В данной работе рассматриваются понятия «иониты», «ионный обмен», виды ионитов и их характерные размеры. Рассказывается значимость явления ионного обмена в науке. Обращаем внимание на то, что ученые обнаружили новую разновидность ионитов – наноиониты, обладающие уникальными свойствами, используемыми в аналитической химии. Важным свойством наноразмерных частиц является наличие двойственной природы. В результате наноиониты являются одновременно гиперзаряженными ионами и сорбентами. Подробно изучено их строение, учитывающее ионную природу. Описывается применение наноионитов в инновационных методах анализа на основании исследований ученых ГЕОХИ РАН под руководством Долгоносова А.М. и ученых СПбГУ под руководством. Карцовой Л.А.
Ионообменная сорбция, или гетерогенный ионный обмен, представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей способностью обменивать ионы, содержащей в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Явление ионного обмена, широко распространенное в живой и неживой природе, успешно используется во всех областях науки и производства. [1] Ионообменные процессы широко используются в мире в гидрометаллургии, пищевой промышленности, биотехнологии, и важную роль они играют в современной аналитической химии: для разделения смесей ионов, концентрирования микроэлементов из чрезвычайно разбавленных растворов, в процессах получения и очистки растворов, реактивов, воды. [2] Эти процессы осуществляются с использованием ионитов – твердых нерастворимых высокомолекулярных веществ, частиц размером около 0,2-1,0 мм, способных вступать в реакции ионного обмена, диссоциации и адсорбции, благодаря наличию в них специальных (ионогенных) функциональных групп, заряженных отрицательно для катионитов и положительно для анионитов. В аналитической химии в колонках для ионной хроматографии используются иониты размером порядка 10 мкм. [3]
В настоящее время разрабатывается перспективное направление науки – применение наноразмерных частиц-сорбентов, или наноионитов, в физико-химических методах анализа. Эти частицы благодаря своим размерам (10-100 нм; у частиц несферической формы – до 200 нм) обладают дуализмом (сочетанием) свойств твердых сорбентов (характерных и для макроионитов) и гиперзаряженных ионов (уникальных свойств наноионитов). В результате происходят ионообменные процессы не только на поверхности наноионитов, но и с самими наноионитами в качестве ионов, что дает возможность поглощаться обычными ионитами (появление нанокомпозита); при этом поглощенные наноиониты не препятствуют ионному обмену на макроионите. Количественным параметром, выражающим ионную природу частицы, является относительный поверхностный заряд (ОПЗ), определяющийся отношением реального заряда частицы к полному заряду. Полный заряд вычисляется как сумма зарядов всех функциональных групп, реальный заряд зависит от полноты диссоциации этих групп на поверхности частицы. Распределение фиксированных ионов и, следовательно, противоионов приводит к возникновению нескомпенсированного заряда, что и превращает частицу в ион. Как правило, к наноионитам относятся частицы, у которых ОПЗ колеблется от 5 до 50 %; выше этого диапазона находятся ионы, ниже – обычные иониты. Также уникальными свойствами наноионитов являются способность образовывать устойчивые коллоидные системы (суспензии), проходить сквозь мембраны; возможность управления их движения из-за высокой плотности поверхностного заряда и малой массы. [3]
Рис. 1. Строение, которое учитывает ионную природу наноионита
Во многом области применения наноионита совпадают с уже освоенными методами: ионной хроматографии, технологией глубокой очистки и концентрирования растворов, получения деминерализированной воды. В то же время наноиониты внедряются в инновационные методы анализа: капиллярную электрохроматографию, атомно-эмиссионную спектрометрию, люминесцентный анализ. Рассмотрим применение наноионитов на основании исследований ученых ГЕОХИ РАН под рукодством Долгоносова А.М. и ученых СПбГУ под руководством. Карцовой Л.А.
Благодаря высокой удельной поверхности наноиониты используют для определения неорганических и органических анионов. Известный метод капиллярного электрофореза основан на электромиграции заряженных частиц (их электрокинетических подвижностях) сложной смеси в растворе электролита внутри кварцевого капилляра за счет подачи напряжения на концах капилляра. В результате анализируемая смесь разделяется на компоненты. Для разделения изомерных соединений или компонентов с близкими подвижностями проводят сочетание ионной хроматографии и капиллярного электрофореза – метод капиллярной электрохроматографии. Для этого в фоновый электролит добавляют суспензию высокоосновного наноионита, вызывающего ионный обмен между противоионами электролита и разделяемыми анионами. Также образование покрытия наноионитом (модифицирование) стенок кварцевого капилляра приводит к обращению электроосмотического потока (ЭОП) – тока жидкости в капилляре, образующегося вследствие наличия поверхностного заряда наночастиц на стенке. Используя значительно меньшие концентрации наноионита (0,05 мМ; для модифицирования стенок капилляра – 0,01мМ) по сравнению с другими полимерами (например, 1,65 мМ цетилтриметиламмоний бромида), можно достичь наибольшие эффективность и селективность разделения. Для снижения пределов обнаружения, например, бромат-аниона с 80 до 8 нг/мл используют стэкинг (ввод анализируемого раствора под давлением) и электростэкинг (ввод анализируемого раствора под напряжением). [4, 5]
Также нашли применение наноиониты в атомно-эмиссионном спектральном анализе растворов – методе анализа, основанном на возбуждении излучения атомов и ионов в газовой фазе (плазме – ионизированном инертном газе) и изучении спектров испускания. В данном случае наноионит готовят в виде гидрозоля и используют в качестве органической присадки, вводимой в анализируемый раствор перед распылением в плазму. Эта присадка предназначена для повышения чувствительности атомно-эмиссионной спектроскопии путем усиления сигнала. В отличие от обычных органических веществ (метанол, фенилаланин), вызывающие так называемый «углеродный усилительный эффект» при значительных количествах вещества (до 10 %), гидрозоль наноионита позволяет усилить сигнал при использовании малых количеств. Это явление связано с эффектом усиления эмиссии при перераспределении между фазами растворами и концентрирующего наноионита. [6]
Рис. 2. Спектры люминесценции наноионита в форме сульфосалицилата с добавками меди (а) и градуировочный график (б)
Сильно разбавленные растворы наноионитов обладают свойством фотолюминесценции (свечения под действием электромагнитного излучения частиц). Наибольшая величина сигнала соответствует наноиониту в чистом состоянии, а при взаимодействии с веществами, которые содержат атомы переходных металлов, люминесценция ослабевает, т.к. наноиониты способны концентрировать такие ионы. Это позволяет определить содержание тяжелых металлов с достаточной чувствительностью. Аналитическим сигналом люминесцентного метода является разность между максимумами сигнала чистой воды и пробы воды с металлом. Этот метод применяется для анализа сточных вод. [7]
Таким образом, применение наноионитов являются ключевым направлением в методах анализа благодаря их двойственной природе.
Библиографическая ссылка
Кириленко В.А. УНИКАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОИОНИТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕТОДАХ АНАЛИЗА (ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ) // Материалы МСНК "Студенческий научный форум 2024". – 2021. – № 9. – С. 124-126;URL: https://publish2020.scienceforum.ru/ru/article/view?id=542 (дата обращения: 19.04.2024).