Применение ионообменных смол
Общий обзор

1. Применение ионообменных смол в водоподготовке

Умягчение и обессоливание воды также описаны с химическими реакциями на странице основы ионного обмена.Методы регенерации описаны на отдельной странице.

1.1. Умягчение

Здесь используется сильнокислотный катионит в натриевой форме. Ионы, образующие жёсткость — в основном кальций и магний — обмениваются на ионы натрия смолы. Умягчённая вода может использоваться для:

• Прачечных
• Бытовых водонагревателей
• Котлов низкого давления
• Текстильной промышленности

Используемые смолы:

• Amberlite^TM IR120 Na, Amberjet^TM 1000 Na
• Amberlite SR1L Na для питьевой воды

Качество обработанной воды:

Остаточная жёсткость < 0,02 мэкв/л (1 мг/л в пересчёте на CaCO₃) при противоточной регенерации

Регенерация: рассол (NaCl в виде 10% раствора)

1.2. Декарбонизация

В воде, содержащей бикарбонаты — а это большинство вод в Западной и Центральной Европе — кальций и магний, связанные с бикарбонат-ионами, обмениваются на ионы водорода слабокислотного катионита. Это называется удалением временной жёсткости. Обработанная вода содержит углекислый газ, который можно удалить декарбонизатором. Солёность обработанной воды ниже, чем исходной. Декарбонизация используется:

• Для обработки воды для производства напитков на пивоваренных заводах
• Для умягчения питьевой воды в муниципалитетах
• В быту для фильтрации, умягчения и частичного обессоливания воды для чая или кофе
• Как первая ступень обессоливания

Используемые смолы:

• Amberlite IRC86 для промышленной воды
• Amberlite PWC13 для муниципальной питьевой воды
• Imac^TM HP333 и HP335 для бытовых фильтров

Качество обработанной воды:

Остаточная щёлочность = очень низкая (конечная точка при 10% от исходной щёлочности)

Остаточная жёсткость = постоянная жёсткость (ОЖ − Щ)

Регенерация: кислота (предпочтительно HCl 5% концентрации)

1.3. Обессоливание

Все ионы должны быть удалены из воды. Поэтому вода сначала проходит через катиониты в H-форме, затем через аниониты в OH-форме или форме свободного основания. Все катионы заменяются ионами H⁺ катионита, а все анионы — ионами OH⁻ анионита. Эти ионы H⁺ и OH⁻ рекомбинируют, образуя молекулы воды (H₂O). Обработанная вода содержит лишь следы натрия и кремния.

Используемые смолы:

• Amberlite IRC86 (слабокислотная смола)
• Amberlite IR120 или Amberjet 1000 (сильнокислотная смола)
• Amberlite IRA96 или IRA67 (слабоосновная смола)
• Amberlite IRA402 или Amberjet 4200 или 4600 (сильноосновная смола)

Качество обработанной воды:

Электропроводность: 0,2–1 мкСм/см при противоточной регенерации

Остаточный кремний: 5–50 мкг/л в зависимости от концентрации в исходной воде и количества регенеранта.

Регенерация:

Катиониты: сильная кислота (HCl или H₂SO₄)

Аниониты: каустическая сода (NaOH)

1.4. Фильтры смешанного действия (ФСД)

1.4.1. Полировочные ФСД. Когда требуется ещё более высокое качество воды, близкое к абсолютно чистой воде, после первичной установки обессоливания устанавливается полировочный фильтр. Он заполнен катионитом и анионитом, которые должны быть перемешаны во время работы, но разделены для регенерации. Разделение осуществляется обратной промывкой восходящим потоком.

Используемые смолы:

• Amberjet 1000 или 1500 (сильнокислотная смола)
• Amberjet 4200 или 4400 (сильноосновная смола)

Качество обработанной воды:

Электропроводность: 0,055–0,1 мкСм/см

Остаточный кремний: 1–10 мкг/л

1.4.2. Рабочие ФСД. Для вод с низкой минерализацией или когда требуются умеренные объёмы обессоленной воды, ФСД могут устанавливаться и питаться непосредственно городской водой или пермеатом обратного осмоса.

1.5. Полировка конденсата

Паровые котлы на атомных и тепловых электростанциях требуют исключительно чистой обессоленной воды для предотвращения отложений на лопатках турбин и коррозии в паровом контуре. Во многих случаях конденсатный контур оснащён фильтрами смешанного действия. Подробности на странице полировка конденсата.

1.6. Ультрачистая вода

При производстве интегральных схем, полупроводниковых чипов и жидкокристаллических или плазменных дисплеев на некоторых этапах требуется вода исключительной чистоты. Подробности на отдельной странице.

Используемые смолы (поставляются предварительно смешанными):

• Amberjet UP6150
• Amberjet UP6040

1.7. Питьевая вода

Ионный обмен — ценная технология для селективного удаления определённых загрязнителей из подземных вод. Подробности на отдельной странице.

2. Использование ионообменных смол в сахарной промышленности

2.1. Умягчение воды для экстракции сахара

Процесс аналогичен описанному в пункте 1.1 (умягчение воды).

2.2. Умягчение свекловичных соков перед выпариванием

Жёсткость свекловичных соков приводит к образованию накипи в теплообменниках выпарных аппаратов. Для предотвращения этого, повышения термической эффективности и экономии энергии обычно умягчают сахарный сок.

Используемые смолы: Amberlite FPC14 Na

2.3. Процесс NRS

Это умный процесс, при котором смола регенерируется раствором каустической соды, разбавленной тонким соком. Основная идея в том, что хотя гидроксид кальция нерастворим в воде, ионы кальция образуют растворимый комплекс с сахарозой.

Используемые смолы: Amberlite FPC14 Na

2.4. Процесс Грилюса

Более старый процесс, при котором умягчающая смола регенерируется густым соком, содержащим высокие концентрации натрия. Расход соли снижается, и отходы не образуются.

Используемые смолы: Amberlite FPC22 Na

2.5. Обессоливание сахарных соков перед выпариванием

В этом процессе «несахара» удаляются из тонкого сока для повышения эффективности кристаллизации. В общем случае каждый килограмм удалённых несахаров даёт 1,4 кг дополнительного сахара.

Используемые смолы:

• Amberlite FPC14 Na (сильнокислотная)
• Amberlite FPA53 (слабоосновная)

2.6. Обесцвечивание тростниковых сиропов

Тростниковые сиропы обычно содержат множество органических соединений, придающих цвет кристаллизованному сахару. Процесс обесцвечивания использует сильноосновные аниониты, регенерируемые раствором хлорида натрия.

Используемые смолы:

• Amberlite FPA98 Cl (акриловая)
• Amberlite FPA90 Cl (стирольная)

2.7. Процесс Квентина

Кристаллизация свекловичного сахара частично ингибируется ионами калия и натрия в соке. Магний менее «мелассогенен», чем натрий или калий, поэтому идея в том, чтобы пропустить сок через колонну сильнокислотного катионита в магниевой форме.

Используемые смолы: Amberlite FPC23 H (сначала переводится в Mg⁺⁺-форму)

2.8. Извлечение сахара из мелассы

Этот процесс основан на ионной эксклюзии — разновидности ионообменной хроматографии с использованием смол мелкой фракции с однородным размером частиц.

Используемые смолы: Amberlite CR1220 K

2.9. Инверсия сахарозы

Сахароза — это дисахарид. В кислой среде молекула сахарозы расщепляется на два моносахарида: глюкозу и фруктозу в равных пространствах. Инвертный сахар имеет более высокую подслащивающую способность (1,15 vs. 1,0) и меньшую склонность к кристаллизации.

Используемые смолы: Amberlite FPC12 H

2.10. Хроматографическое разделение

Поскольку фруктоза имеет более высокую подслащивающую способность, чем глюкоза (1,3 vs. 0,7), сиропы инвертного сахара можно обогатить фруктозой, пропуская сироп через мелкодисперсный сильнокислотный катионит в кальциевой форме.

Используемые смолы: Amberlite CR1320 Ca

2.11. Обессоливание глюкозы

Глюкозные сиропы обессоливают для повышения чистоты. Принцип идентичен обессоливанию воды или сахара.

Используемые смолы:

• Dowex^TM 88 (сильнокислотная смола)
• Dowex 66 (слабоосновная смола)

3. Примеры других применений в пищевой промышленности

3.1. Обессоливание сыворотки

Сыворотка — побочный продукт производства сыра — содержит ценные белки и используется в пищевой промышленности. Её обессоливают для повышения чистоты.

Используемые смолы:

• Amberlite FPC14 (сильнокислотная смола)
• Amberlite FPA51 (слабоосновная смола)

3.2. Напитки

В этой области существует несколько применений:

• Обработка воды для производства пива или безалкогольных напитков
• Удаление кислот из напитков слабоосновной анионной смолой
• Удаление металлов
• Удаление неприятного вкуса или запаха
• Удаление цвета и мутности неионными адсорбентами

3.3. Обработка фруктовых соков

• Удаление кислот слабоосновной анионной смолой Amberlite FPA51
• Удаление горечи из апельсиновых соков неионным адсорбентом Amberlite FPX66
• Удаление цвета адсорбентной смолой

3.4. Извлечение полифенолов

Полифенолы ценятся сегодня за их антиоксидантные свойства. Они содержатся во многих видах фруктов, таких как ягоды или красный виноград.

Используемые смолы: Amberlite FPX68 (неионный адсорбент)

3.5. Лимонная кислота

Эта кислота используется как консервант во многих пищевых продуктах. Производится ферментацией. Её очистка требует ионообменного обессоливания.

Используемые смолы:

• Amberlite FPC22 H (сильнокислотная)
• Amberlite FPA51 (слабоосновная стирольная) или FPA54 (слабоосновная фенольная)

3.6. Аминокислоты

L-лизин и другие незаменимые аминокислоты производятся ферментацией. Лизин извлекается из ферментационного бульона катионитом в аммонийной форме.

Используемые смолы: Amberlite FPC14 (сильнокислотная)

3.7. Обессоливание сорбита

Сорбит — многоатомный спирт, мощный подсластитель и эмолент, используемый, например, в жевательной резинке.

Используемые смолы:

• Amberlite FPC22 (сильнокислотная)
• Amberlite FPA51 (слабоосновная)
• Amberlite FPC52 и FPA90 в полировочном ФСД

3.8. Обессоливание желатина

Желатин производится из коллагена, содержащегося в свиной коже и костях. Для производства высокочистого желатина требуется обессоливание.

Используемые смолы:

• Amberlite FPC14 или FPC22 (сильнокислотные)
• Amberlite FPA53 (слабоосновная акриловая)

4. Некоторые применения в химической промышленности

4.1. Извлечение и удаление металлов

В цехах гальванопокрытий металлы могут быть извлечены или удалены:

• Извлечение золота из промышленных ювелирных изделий в виде цианидных комплексов с Amberlite IRA402
• Рециркуляция различных промывных вод в гальванических цехах
• Удаление меди и железа из хромировочных цехов с Amberlyst 15Wet
• Извлечение хромовой кислоты с Amberlite IR120 и Amberlite IRA96
• Удаление железа из цинковых ванн с Amberlite IRC748

Другие примеры:

• Извлечение серебра из фотографических ванн с Amberlite IRA67 или IRA402
• Селективное удаление ртути с Ambersep^TM GT74
• Извлечение ванадиевых и медных катализаторов с Amberlyst^TM 40Wet

4.2. Производство хлора и каустической соды

Эти химикаты производятся электролизом насыщенного рассола. В производственном процессе критично отсутствие двухвалентных металлов. Поэтому используется селективная хелатирующая смола для их удаления.

Используемые смолы:

• Amberlite IRC747 когда удаление стронция не требуется
• Amberlite IRC748 когда стронций также нужно удалить

4.3. Фенол

Два применения:

• Удаление серной кислоты и органических кислот из технологических потоков при производстве фенола
• Удаление фенола из промышленных стоков. Фенол удаляется на неионном адсорбенте. Регенерация ацетоном.

Используемые смолы:

• Amberlyst A23 для удаления кислот
• Amberlite XAD4 для удаления фенола из стоков

4.4. Очистка перекиси водорода

Смолы используются в двух различных процессах:

• Удаление производных антрахинона. Регенерация метанолом.
• Удаление следов металлов, таких как железо, сильнокислотной смолой.

Внимание: перекись водорода (H₂O₂) — мощный окислитель, и в обоих процессах необходимы серьёзные меры предосторожности.

Используемые смолы:

• Amberlite XAD4 для органических загрязнителей
• Amberlyst 15Wet для металлов

4.5. Удаление альдегидов

Сильноосновные аниониты в бисульфитной форме могут удалять альдегиды из различных водных растворов. Бисульфит-ион образует продукт присоединения с альдегидом.

R⁺HSO₃⁻ + HCHO → R⁺HOCH₂SO₃⁻

4.6. Селективное удаление различных элементов

Информация об удалении различных ионов (в основном металлов) смолами представлена в таблице Менделеева.

5. Катализ

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость достижения равновесия химической реакции, практически не расходуясь в ней.

В большинстве процессов, где ранее использовалась минеральная кислота в качестве катализатора — особенно в нефтехимической промышленности — теперь используется сильнокислотный катионит в H⁺-форме. Эти смолы должны работать в жёстких условиях — часто при температурах 130–170°C.

6. Фармацевтическая промышленность

Существуют различные и сложные применения. Поскольку фармацевтическая промышленность изначально секретна, известно мало деталей. Тем не менее, упомянем несколько примеров:

6.1. Экстракция и очистка антибиотиков

Различные антибиотики используют ионообменные и адсорбентные смолы в процессе производства. Цель — очистить их после экстракции из ферментационных бульонов. Примеры: стрептомицин, гентамицин, цефалоспорин, тетрациклин.

Используемые смолы:

• Amberlite XAD1600 (неионный стирольный адсорбент)
• Amberlite XAD7HP (неионный акриловый адсорбент)

6.2. Составы пролонгированного действия

Порошкообразные, высокоочищенные ионообменные смолы используются как вспомогательные вещества в фармацевтических составах. Активный ингредиент адсорбируется на смоле и высвобождается медленнее в организме.

Используемые смолы:

• Amberlite IRP64 (слабокислотная)
• Amberlite IRP69 (сильнокислотная)
• Amberlite IRP88 (слабокислотная в калиевой форме)
• Duolite^TM AP143 (сильноосновная)

6.3. Смолы как лекарства

Те же типы смол могут использоваться как активные вещества в лекарстве:

• Холестирамин — препарат для снижения уровня холестерина — порошок на основе сильноосновной анионной смолы в хлоридной форме.
• Полакрилин калия — лекарство для регулирования уровня калия в крови — порошок на основе слабокислотной смолы с метакриловой матрицей.

6.4. Маскировка вкуса

Аналогичные смолы используются для маскировки неприятного вкуса или запаха лекарства.

6.5. Производственная хроматография

Хроматографическое разделение различных молекул, используемых в качестве активных ингредиентов, может осуществляться смолами с очень мелким размером частиц вместо силикагелей.

Используемые смолы: линейка продуктов Amberchrom

7. Прочие применения

7.1. Горнодобывающая промышленность

Наиболее значительное применение, включающее тысячи кубометров смолы, — извлечение урана. Измельчённая руда обрабатывается серной кислотой, которая переводит уран в раствор в виде сульфата урана. Продуктивный раствор пропускается через слои сильноосновных анионитов с высоким сродством к уран-сульфатному комплексу.

Используемые смолы:

• Amberjet 4400
• Ambersep 920U

7.2. Иммобилизация ферментов

В ферментативных реакциях удобнее иммобилизовать фермент на носителе, чем добавлять его в реакционную среду. Ионообменные смолы особенно подходят для этого применения.

Используемые смолы:

• Amberzyme^TM oxirane
• Duolite A568 (слабоосновная смола с фенол-формальдегидной матрицей)

7.3. Гидропоника

Катионо- и анионообменные смолы используются для удержания питательных веществ растений в гидропонной культуре: аммоний, калий, железо, цинк (катионы), а также нитрат и фосфат (анионы). На смолу также загружаются микроэлементы. Эта техника позволяет питательным веществам высвобождаться медленно в зависимости от потребностей растений.

Используемые смолы: Lewatit^TM HD50

7.4. Удаление масла коалесценцией

Специальная смола с олеофильной функциональностью используется для удаления следов масла из конденсатов и других загрязнённых растворов. Вода течёт вверх через слой смолы. Капли масла формируются на поверхности гранул смолы, и когда они достигают критического размера, всплывают к верху колонны. Смола не требует регенерации, только периодическую промывку.

Используемая смола: Amberlite^TM ROC110