniontové pryskyřice snadno absorbují CO 2, když jsou suché, a znovu je uvolňují, když jsou vystaveny vlhkosti. To z nich činí jeden z nejslibnějších materiálů pro přímé zachycování uhlíku z okolního vzduchu nebo přímé zachycování vzduchu , protože kolísání vlhkosti nahrazuje energeticky náročnější teplotní výkyvy nebo tlakové výkyvy používané u jiných sorbentů. Prototyp demonstrující tento proces vyvinul Klaus Lackner v Centru pro negativní emise uhlíku .
Viz také
Poznámky
Další čtení
- „Chemie a operace iontové výměny“ . Remco Engineering. Archivovány od originálu na 2014-02-20 . Citováno 2014-05-16 .
- Friedrich G. Helfferich (1962). Výměna iontů . Publikace Courier Dover. ISBN 978-0-486-68784-1.
- Iontové výměníky (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlín, 1991.
- CE Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
- Iontová výměna (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
- AA Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, 2006.
- Alexandratos SD. Iontoměničové pryskyřice: Retrospektiva výzkumu průmyslové a technické chemie. Průmyslový a inženýrský chemický výzkum, 2009.
- Katalyzátorový systém obsahující iontoměničovou pryskyřici a dimethylthiazolidinový promotor, Hasyagar UK, Mahalingam RJ, Kishan G, WO 2012.