Ионный обмен

3. Ионный обмен

Когда говорят о чистоте воды, обычно подразумевают родниковую воду, озеро Байкал с его огромными запасами пресной воды.

Однако при ближайшем рассмотрении речь идет не столько о чистой воде, сколько о пресной и вкусной воде. Сверхчистая вода обычно образуется при дистилляции, но это, на мой взгляд, физический процесс, и его мы рассматривать не будем.

Сверхчистую по отдельным показателям воду можно получить и химическими методами воздействия. Раньше анализ воды подразумевал определение ее основности, жесткости, содержания хлоридов и кислорода. Сейчас в зависимости от государства в пресной воде определяют от примерно двух десятков (в Украине, России) до почти четырех десятков элементов (США, страны Западной Европы), но, по-прежнему, первостепенными показателями воды являются ее основность и жесткость.

Раньше жесткость воды в промышленных масштабах понижали очисткой ее от солей кальция и магния с помощью, например, олеата калия. Растворенные в воде соли жесткости при действии олеата калия превращаются в малорастворимые в воде магниевые и кальциевые соли олеиновой кислоты:

2C₁₇H₃₃COO + Ca = Ca (C₁₇H₃₃COO)₂

2C₁₇H₃₃COO + Mg = Mg (C₁₇H₃₃COO)₂

Сейчас такой процесс очистки воды считается анахронизмом. Более эффективная очистка воды достигается с использованием ионообменных смол.

Синтетических смол химиками создано великое множество. И, пожалуй, одними из самых удивительных среди них являются ионообменные смолы, или иониты. Эти смолы обладают редкой способностью: активно вступая в химическое взаимодействие с различными веществами, они быстро и тщательно очищают от них различные растворы. Применяются иониты, например, для очистки воды, поступающей в водопроводную сеть многих городов.

Пропуская через иониты морскую воду или другой раствор, их можно освободить от растворенных солей, то есть сделать то, что с помощью обычных фильтров сделать невозможно.

Синтетические иониты не растворяются ни в кислотах, ни в щелочах; через них можно фильтровать растворы, имеющие температуру около 100⁰С. Они делятся на две основные группы. Иониты одной группы взаимодействуют с ионами, заряженными положительным электричеством (катионами), - это катиониты. Другие, взаимодействующие с анионами, называются анионитами.

От обычных синтетических смол иониты отличаются тем, что они обладают свойствами кислот и щелочей. У катионитов – кислотные свойства, у анионитов – щелочные.

Как действуют иониты? Известно, что молекулы многих веществ в воде распадаются на отдельные атомы или группы атомов, несущие электрические заряды (электрическая диссоциация). Такие микрочастицы называются ионами. Это атомы, потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе лишние электроны. А поскольку ионы несут электрические заряды, ими можно управлять. Иониты улавливают эти ионы, работая как своеобразная ловушка (см. рис.1).

Рис.1. Ионная ловушка.

Иониты уже трудятся в самых различных областях народного хозяйства. Исключительно полезными помощниками они оказались, например, на сахарных заводах. По ходу производства здесь необходимо тщательно очищать от нежелательных примесей свекловичный сок. Старый способ очистки сока сравнительно сложен и, главное, связан с большими потерями сахара. Применили иониты, и на том же оборудовании выход продукции повысился сразу на 8-10%.

На металлургических комбинатах им. Ильича и «Азовсталь» иониты используются в теплоэлектроцентралях для очистки воды.

В последнее время ионообменные смолы стали применять при очистке воды на ликероводочных заводах, фабриках по производству соков.

С замечательной добросовестностью «вылавливают» иониты серебро, уходящие вместе с промывными водами с копировальных фабрик, из фотолабораторий, рентгеновских кабинетов. Пропустить все эти «серебряные реки» через иониты – все равно, что открыть новое крупное месторождение этого ценного металла.

С такой же добросовестностью эти иониты «выуживают» из растворов примеси золота, меди и многих других ценных металлов.

Очистка паровых котлов от накипи – дело трудоемкое и обходится государству недешево. Пропущенная через ионитовые фильтры вода становится настолько «мягкой», что котел может работать во много раз дольше.

Нельзя забывать и другого. Обеспечивая высокую степень очистки различных материалов, иониты позволяют совершенствовать многие производственные процессы, способствуют прогрессу во многих отраслях хозяйства.

В машиностроении и теплоэнергетике, гидрометаллургии, радиотехнике, пищевой промышленности – всюду теперь несут полезную службу иониты. А ведь семейство этих чудесных полимеров все растет. Новые иониты находят новое применение.

Ученые поговаривают даже о том, что в будущем иониты будут извлекать золото из морской воды! И это будет экономически выгодно.

Выводы

1. На мой взгляд, термин «сверхчистые материалы» - не совсем корректный, поскольку:

-  неизвестно, какую чистоту, а точнее загрязненность материалов надо считать обычной, чтобы относительно нее можно было говорить о «сверхчистом» материале;

-  для одних материалов их высокая чистота/малая загрязненность по примесям определяется процентами и их долями, а для других материалов, например, для полупроводников – германия, кремния – «сверхчистота» подразумевает загрязненность, измеряемую миллиардными долями процента.

2. Роль химии в получении «сверхчистых материалов», в основном, заключается в следующем:

-  создании химических реакций, пригодных для получения чистого материала из других химических соединений;

-  создании химических реакций, с помощью которых можно эффективно удалять примеси и загрязнения из относительно чистого материала;

-  изобретении новых веществ, способных химическим или физическим путем очищать искомые материалы.

3. Применение химических методов очистки материалов взамен физических или биологических должно быть обусловлено предварительными технико-экономическими расчетами эффективности получения сверхчистых материалов.

Литература

1. Степин Б.Д., Горштейн И.Г., Блюм Г.З. и др. Методы получения особо чистых неорганических веществ. – Л., Химия, 1969.

2. Финкельштейн Б.Е. Чистота вещества. – М., Химия, 1975.

3. Крашенинников С.А., Кузнецова А.Г., Салтанова В.П. и др. Технический анализ и контроль в производстве неорганических веществ. – М., Высшая школа, 1968.

4. Детская энциклопедия. Том 5. Техника и производство. - М., Просвещение, 1965.

5. Буринская Н.Н., Величко Л.П. Химия. Учебник для средней общеобразовательной школы. 11 класс. – Київ, Ірпінь, 1999.

6. Корякин Ю.В., Ангелов И.И.Чистые химические вещества. Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. Изд. 4-ое. – М., Химия, 1974.