Ионообменные смолы — синтетические органические иониты — высокомолекулярные синтетические соединения с трехмерной гелевой и макропористой структурой, которые содержат функциональные группы кислотной или основной природы, способные к реакциям ионного обмена.

Иониты образуют большой класс фильтрующих ионообменных материалов. Применяются для умягчения, деминерализации, обескремнивания воды, выделения из водных растворов отдельных веществ и т. п. Иониты – это твердые, практически нерастворимые полиэлектролиты, природные, искусственные или синтетические. Состоят из каркаса (матрицы), несущего положительный или отрицательный заряд, и подвижных противоионов, которые компенсируют своими зарядами заряд каркаса и могут стехиометрически обмениваться на ионы того же заряда, содержащиеся в водном растворе. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты подразделяются на катиониты, аниониты и амфолиты. По химической природе каркаса – на неорганические, органические и минерально-органические.

Кроме того, ионообменные смолы могут содержать группы различных классов, относясь к полифункциональным смолам.

Макромолекула ионита состоит из гибких полимерных углеводородных цепей, скрепленных (сшитых) поперечными связями – углеводородными мостиками. Макромолекула представляет собой трехмерную сетку, в отдельных узлах которой зафиксированы заряженные функциональные группы с нейтрализующими их ионами с зарядами противоположного знака – противоионами.

Зерно ионита и фрагмент структуры зерна

а – катионит; б – анионит; 1 – твердый многоатомный каркас ионита; 2 – связанные с каркасом неподвижные ионы активных групп; 3 – ограниченно подвижные ионы активных групп, способные к обмену

 

По структуре матрицы ионообменные смолы делятся на:

·                    гелевые — микропоры имеют молекулярные размеры. Они представляют собой гомогенные поперечносвязанные полимеры. Фиксированные ионы равномерно распределены по всему объему полимера. Гелевые ионообменные смолы обладают высокой обменной емкостью, однако характеризуются невысокой скоростью обмена;

·                    макропористые — размеры пор смолы имеют размеры в десятки нанометров. Имеют фиксированную систему пор и каналов, определяемую условиями синтеза. Обменная ёмкость таких смол меньше, чем гелевых при высокой скорости обмена.

Ионообменные смолы в основном применяются:

1.       для умягчения и обессоливания воды в теплоэнергетике и других отраслях;

2.       для разделения и выделения цветных и редких металлов в гидрометаллургии;

3.       при очистке возвратных и сточных вод;

4.       для регенерации отходов гальванотехники и металлообработки;

5.       для разделения и очистки различных веществ в химической промышленности;

6.       в качестве катализатора для органического синтеза.

Ионообменные смолы используются в котельных, теплоэлектростанциях, атомных станциях, пищевой промышленности (при производстве сахара, алкогольных, слабоалкогольных и других напитков, пива, бутилированной воды), фармацевтической промышленности и других отраслях.

В водоочистке ионообменные смолы применяются с 60-х годов XX века, но наиболее широкое распространение получили в конце 80-х - в 90-х годов. Они способны задерживать ионы различных примесей, меняя их на безопасные и безвредные ионы других веществ. Таким образом осуществляется ионный обмен - отсюда и обобщающее название этих смол - "ионообменные" или же "иониты.

Следующей важной характеристикой ионообменных смол является ионообменная емкость - весовая, объемная и рабочая.

 

Одной из самых важных характеристик ионнобменных смол является рабочая обменная емкость.

Рабочая ионообменная емкость – величина, зависящая от «рабочих» параметров ионита: размеров слоя смолы, уровня загрязненности очищаемой воды, скорости потока и многих других. Проще говоря это то количество примеси, которое способен поглотить ионит в процессе очистки. Когда рабочая ионообменная емкость смолы исчерпает себя, это означает, что ионы в ней полностью обменялись с ионами примесей, и необходимо восстановить ее фильтрующую способность (рабочую емкость).

При насыщении смолы удаляемой группой ионов до проскока их в фильтрат происходит истощение ионита. Процесс восстановления первоначальной формы ионообменной смолы называется регенерацией.

Разберем этот процесс на примере фильтров умягчения, работающих на катионитовой матрице. В процессе водоподготовки по мере прохождения исходной воды через катионитовый слой, количество катионов Na+, способных к обмену, уменьшается, а число катионов Mg2+ и Ca2+, отсорбированных на смоле, увеличивается. Ионные процессы обратимы, поэтому по мере насыщения обрабатываемой воды Na+, замедляется поглощение ионов, обуславливающих жесткость, и ионообменная очистка теряет свою эффективность. Для этого и нужен процесс регенерации ионообменной смолы.

Регенерацию смолы в данном случае проводят раствором сильно насыщенным ионами натрия. Как правило, в промышленности применяется поваренная соль.

Средний срок службы ионообменной смолы составляет 3 года, при определенных условиях эксплуатации - до 6 лет. Полностью выработанные катиониты подлежат утилизации.