離子交換樹脂的應(yīng)用.doc

離子交換樹脂的應(yīng)用 崔春雨（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院 蕪湖 241000）摘要：綜述了離子交換樹脂在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，從各個方面敘述了離子交換樹脂的重要作用，從總體上評述了離子交換樹脂的發(fā)展現(xiàn)狀。還探討了離子交換樹脂合成工藝、應(yīng)用技術(shù)等的發(fā)展方向，并對離子交換樹脂的應(yīng)用市場前景作出預(yù)測和展望【1】。關(guān)鍵詞：離子交換樹脂；應(yīng)用；展望前 言離子交換樹脂是一類帶有活性基團的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物。在它的分子結(jié)構(gòu)中，一部分為樹脂的基體骨架，另一部分為由固定離子和可交換離子組成的活性基團。離子交換樹脂具有交換選擇、吸附和催化等功能，在工業(yè)高純水制備、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品行業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，離子交換樹脂無論是從種類、結(jié)構(gòu)還是性能上都出現(xiàn)了很大的變化，其生產(chǎn)和應(yīng)用也都得到了很大的發(fā)展。我國自20世紀(jì)50年代以來開始生產(chǎn)和應(yīng)用離子交換樹脂。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展國內(nèi)常規(guī)離子交換樹脂的制造和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，水平與國外相當(dāng)。離子交換樹脂主要用于電力、食品、醫(yī)藥、電子和冶金等行業(yè)，隨著鍋爐給水、飲用水和電子用水等對離子交換出水的純度要求日益提高，促使常規(guī)的離子交換樹脂生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)不斷完善，同時催生了許多新型的生產(chǎn)工藝不斷涌現(xiàn)，使得離子交換樹脂產(chǎn)品升級和技術(shù)進步的步伐也日益加快【2】。1離子交換樹脂概述離子交換樹脂是具有反應(yīng)性基團的輕度交聯(lián)的體型聚合物，利用其反應(yīng)性基團實現(xiàn)離子交換反應(yīng)的一種高分子試劑，是由交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子骨架與以化學(xué)鍵結(jié)合在骨架上的固定離子基團和以離子鍵為固定基團以相反符號電荷結(jié)合的可交換離子構(gòu)成的。離子交換樹脂根據(jù)其基體的種類可分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂；根據(jù)樹脂中化學(xué)活性基團的種類分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類，它們可分別與溶液中的陽離子和陰離子進行離子交換，以及二者的轉(zhuǎn)型樹脂。11陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有酸性基團，如-SO3H、-PO3H2、-COOH等，能與溶液中陽離子進行交換。根據(jù)交換基團酸性的強弱，又可進一步把陽離子交換樹脂分成以下幾類。1.1.1強酸性陽離子交換樹脂 如含官能團-SO3H、-CH2SO3H等樹脂，其容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子，這兩個反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性陽離子交換樹脂酸性相當(dāng)于硫酸、鹽酸等無機酸，它在堿性、中性、甚至酸性介質(zhì)中都顯示離子交換功能。這類樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復(fù)原來狀態(tài)，以供再次使用。上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來的組成。1.1.2弱酸性陽離子交換樹脂弱酸性陽離子交換樹脂主要為含弱酸性基團-COOH、-CH2OH、-OH等的樹脂。這類樹脂能在水中離解出H+而呈酸性，樹脂離解后余下的負(fù)電基團，如R-COO-(R為碳氫基團)，能與溶液中的其它陽離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH=514)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生）。1.1.3中等酸性陽離子交換樹脂 中等酸性陽離子交換樹脂其介于強酸性陽離子交換樹脂和弱酸性陽離子交換樹脂之間，主要為含官能團-PO3H2、-PO3H3、-AsO3H2等樹脂。12陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂一般含有堿性基團，如-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH、-NH2等，能與溶液中的陰離子進行交換。陰離子交換樹脂根據(jù)交換基因堿性的強弱分成以下兩類。1.2.1強堿性陰離子交換樹脂 這類樹脂含有強堿性基團,如-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH等，能在水中離解出OH-而呈強堿性。其堿性較強，相當(dāng)于一般季胺堿。這種樹脂的正電基團與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂的離解性很強，在不同pH下都能正常工作，即在酸性、中性、甚至堿性介質(zhì)中都可顯示離子交換功能。用強堿(如NaOH)可進行再生。1.2.2弱堿性陰離子交換樹脂 這類樹脂含有弱堿性基團，如-NH2、-NHR、-NR2等,它們在水中能離解出OH-而呈弱堿性，其堿性次序為-NR2-NHR-NH2。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH=19)下工作。弱堿性陰離子交換樹脂可用Na2CO3、NH4OH進行再生。1.3離子交換樹脂的轉(zhuǎn)型在實際使用上，常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子型式運行,以適應(yīng)各種需要。例如，常將強酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。工作時鈉型樹脂放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應(yīng)時沒有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用。這種樹脂以鈉型運行使用后，可用鹽水再生(不用強酸)。又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?工作時放出Cl-而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液3。2離子交換樹脂的應(yīng)用情況2.1離子交換樹脂在含汞廢水處理中的應(yīng)用含汞廢水是危害最大的工業(yè)廢水之一，離子交換樹脂法適用于處理濃度低而排放量大、含有毒金屬的廢水。用樹脂交換法除汞作為化學(xué)法的二級處理系統(tǒng)，能保證達到排放標(biāo)準(zhǔn)，且能實現(xiàn)封閉循環(huán)、連續(xù)穩(wěn)定的運行，排放的廢水可作為冷卻水加以回用；提高了生產(chǎn)能力，單位產(chǎn)品的成本降低，節(jié)約了治理費用；應(yīng)用樹脂交換法還能對廢水起到脫色作用，處理的水清晰透明。失效后的樹脂不再回收，作為汞廢渣回收汞，防止了二次污染。因此，應(yīng)用離子交換法處理低濃度含汞廢水，有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益4。2.2離子交換樹脂在醫(yī)學(xué)的中應(yīng)用2.2.1藥物的精制純化 藥物的精制純化是將藥液中有效成分轉(zhuǎn)化成離子形式，與樹脂發(fā)生離子交換，將有效成分吸附上去，利用酸堿成鹽原理將有效成分轉(zhuǎn)化成鹽，再進行洗脫；將藥物提取液中低濃度的有效成分經(jīng)過吸附上柱后洗脫，提高有效成分含量,達到純化精制目的。其應(yīng)用以抗生素為主，在其他類藥物中也有廣泛的應(yīng)用。2.2.2藥物樹脂靶向給藥系統(tǒng)離子交換樹脂除了上述用于口服藥樹脂緩控釋系統(tǒng)外，還可用于靶向給藥。近年來，越來越多的臨床研究表明，抗腫瘤藥物的選擇性不高，從而限制了藥效的進一步發(fā)揮。因此，將藥物選擇性地輸送到特定部位以提高局部藥物濃度、減少全身毒性和不良反應(yīng)的靶向系統(tǒng)已越來越受到重視。靶向給藥系統(tǒng)由藥物與載體組成，常見的載體有微球、脂質(zhì)體、單克隆抗體、復(fù)乳及細胞載體等，而利用離子交換原理可將藥物制成非生物降解的藥樹脂微球。一般認(rèn)為，粒徑大于50 m的微粒在靶組織的滯留量少于粒徑較小的微粒。因此，可根據(jù)藥物的性質(zhì)選擇具有適宜交聯(lián)度和孔徑的離子交換樹脂，制備成相應(yīng)的藥物樹脂微球。由于血液中的離子種類和強度較為恒定且樹脂微球體積較小，因而可將藥樹脂微球進行靜脈注射并結(jié)合-閃爍照相技術(shù)對其靶向性進行評價，樹脂微球的粒徑和孔徑是離子在樹脂內(nèi)部擴散的限速因素，而且影響其對組織的靶向性及在靶組織的釋藥行為5。2.3離子交換樹脂在催化劑中的應(yīng)用2.3.1?；⑼榛??；⑼榛磻?yīng)是一類重要的有機合成反應(yīng)。Friedel-Crafts反應(yīng)一般采用傳統(tǒng)的催化劑，如Lewis酸、AlCl3及FeCl3等。采用沸石和離子交換樹脂等固體催化劑取代傳統(tǒng)催化劑是芳環(huán)烷基化和酰基化反應(yīng)的一個突破性進展。由于離子交換樹脂具有可回收利用優(yōu)點，近幾年來對它在烷基化、?；磻?yīng)中的應(yīng)用越來越多。2.3.2環(huán)氧化反應(yīng)和開環(huán)反應(yīng)烯烴的環(huán)氧化反應(yīng)的氧化劑一般是雙氧水或者有機過氧化物，如叔丁基過氧化物和異丙苯基過氧化物。采用離子交換樹脂為催化劑，一般用鎢、鉬負(fù)載的陰離子交換樹脂為催化劑。作為親電試劑，環(huán)氧化合物可以被堿性樹脂的陰離子親核試劑開環(huán)，或者在酸性樹脂質(zhì)子的幫助下與中性分子反應(yīng)。環(huán)氧乙烷水解制備乙二醇可以采用重碳酸鹽形式的陰離子交換樹脂作為催化劑。環(huán)氧化物水解成二醇的反應(yīng)還可以采用季磷型交換樹脂代替季氨鹽型交換樹脂作為催化劑。植物油環(huán)氧化物在乙酸中可以開環(huán)，但是環(huán)氧化物的轉(zhuǎn)化率很低6。2.4離子交換樹脂在食品工業(yè)中的應(yīng)用2.4.1味精味精是常用調(diào)味佳品，主要由玉米發(fā)酵液經(jīng)微生物作用而制得。發(fā)酵時得到含谷氨酸2%5%的原液，可采用離子樹脂法提取，當(dāng)pH等于5時用磺酸型強酸離子樹脂進行動態(tài)提取，谷氨酸回收率為80%90%。研究發(fā)現(xiàn)，由丙烯睛、丁二烯與二乙烯苯發(fā)生共聚反應(yīng)，用汽油做致孔劑制得的大孔離子樹脂，可使用二百多次，而且洗脫峰也比較集中。2.4.2天然甜味劑的提取我國傳統(tǒng)中草藥甘草所含的甘草酸是重要甜味劑，可應(yīng)用于食品及制藥工業(yè)。甘草經(jīng)水提取、酸析、醇提取后得到含40%甘草酸的粗品。粗品溶于水后通過裝有吸附樹脂的交換柱，甘草酸被樹脂吸附，然后用乙醇洗脫，在經(jīng)蒸發(fā)濃縮，可得91%含量的甘草酸精品。在國際上還普遍使用陰陽離子交換樹脂、吸附樹脂及鰲合樹脂由甜葉菊提取液中提取甜菊昔。2.4.3氨基酸、蛋白質(zhì)的分離提純根據(jù)氨基酸等電點的不同，選擇適當(dāng)?shù)膒H值，可用離子交換樹脂(多用強酸陽離子樹脂將它們分離。蛋白質(zhì)由氨基酸組成，也可根據(jù)等電點的不同用離子交換樹脂分離7。3展望離子交換樹脂作為一種具備選擇吸附和交換功能的特殊的高分子化合物，已經(jīng)在工業(yè)農(nóng)業(yè)加工制造業(yè)等各個領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。同時,隨著各行業(yè)不斷發(fā)展和科技水平的不斷進步，離子交換樹脂將在未來發(fā)揮更加重要的作用。因此，離子交換樹脂市場規(guī)模越來越大。離子交換樹脂除了繼續(xù)在常規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域（如工業(yè)水處理、飲用水凈化和食品工業(yè)等）繼續(xù)發(fā)揮重要作用外，也開始向高端科技領(lǐng)域滲透和發(fā)展。例如，在“神州五號”、“神舟六號”載人宇宙飛船和“嫦娥一號”探月衛(wèi)星工程中，哈爾濱晶體管廠負(fù)責(zé)提供軍用電子元器件，而浙江爭光實業(yè)股份有限公司提供的ZG ER樹脂則為哈爾濱晶體管廠制得了高純度的電子級生產(chǎn)用水。 離子交換樹脂應(yīng)用也有不足，如一次性投資高，操作要求及管理嚴(yán)格，有的還存在再生問題、樹脂的中毒和老化問題等。但有的問題已有相應(yīng)的解決辦法，提高也是可以做到的。充分發(fā)揮離子交換法的回收功能，不僅能保護環(huán)境，而且在經(jīng)濟效益方面極有優(yōu)勢。因此，離子交換樹脂在工業(yè)合成、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展空間。我們應(yīng)加大在這些方面應(yīng)用開發(fā)工作的力度，以促進離子交換樹脂行業(yè)的發(fā)展8。參考文獻:1 錢庭寶,離子交換劑應(yīng)用技術(shù),天津科學(xué)出版社,1985,115-1252 何炳林等,南開大學(xué)高分子學(xué)科論文摘要及成果目錄,南開大學(xué)高分子研究所,天津, 1988,10,1-1693 張貴珠,史慧明。離子交換與吸附,1987,3(2),584 方強，王楚強