Лако-красочные материалы — производство

Ионообменная адсорбция из растворов осуществляется на по­верхностях с достаточно выраженным двойным электрическим слоем. Подвижные противоионы электрического слоя способны обмениваться на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе. Практический интерес к ионообменной адсорбции обусловил широкие теоретические исследования этого явления И разработку методов синтеза специальных ионообменных сор­бентов.

Первые сообщения об ионообменной адсорбции были сделаны в 1850 г. независимо друг от друга английскими учеными Томпсоном и Уэем. Изучая способность почв к поглощению удобрений и их вымывание дождем, они обнаружили явление обмена ионов между почвой и водными растворами солей. Несмотря на то, что поглощение почвой солей (например, получение питьевой воды из морской) было известно уже в древности, серьезные иссле­дования этого явления начались именно с указанных работ. Удовлетвори­тельное объяснение обмена ионов (обратимость процесса, эквивалентность обмена) стало возможным только после открытия закона действия масс (1876 г.).

Вещества, проявляющие способность к ионному обмену и используемые для адсорбции ионов, получили название ионн — Тов. Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого» обыч­но ковалентными связями. Каркас (матрица) имеет положи­тельный или отрицаіельньгй заряд, который скомпенсирован противоположным зарядом подвижных ионов — противоионов. находящихся в адсорбционной и диффузной частях электриче­ского слоя. Противоионы могут заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.

Иониты классифицируют по происхождению на природные и синтетические; по составу — на неорганические и органиче­ские; по знаку заряда обменивающихся ионов — на катиони — ты, аниониты и амфолиты (последние в зависимости от усло­вий могут обмениваться как катионами, так и анионами).

К природным неорганическим ионитам относят кристалли­ческие силикаты типа цеолитов: шабазит, глауконит и др. Их каркас представляет собой правильную сетчатую структуру алюмосиликата, в порах которой располагаются ионы щелоч­ных или щелочноземельных металлов, выступающие в роли противоионов. К обмену анионов способны некоторые минера­лы, например апатит. Природными ионитами органического происхождения являются, например, содержащиеся в почве гуминовые кислоты — высокомолекулярные соединения с раз­личными функциональными группами, способными к ионному обмену. Они обладают амфотерными свойствами и поэтому могут обменивать как катионы, так и анионы. Природные иониты не нашли широкого технического применения, так как имеют ряд недостатков, в частности, они химически нестойки и не обладают достаточной механической прочностью.

Первыми синтетическими ионитами были плавленые и геле- образные пермутиты — алюмосиликаты, подобные природным цеолитам. Гелеобразные пермутиты сравнительно долго при­меняли для умягчения воды. Из неорганических синтетических анионитов, имеющих практическое значение, можно назвать гели гидроксидов алюминия и железа. Для специальных це­лей применяются гидроксиды циркония, хрома, олова, свинца и др. Все эти неорганические иониты разрушаются под дейст­вием кислот и щелочей. Повышенной стойкостью к щелочам обладают катиониты па основе различных углеродсодержащнх веществ (каменные угли, дерево, торф), обработанных кон­центрированными растворами серной, хлорсульфоновой, фос­форной и других кислот. Например, с помощью сульфирования вводят сульфогруппы, способные к обмену катионов, и одно­временно сырье превращают в гель (протекает реакция поли­конденсации).

Широкое распространение получили синтетические иониты на основе органических смол — ионообменные смолы. Они об­ладают хорошей способностью поглощать ионы и высокой хи­мической стойкостью. Впервые ионообменные смолы были синтезированы в 1934 г. Адамсом и Холмсом, обнаружившими способность к обмену ионов у продуктов конденсации фенолов или аминов с формальдегидом.

Каркас ионообменных смол состоит из трехмерной сетки углеводородных цепей, на которой закреплены функциональ­ные группы. По фазовому состоянию ионообменные смолы представляют собой нерастворимые гели — полиэлектролиты с ограниченной способностью к набуханию.

Ионообменные смолы получают двумя методами: поликон­денсацией или полимеризацией. В обоих методах процесс син­теза состоит из трех стадий: 1) получение линейных полиме­ров, 2) формирование сетчатой структуры (матрицы) с по­мощью мостикообразователей, 3) введение в макромолекулы активных (ионогенных) групп. Активные группы могут нахо­диться уже в исходном мономере или их вводят в него перед построением матрицы.

В качестве примера синтеза кагионообменных поликонден- сационных смол можно привести поликонденсацию фенола с — формальдегидом:

ОН ОН ОН ОН

I ! | сн, |

О+СНг0+и XJ и +н>

Эта реакция лежит в основе получения катионита КУ-1. В этом катионите ионогенными группами являются ОН — и сульфогруппы. Последние вводят путем обработки смолы кон­центрированной серной кислотой. Катиониты могут быть полу­чены также с карбоксильными, фосфорнокислотными и други­ми активными группами. Широко распространенный катионит КУ-2 получают сополимеризацией стирола с дивинилбензолом (мостикообразователем):

СН=СН2 СН=СН2 — СН—СН2~СН—СН2—

О +Q ^І*^) Ф-**

Ін=сна —сна—сн—сн2—

Подобно фенолу в реакцию поликонденсации с формальде­гидом могут вступать и ароматические амины, функциональ­ная группа которых обладает анионообмениыми свойствами.

Основой полимеризациоииых анионитов, как и катионитов, является сшитый полистирол, в который вводят функциональ­ные группы, способные к обмену анионов. Одним из приемов введения функциональной группы является хлорметилировапие с помощью хлорметилметилового эфира и последующая обра­ботка аммиаком или аминами:

-сн—сн2— — сн—сн2~

I

С1сн2осн;1

——— сн.,он :

СН, С1

NH:)

H2Nch2

N(CH3):, — ■)• Г, _________________________ Ci(Ch3):JNt—сн2— у—сн—сн2—

Поли меризациоиные смолы значительно более химически стойки, чем поликонденсационные. Полимеризационный метод позволяет регулировать степень поперечной связанности (сте­пень сшивки) полимера изменением количества дивинилбен — зола.

Важное значение имеет получение ионита требуемого зер­нения. Иногда для этого готовые смолы измельчают на мель­ницах и фракционируют, по чаще всего зерна (гранулы) необ­ходимых размеров получают непосредственно в процессе по­лимеризации (эмульсионная или суспензионная полимеризация).