Ионный обмен и иониты.

Иониты или ионообменные смолы для водоподготовки во все возрастающем масштабе находят применение в промышленности и лабораторной практике.

До недавнего времени применение ионного обмена было эмпирическим, и лишь в последнее десятилетие возникли стройные теоретические представления о важнейших процессах, происходящих при ионном обмене.

Естественно появилась острая необходимость в справочной литературе по теории ионного обмена. Трудность создания такого материала заключается не в недостаточности знаний об ионообменных смолах, а, скорее, в том, что в настоящее время о них известно слишком много: катионит, анионит и сульфоуголь для водоподготовки широко и повсеместно применяются.

Ионообменные смолы нашли применение в деминерализации воды.

Здесь мы сознательно ограничимся теми теоретическими представлениями и экспериментальными результатами, которые казались подходящими для создания наиболее ясной картины ионного обмена и его физико-химических закономерностей. В описании сложных процессов таких как водоподготовка, нет смысла стремиться ко всеобъемлющей полноте и к изложению многочисленных абстрактных теорий, лучше попытаться дать законченное, современное и, по возможности, количественное объяснение процессов ионного обмена.

Ионит. История.

Вещества не взаимодействуют, если они не находятся в жидком или растворенном состоянии. К явлениям, не подчиняющимся этому старинному правилу химиков, принадлежит ионный обмен. В данном случае твердое вещество, ионообменная смола, реагирует с раствором и поглощает из него одни ионы в обмен на другие.

При этом электролит и даже труднорастворимый осадок могут быть практически полностью удалены из раствора. Процесс ионного обмена происходит в природных условиях. Реакции ионного обмена постоянно протекают в горных породах и песках, однако до некоторого времени химики и минералоги не обращали на них особого внимания, считая их исключительным явлением, в котором играют роль не только химические, но и какие-то другие неизвестные силы.

Исследователи второй половины прошлого столетия показали, что ионообменные процессы вполне закономерны, а немногим больше тридцати лет тому назад удалось синтезировать ионообменные смолы, которые по емкости намного превзошли природные ионообменные материалы.

Долгое время оставалось неясным значение ионного обмена, происходящего в живом организме. Понять этот процесс удалось лишь совсем недавно, рассматривая его в тесной связи с жизненными функциями всего организма. История развития ионного обмена весьма интересна.

Еще Аристотель отмечал, что морская вода лишается части содержащихся в ней солей при продавливании ее через слой некоторых горных пород или песка.

Позднее в литературе появлялись лишь отдельные указания на подобные явления, и только в 1850 г. Томпсон и Уэй обнаружили происходящий в почве «обмен оснований» (катионный обмен).

Вскоре после этого Лембергу, а затем Вигнеру удалось идентифицировать вещества, обладающие аналогичными свойствами. Это оказались глины, пески и цеолиты. В последующие годы указанные материалы стали применять для очистки воды и для других целей.

Затем были начаты работы по синтезу ионитов. Первый синтетический ионит получили Гармс и Рюмплер. Ганс — один из первых исследователей, изучавших ионный обмен, считал, что с помощью ионитов возможно извлекать золото из соленой морской воды, однако известные в то время пермутиты для этой цели были непригодны. После того как было обнаружено, что ионообменными свойствами обладают граммофонные пластинки, Адамсу и Холмсу удалось получить ионообменную смолу, обладавшую очень большой емкостью. Производство ионитов такого типа в дальнейшем совершенствовалось в Германии фирмой ИГ Фарбениндустри, а после второй мировой войны в ряде стран, главным образом в Соединенных Штатах и в Англии.

С появлением синтетических ионообменных смол возникла возможность планомерно изменять их свойства. Наши современные теоретические знания в области ионного обмена достигнуты в значительной степени благодаря ионообменным смолам.

Ионный обмен и иониты сегодня.

В настоящее время ионный обмен в водоподготовке успешно дополняет такие процессы, как дистилляция, адсорбция и фильтрация.

Во всем мире работает множество технологических установок, выполняющих самые разнообразные задачи: от улавливания металлов до разделения редких земель и от катализа органических химических реакций до очистки воды для охлаждения ядерных реакторов.

Ионообменные смолы применяют в аналитической и препаративной химии. Научные исследования в области ионитовых мембран связаны с проблемами биохимии и биофизики.

Основная область применения ионитов в настоящее время, как и прежде,— очистка и обессоливание воды в процессе водоподготовки. Эта задача приобрела особую важность в связи с развитием современной промышленности и быстрым ростом городского населения.

Вначале теория отставала от бурного развития синтеза ионитов и их применения, поэтому на практике приходилось опираться главным образом на эмпирические данные. Исключение составляли лишь ионитовые мембраны, так как к моменту их синтеза уже существовала в основных чертах теория, разработанная для физиологических, коллодиевых, целлофановых и других мембран.

Мембраны не только открыли новые возможности технического применения ионитов, но и оказались весьма полезными для теории ионного обмена вообще, особенно для электрохимии и кинетики ионообменных процессов. Только результаты исследований, проведенных за последние два десятилетия, дали достаточно определенные представления о процессах, протекающих в ионитах и на их поверхности.

Однако до сих пор отдельные вопросы остаются неясными, а установление некоторых количественных закономерностей связано с математическими трудностями.

Число научных работ по ионному обмену за последние годы сильно увеличилось, что свидетельствует о все возрастающем интересе к ионному обмену и о перспективах его развития.