ИОНООБМЕ́ННЫЕ СМО́ЛЫ

ИОНООБМЕ́ННЫЕ СМО́ЛЫ, син­те­тич. ор­га­нич. ио­ни­ты; со­сто­ят из уг­ле­во­до­род­но­го кар­ка­са (мат­ри­цы) и проч­но свя­зан­ных с ним ио­но­ген­ных групп, спо­соб­ных к эк­ви­ва­лент­но­му об­ме­ну ио­нов на др. ио­ны из рас­тво­ра элек­тро­ли­та. Впер­вые И. с. син­те­зи­ро­ва­ны в 1935 англ. хи­ми­ка­ми Б. Адам­сом и Э. Хол­мсом.

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ным спо­со­бом по­лу­че­ния И. с. яв­ля­ет­ся вве­де­ние ио­но­ген­ных групп в сет­ча­тые по­ли­ме­ры, в осн. в со­по­ли­ме­ры сти­ро­ла, ме­тил­ме­так­ри­ла­та или др. мо­но­ме­ров с ди­ви­нил­бен­зо­лом в ка­че­ст­ве сши­ваю­ще­го аген­та (со­дер­жа­ние ди­ви­нил­бен­зо­ла обыч­но 4–16% по мас­се). На схе­ме по­ка­за­но строе­ние ио­но­об­мен­ной смо­лы на ос­но­ве со­по­ли­ме­ра сти­ро­ла и ди­ви­нил­бен­зо­ла (Х – ио­но­ген­ная груп­па).

По зна­ку за­ря­да об­ме­ни­ваю­щих­ся ионов раз­ли­ча­ют ка­тио­но- и анио­но­об­мен­ные смо­лы. Ио­но­ген­ные груп­пы мо­гут быть раз­ной при­ро­ды: силь­но­кис­лот­ные, напр. $\ce{SO_3^{-}H^+}$, и силь­но­осно́вные, напр. $\ce{N^+(CH_3)_3Cl^{–}}$, спо­соб­ные об­ме­ни­вать ио­ны в ши­ро­ком диа­па­зо­не зна­че­ний $\ce{pH}$; сред­не­ки­слот­ные, напр. $\ce{COOH}$, и сла­бо­ки­слот­ные, напр. $\ce{OH}$, об­ме­ни­ваю­щие ио­ны при $\ce{pH>7 }$ и $\ce{pH>10}$ со­от­вет­ст­вен­но; сред­не­осно́вные, напр. тре­тич­ные ами­ны, и сла­бо­осно́вные, напр. вто­рич­ные ами­ны, об­ме­ни­ва­ют ио­ны при $\ce{pH<7}$. И. с., со­дер­жа­щие од­но­вре­мен­но ка­тио­но- и анио­но­об­мен­ные груп­пы, на­зы­ва­ют­ся ам­фо­тер­ны­ми ио­ни­та­ми или по­ли­ам­фо­ли­та­ми. По­ли­ам­фо­ли­ты, спо­соб­ные об­ра­зо­вы­вать ком­плекс­ные со­еди­не­ния с ио­на­ми ме­тал­лов – напр. со­дер­жа­щие груп­пы $\ce{CH_2N(CH_2COOH)_2}$, $\ce{CH_2NHCH_2P(O)(OH)_2}$ в бен­золь­ном коль­це, на­зы­ва­ют так­же хе­ла­то­об­ра­зую­щи­ми смо­ла­ми.

И. с. мо­гут быть мо­но­функ­цио­наль­ны­ми, т. е. со­дер­жать ио­но­ген­ные груп­пы толь­ко од­но­го ти­па (напр., суль­фо­кис­лот­ные И. с.), или по­ли­функ­цио­наль­ны­ми (напр., суль­фо­фе­ноль­ные И. с.). В по­след­нем слу­чае раз­ные ио­но­ген­ные груп­пы спо­соб­ны к ион­но­му об­ме­ну при раз­ных ве­ли­чи­нах $\ce{рН}$.

И. с. и ма­те­риа­лы на их ос­но­ве про­изво­дят в ви­де гра­нул (зё­рен) раз­но­го раз­ме­ра сфе­рич. или не­пра­виль­ной фор­мы, по­рош­ков, во­ло­кон, тка­ней, мем­бран. Наи­бо­лее важ­ны (по объ­ё­му при­ме­не­ния) зер­нё­ные И. с.; ими за­пол­ня­ют ко­лон­ны мас­со­об­мен­ных ап­па­ра­тов.

Раз­ли­ча­ют ге­ле­вые (мик­ро­по­рис­тые) и мак­ро­по­рис­тые И. с. Час­ти­цы ге­ле­вых И. с. го­мо­ген­ны, ио­но­ген­ные груп­пы в них рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­ны по объ­ё­му зер­на. Мак­ро­по­рис­тые И. с. ге­те­ро­ген­ны, их зёр­на про­ни­за­ны сис­те­мой пор со ср. диа­мет­ром 20–130 нм. Мак­ро­по­рис­тые И. с. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся бо­лее вы­со­кой ос­мо­тич. ус­той­чи­во­стью, а так­же спо­соб­но­стью к ио­но­об­мен­ной сорб­ции круп­ных ор­га­нич. ио­нов. Спец. класс со­став­ля­ют И. с., со­дер­жа­щие ио­но­ген­ные груп­пы толь­ко в по­верх­но­ст­ном слое; они ис­поль­зу­ют­ся в ана­ли­тич. хи­мии (см. в ст. Ио­но­об­мен­ная хро­ма­то­гра­фия).

При обыч­ных ус­ло­ви­ях И. с. – ус­тойчи­вые ма­те­риа­лы и мо­гут дли­тель­но (ме­ся­цы и го­ды) ис­поль­зо­вать­ся в ио­но­об­мен­ных цик­лах. Тер­мич. ус­той­чи­вость И. с. за­ви­сит от их при­ро­ды: силь­но­кис­лот­ные ка­тио­ни­ты ус­той­чи­вы при темп-рах до 80–100 °C, сла­бо­ки­слот­ные – до 130–150 °C, силь­но­осно́вные анио­ни­ты – до 60 °C, сла­бо­осно́вные – до 80–100 °C. Об­мен­ная ём­кость И. с. за­ви­сит от при­ро­ды об­мен­ных групп, струк­ту­ры ио­ни­та, $\ce{рН}$ рас­тво­ра и со­став­ля­ет 1–12 ммоль/г.

Наи­боль­шее при­ме­не­ние име­ют силь­но­кис­лот­ные И. с. с суль­фо­груп­па­ми и силь­но­осно́вные И. с. с чет­вер­тич­ны­ми ам­мо­ние­вы­ми груп­па­ми на ос­но­ве со­по­ли­ме­ра сти­ро­ла и ди­ви­нил­бен­зо­ла, т. к. они ис­поль­зу­ют­ся в наи­бо­лее круп­но­мас­штаб­ных про­цес­сах (обес­со­ли­ва­ние и умяг­че­ние при­род­ных вод и др. рас­тво­ров). Для наи­бо­лее пол­но­го уда­ле­ния ио­нов элек­тро­ли­тов из рас­тво­ров при­ме­ня­ют И. с. раз­ной при­ро­ды.

Для из­вле­че­ния ио­нов из рас­тво­ров с вы­со­ким со­дер­жа­ни­ем ор­га­нич. ве­ществ ис­поль­зу­ют анио­ни­ты на ос­но­ве со­по­ли­ме­ров ак­ри­ло­вой ки­сло­ты или ак­ри­ло­нит­ри­ла с ди­ви­нил­бен­зо­лом, ко­то­рые ха­рак­те­ри­зу­ют­ся низ­кой сорб­ци­ей ор­га­нич. ве­ществ. Сла­бо­ки­слот­ные И. с. на ос­но­ве со­по­ли­ме­ров ак­ри­ло­вой или ме­так­ри­ло­вой ки­слоты с ди­ви­нил­бен­зо­лом при­ме­ня­ют для уст­ра­не­ния вре­мен­ной жё­ст­ко­сти во­ды, сорб­ции ио­нов ме­тал­лов, а так­же из­вле­че­ния ор­га­нич. ве­ществ фар­ма­ко­ло­гич. на­зна­че­ния. В мак­ро­по­рис­тых И. с., пред­на­зна­чен­ных для сорб­ции боль­ших ор­га­нич. мо­ле­кул, для сши­ва­ния по­ли­ак­ри­ло­вой или по­ли­ме­так­ри­ло­вой ки­слот ис­поль­зу­ют ди­ме­так­ри­лат три- или ди­эти­ленг­ли­ко­ля.

Хе­ла­то­об­ра­зую­щие И. с. при­ме­ня­ют для се­лек­тив­но­го из­вле­че­ния по­ли­ва­лен­т­ных ио­нов ме­тал­лов из рас­тво­ров. Вы­со­кие се­лек­тив­ность и об­мен­ная ём­кость при уда­ле­нии рту­ти из рас­тво­ров обес­пе­чи­ва­ют­ся при­ме­не­ни­ем И. с. на ос­но­ве со­по­ли­ме­ров сти­ро­ла и ди­ви­нил­бен­зо­ла, со­дер­жа­щих ти­оль­ные груп­пы $\ce{SH}$, при уда­ле­нии бо­ра – $\ce{N}$-ме­тилг­лю­ка­ми­но­вые груп­пы $\ce{CH_3N^+CH_2[CH(OH)]_4CH_2OH}$.

Ми­ро­вой объ­ём про­из-ва И. с. – неск. со­тен ты­сяч т/год. И. с. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся при во­до­под­го­тов­ке (для умяг­че­ния и де­ми­не­ра­ли­за­ции во­ды), для из­вле­чения и раз­де­ле­ния ред­ких эле­мен­тов, очи­ст­ки сточ­ных вод разл. про­из­водств, из­вле­че­ния из пульп ра­дио­ак­тив­ных и цвет­ных ме­тал­лов, глу­бо­кой очи­ст­ки сы­рья (напр., рас­со­ла $\ce{NaCl}$ для мем­бран­но­го элек­тро­ли­за), ана­ли­тич. кон­тро­ля разл. про­цес­сов, в пи­ще­вой пром-сти – для очи­ст­ки са­хар­ных си­ро­пов, улуч­ше­ния ка­че­ст­ва вин и со­ков, в про­из-ве ви­та­ми­нов и ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов.