Применения ионообменных смол
Общий обзор

1.6. Ультрачистая вода

При производстве интегральных схем, полупроводниковых чипов и жидкокристаллических или плазменных дисплеев на определённых этапах обработки требуется вода экстремальной чистоты. В финальном полирующем фильтре смешанного действия используются специальные марки смол с высокой степенью конверсии. Подробности см. на отдельной странице.

Применяемые смолы (поставляются уже смешанными):

• Amberjet UP6150
• Amberjet UP6040

1.7. Питьевая вода

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

2. Использование ионообменных смол в сахарной промышленности

2.1. Умягчение воды для экстракции сахара

Процесс описан 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 её предотвращения, повышения термической эффективности и экономии энергии обычно проводят умягчение сахарного сока. Тогда установка может работать непрерывно, без частых остановок для очистки оборудования от накипи.

В этом процессе используется тот же тип смолы, что и для умягчения воды, но смолы должны быть допущены к использованию с пищевыми продуктами и выдерживать специфические нагрузки, связанные с температурой и концентрацией сока.

Ионы кальция и магния в сахарном соке обмениваются на ионы натрия смолы. Процесс применяется к жидкому соку, т.е. после карбонатации. Как правило, несколько колонн работают параллельно для обеспечения непрерывной работы.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 Na

2.3. Процесс NRS

Это остроумный процесс, при котором смола регенерируется раствором каустической соды, разбавленным жидким соком. Основная идея заключается в том, что хотя гидроксид кальция нерастворим в воде, ионы кальция образуют растворимый комплекс с сахарозой. Отработанный регенерант возвращается вверх по потоку, перед стадией карбонатации, так что образование отходов пренебрежимо мало. Более того, сок не разбавляется водой, как в традиционном процессе умягчения, поскольку процесс NRS не включает стадий отмывки. Энергетический баланс благоприятен и обеспечивает экономию пара.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 Na

2.4. Процесс Грюллюса

Это более старый процесс, при котором умягчающая смола регенерируется густым соком, содержащим высокие концентрации натрия. Таким образом снижается расход соли, и опять же не образуется отходов, поскольку отработанный регенерант возвращается в цикл.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC22 Na

2.5. Обессоливание сахарных соков перед выпариванием

В этом процессе «несахара» удаляются из жидкого сока для повышения эффективности кристаллизации, т.е. выхода сахара. В общем случае каждый килограмм удалённых несахаров даёт 1,4 кг дополнительного сахара. В остальном процесс аналогичен обессоливанию воды: используются сильнокислотный катионит и слабоосновный анионит, регенерируемые соответственно кислотой и каустической содой.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 Na (сильнокислотный катионит)
• Amberlite FPA53 (слабоосновный анионит)

2.6. Обесцвечивание тростниковых сиропов после выпаривания

Тростниковые сиропы обычно содержат много органических соединений, придающих цвет кристаллизованному сахару и снижающих выход кристаллизации. Процесс обесцвечивания использует сильноосновные аниониты, регенерируемые раствором хлорида натрия. Эти смолы макропористые, поэтому могут удаляться соединения с высокой молекулярной массой. Наиболее эффективный метод использует две колонны последовательно: первая заполнена акриловой смолой, вторая, полирующая — стирольной.

Применяемые смолы:

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

2.7. Процесс Квентина

Кристаллизация свекловичного сахара частично ингибируется ионами калия и натрия, содержащимися в соке, так что большие количества сахара остаются в мелассе после кристаллизации. Поскольку магний менее «мелассогенен», чем натрий или калий, идея состоит в том, чтобы пропустить жидкий сок через колонну сильнокислотного катионита в магниевой форме. Это увеличивает производство белого сахара и уменьшает количество мелассы.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC23 H (должен быть сначала переведён в Mg⁺⁺-форму хлоридом магния)

2.8. Извлечение сахара из мелассы

Этот процесс основан на ионном исключении — разновидности ионообменной хроматографии с использованием смол с мелким размером частиц и однородным гранулометрическим составом. Он разделяет сахар и несахара и увеличивает извлечение сахара из мелассы.

Применяемые смолы:

• Amberlite CR1220 K

2.9. Инверсия сахарозы

Сахароза (обычный сахар) — дисахарид. В кислой среде молекула сахарозы расщепляется на два моносахарида: глюкозу и фруктозу в равных пропорциях. Инвертный сахар обладает более высокой сладостью, чем сахароза (1,15 против 1,0), и меньшей склонностью к кристаллизации — важная особенность для некоторых промышленных пищевых продуктов. Инверсия производится пропусканием сахарного сиропа через низкосшитый сильнокислотный катионит в H⁺-форме.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC12 H

2.10. Хроматографическое разделение

Поскольку фруктоза имеет более высокую сладость, чем глюкоза (1,3 против 0,7), инвертные сиропы можно обогащать фруктозой, пропуская сироп через мелкозернистый сильнокислотный катионит с очень однородным размером частиц в кальциевой форме. По мере движения потока сиропа вниз по колонне фруктоза движется медленнее глюкозы. В результате в колонне образуются разделённые полосы с более высокой чистотой каждого компонента. Фракция фруктозы выделяется отдельно ввиду её коммерческой ценности. Фракция глюкозы может быть либо продана как глюкозный сироп, либо ферментативно изомеризована для получения большего количества фруктозы.

Применяемые смолы:

• Amberlite CR1320 Ca

2.11. Деминерализация глюкозы

Глюкозные сиропы деминерализуются для повышения чистоты. Принцип идентичен обессоливанию воды или сахара. Ввиду высокой концентрации и температуры сиропов необходимо использовать смолы с хорошей устойчивостью к этим нагрузкам.

Применяемые смолы:

• Dowex^TM 88 (сильнокислотный катионит)
• Dowex 66 (слабоосновный анионит)

3. Примеры других применений в пищевой промышленности

3.1. Деминерализация молочной сыворотки

Молочная сыворотка — побочный продукт производства сыра — содержит ценные белки и используется в пищевой промышленности. Её деминерализуют для повышения чистоты. Опять же, принцип такой же, как при обессоливании воды или сахара.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 (сильнокислотный катионит)
• Amberlite FPA51 (слабоосновный анионит)

3.2. Напитки

В этой области есть несколько применений:

• Обработка воды для производства пива или безалкогольных напитков (см. главу 1)
• Снижение кислотности напитков с помощью Amberlite FPA51 (слабоосновный анионит)
• Удаление металлов
• Удаление неприятного вкуса или запаха
• Удаление цвета и мутности неионогенными адсорбентами

3.3. Обработка фруктовых соков

• Удаление кислоты с помощью Amberlite FPA51 (слабоосновный анионит)
• Удаление горечи из апельсиновых соков неионогенной адсорбционной смолой Amberlite FPX66
• Обесцвечивание адсорбционной смолой

3.4. Извлечение полифенолов

Полифенолы сегодня ценятся за их антиоксидантные свойства. Они содержатся во многих видах фруктов, таких как ягоды или красный виноград. Антоцианы — это полифенолы, которые можно извлечь из виноградного сусла.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPX68 (неионогенная адсорбционная смола)

3.5. Лимонная кислота

Эта кислота используется как консервант во многих промышленных пищевых продуктах. Она производится ферментацией. Для её очистки требуется ионообменная деминерализация.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC22 H (сильнокислотный катионит)
• Amberlite FPA51 (слабоосновный стирольный) или FPA54 (слабоосновный фенольный)

3.6. Аминокислоты

L-лизин и другие незаменимые аминокислоты (не вырабатываемые организмом человека) производятся ферментацией. Лизин извлекается из ферментационного бульона катионитом в аммониевой форме.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 (сильнокислотный катионит)

3.7. Деминерализация сорбитола

Сорбитол — полиол, мощный подсластитель и смягчитель, используемый, например, в жевательной резинке. Он может производиться гидрированием глюкозы или ферментативными процессами. Конечный продукт часто требует деминерализации.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC22 (сильнокислотный катионит)
• Amberlite FPA51 (слабоосновный анионит)
• Amberlite FPC52 и FPA90 в полирующем фильтре смешанного действия

3.8. Деминерализация желатина

Желатин производится из коллагена, содержащегося в свиной шкуре и костях. Для получения высокочистого желатина требуется деминерализация.

Применяемые смолы:

• Amberlite FPC14 или FPC22 (сильнокислотный катионит)
• Amberlite FPA53 (слабоосновный акриловый)

4. Некоторые применения в химической промышленности

4.1. Извлечение и удаление металлов

На предприятиях по обработке поверхностей и гальваническому покрытию металлы можно извлекать или удалять:

• Извлечение золота из промышленных ювелирных производств в виде цианидных комплексов с помощью Amberlite IRA402
• Рециркуляция различных промывных вод в гальванических цехах с помощью Amberlite 252 (для удаления катионов), IRA96 (для хроматов) и IRA410 (для цианидов)
• Удаление меди и железа из цехов хромирования с помощью Amberlyst 15Wet
• Регенерация хромовой кислоты в гальванических цехах с помощью Amberlite IR120 и Amberlite IRA96
• Удаление железа из цинковых ванн с помощью Amberlite IRC748
• Очистка травильных ванн — удаление железа и цинка в виде хлоридных комплексов с помощью Amberlite IRA402. Элюирование проводится просто водой.

Другие примеры:

• Извлечение серебра в виде тиосульфатного комплекса из фотографических ванн с помощью Amberlite IRA67 или IRA402
• Селективное удаление ртути в различных отраслях с помощью Ambersep^TM GT74 — смолы с тиольной функциональностью
• Кадмий можно удалять той же смолой
• Извлечение ванадиевых и медных катализаторов при производстве адипиновой кислоты (предшественника нейлона) с помощью Amberlyst^TM 40Wet

4.2. Производство хлора и каустической соды

Эти химикаты производятся электролизом насыщенного рассола. В производственном процессе критически важно отсутствие двухвалентных металлов. Поэтому используется селективная хелатная смола для их удаления (преимущественно кальция), что снижает начальную концентрацию кальция с 10–20 мг/л до очень низкого уровня, менее 20 мкг/л.

Применяемые смолы:

• Amberlite IRC747, когда удаление стронция не требуется
• Amberlite IRC748, когда стронций также должен быть удалён

4.3. Фенол

Два применения:

• Удаление серной кислоты и органических кислот из технологических потоков при производстве фенола. Используется специальная слабоосновная смола с фенол-формальдегидной матрицей.
• Удаление фенола из промышленных стоков. Фенол удаляется на неионогенной адсорбционной смоле. Регенерация проводится ацетоном.

Применяемые 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. Эти органические соединения можно удалить на неионогенном адсорбенте. Регенерация проводится метанолом.
• Удаление следов металлов, таких как железо, сильнокислотным катионитом. Обработка проводится при очень высокой удельной скорости потока.

Применяемые 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 аддукт с альдегидом. Вот пример с формальдегидом:

R⁺HSO₃^– + HCHO —> R⁺HOCH₂SO₃^–

Смола регенерируется 5%-ным раствором гидросульфита натрия (NaHSO₃).

5. Катализ

Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость приближения к равновесию химической реакции, практически не расходуясь в ходе реакции.

В большинстве процессов, где ранее в качестве катализатора использовалась минеральная кислота — особенно в нефтехимической промышленности — теперь вместо неё применяется сильнокислотный катионит в H⁺-форме. Эти смолы должны работать в жёстких условиях — часто при температурах от 130 до 170 °C — и обладать максимально высокой кислотностью.

Ниже приведены несколько типичных примеров.

5.1. Алкилирование

5.2. Конденсация

5.3. Этерификация

5.4. Получение простых эфиров

5.5. Дегидратация

5.6. Гидрирование

6. Фармацевтическая промышленность

Существуют разнообразные и сложные применения. Поскольку фармацевтическая промышленность по своей природе закрыта, мало подробностей известно. Тем не менее приведём несколько примеров:

6.1. Экстракция и очистка антибиотиков

При производстве различных антибиотиков используются ионообменные и адсорбционные смолы. Цель — очистка после экстракции из ферментационных бульонов. Примеры: стрептомицин, гентамицин, цефалоспорин, тетрациклин.

Применяемые смолы:

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

6.2. Препараты пролонгированного действия

Порошкообразные высокоочищенные ионообменные смолы используются как вспомогательные вещества в фармацевтических препаратах. Активный ингредиент адсорбируется на смоле и высвобождается в организме медленнее, чем если бы он присутствовал в исходном состоянии.

Применяемые смолы:

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

6.3. Смолы как лекарственные средства

Те же типы смол могут использоваться как активные вещества в лекарствах. Очевидно, что они должны соответствовать очень строгим спецификациям и быть одобрены органами здравоохранения. Приведём два примера:

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

• Duolite AP143 (холестирамин)
• Amberlite IRP88 (полакрилин калия)

6.4. Маскирование вкуса

Аналогичные смолы используются для маскирования неприятного вкуса или запаха лекарства.

6.5. Препаративная хроматография

Хроматографическое разделение различных молекул, используемых как активные ингредиенты, может проводиться на смолах с очень мелким размером частиц вместо силикагелей или других носителей.

Применяемые смолы:

• Целая линейка продуктов под маркой Amberchrom.

7. Прочие применения

7.1. Горнодобывающая промышленность

Наиболее значительное применение, включающее тысячи кубических метров смолы, — добыча урана. Дроблёная руда обрабатывается серной кислотой, которая переводит уран в раствор в виде сульфата урана. Продуктивный раствор пропускается через слои сильноосновного анионита, который обладает высоким сродством к сульфатному комплексу урана.

Применяемые 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.

Применяемые смолы:

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

7.3. Гидропоника

Катиониты и аниониты используются для удержания питательных веществ для растений в гидропонных культурах: аммоний, калий, железо, цинк (катионы), а также нитрат и фосфат (анионы). Микроэлементы также загружаются на смолу. Эта техника позволяет питательным веществам медленно высвобождаться в зависимости от потребностей растения. Передозировка удобрений становится невозможной.

Применяемые 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 протекает вверх через слой смолы. Капли масла образуются на поверхности гранул смолы, и когда они достигают критического размера, всплывают к верху колонны. Смола не требует регенерации, только периодической промывки.

Применяемая смола: Amberlite^TM ROC110

Хвост, обозначенный «b», — олеофильная часть функциональной группы, которая присоединена другим концом («a») к структуре смолы.

Торговые марки

Amberjet, Amberlite, Ambersep, Amberlyst, Amberchrom, Amberzyme, Dowex, Duolite и Imac — торговые марки ионообменных и адсорбционных смол Dow-DuPont.
Lewatit — торговая марка смол Lanxess.