2. Что такое ионообменные волокна (волокнистые иониты) и чем они отличаются от всех остальных видов ионитов?

Ионообменные волокна - это волокна со специальными свойствами. Эти волокна представляют собой пространственно-сшитые трехмерные структуры, состоящие из ориентированных макромолекул, содержащих функциональные группы кислой и основной природы.

Главное свойство ионообменных волокон состоит в способности их функциональных групп диссоциировать в жидких средах и обмениваться противоионами, а также проявлять хемосорбционные свойства.

Ионообменные волокна обладают высокоразвитой поверхностью и лучшими кинетическими характеристиками по сравнению с зернистыми ионитами (высокая скорость обмена, большая доступность ионогенных групп для обмениваемых ионов, в том числе крупных органических ионов). Их обменная емкость достаточно высока для практического применения и не снижается при многократных циклах регенерации кислотами и щелочами. Важным преимуществом волокнистых ионитов является возможность изготовления из них ионообменных изделий любой формы: нитей, пористых пластин, тканей, нетканых полотен. Синтетические ионообменные волокна обладают высокой обменной емкостью, термостойкостью и химической устойчивостью.

Для синтеза волокнистых ионитов применяются две группы методов:

1. химическая модификация готовых волокон путем полимераналогичных превращений и привитой сополимеризации (или сополиконденсации);

2. формование волокон из смесей неволокнообразующих полимеров с ионогенными группами и волокнообразующих полимеров без функциональных групп.

Полимераналогичные превращения применяются для модификации поливинилспиртовых (ПВС), полиакрилонитрильных (ПАН), полиолефиновых и других волокон. При этом можно получать волокнистые иониты с любой требуемой ионогенной группой. Например, волокнистые сульфокатиониты получают по реакции диеновой конденсации дегидратированных ПВС-волокон с малеиновым ангидридом с последующим присоединением бисульфита натрия или дегидратацией полиеновых волокон с присоединением бисульфита натрия по двойной связи. Этерификацией ПВС-волокон получают карбоксильные и фосфорнокислые катиониты. Волокнистые аниониты получают ацеталированием (малеиновым диальдегидом) и этерификацией ПВС-волокон.

Сильноосновные волокнистые аниониты с обменной емкостью 2,1-4,1 мг-экв/г получают алкилированием эпихлоргидрином ПВС-волокон с привитыми полиэтиленимином (ПЭИ), полиметилвинилпиридином (ПМВП) или другими азотсодержащими полимерами.

Волокнистые аниониты ПВС-ПЭИ с обменной емкостью до 4 мг-экв/г получают путем формования смеси ПВС-волокон и неволокнообразующего ПЭИ в соотношении (3ё9) : 1. Однако производство ионитов на основе ПВС-волокон осуществляется лишь в опытно-промышленном масштабе.

Из промышленных наиболее отработана технология получения волокнистых ионообменных материалов на основе ПАН-волокон (материалов ВИОН), имеющих широкую сырьевую базу (продукция и отходы действующих производств и переработки волокна «нитрон»).

Материалы ВИОН применяются для очистки вентиляционных отходящих газовых выбросов промышленности от растворимых компонентов, аэрозолей кислот и солей тяжелых металлов, где их используют главным образом в виде нетканых иглопробивных полотен, характеристика которых приведена в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

Свойства нетканых иглопробивных полотен на основе волокнистых ионообменных материалов ВИОН

Свойства слабокислотных катионообменных (КН), сильноосновных (АС-1) и слабоосновных (АН-1) анионообменных волокон ВИОН, выпускаемых в промышленном масштабе, приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Свойства синтетических ионообменных волокон ВИОН

Ионообменные свойства сообщаются ПАН-волокнам и их привитым сополимерам методами полимераналогичных превращений с применением щелочного омыления (карбоксилирования) нитрильных групп. Наибольшую обменную емкость волокна приобретают при омылении раствором смеси NaOH концентрации 100-120 г/л и соли гидразина той же концентрации в соотношении 1 : 1 в течение 15-150 мин при 95-100 °С с предварительной кратковременной обработкой волокон раствором NaOH. При этом, используя специфические особенности нитрильных групп, способных при химической модификации поэтапно превращаться в анионо- и катионогенные, путем регулирования продолжительности процесса омыления получают (после отжима омыленных волокон, промывки и сушки при 20-40 °С) катиониты, аниониты или полиамфолиты.

Они обладают высокой обменной емкостью по карбоксильным и аминогруппам (6,5-6,8 мг-экв/г), значительной химической стойкостью. При получении полиамфолитов сохраняется суммарная емкость 6,5-6,8 мг-экв/г, из них на долю карбоксильных групп приходится 3,0-4,5, на долю аминогрупп -- 2,3-3,5 мг-экв/г.

Полиамфолиты и слабоосновные аниониты получают также методом привитой сополимеризации частично омыленных ПАН-волокон с азотсодержащими мономерами (этилендиамин, 2,5-метилвинилпиридин и др.), а также методом формования из смесей ПАН и ПЭИ, растворенных в водном растворе роданида натрия.

Величина СОЕ по слабоосновным группам у синтезированных ионитов достигает 6,2 мг-экв/г. Иониты сильно набухают в воде, увеличивая объем в 7 раз от исходного. Дополнительная обработка эпихлоргидрином (связующий агент) позволяет уменьшить набухаемость волокон в 2 раза. Волокнистые слабоионизованные иониты и полиамфолиты на основе ПАН-волокон обладают высокими обменными и кинетическими свойствами и являются эффективными средствами для очистки сточных и денатурированных вод от ионов хрома, меди и других тяжелых металлов, слабоионизованных органических соединений, таких как анилиновые и антрахиноновые красители, катионные, анионные и неионогенные ПАВ, нефтепродукты и др.