離子交換樹(shù)脂簡(jiǎn)介

離子交換樹(shù)脂簡(jiǎn)介離子交換樹(shù)脂發(fā)展歷史離子交換樹(shù)脂的概念離子交換樹(shù)脂的分類離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用1、離子交換樹(shù)脂發(fā)展歷史

離子交換樹(shù)脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料1935年英國(guó)Adams和Holmes發(fā)表了關(guān)于酚醛樹(shù)脂和苯胺甲醛樹(shù)脂的離子交換性能的工作報(bào)告，開(kāi)創(chuàng)了離子交換樹(shù)脂領(lǐng)域，同時(shí)也開(kāi)創(chuàng)了功能高分子領(lǐng)域。根據(jù)Adams和Holmes的發(fā)明，帶有磺酸基和氨基的酚醛樹(shù)脂很快就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)并在水的脫鹽中得到了應(yīng)用。

1944年D’Alelio合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹(shù)脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹(shù)脂，奠定了現(xiàn)代離子交換樹(shù)脂的基礎(chǔ)。

此后，Dow化學(xué)公司的Bauman等人開(kāi)發(fā)了苯乙烯系磺酸型強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；Rohm&Hass公司的Kunin等人則進(jìn)一步研制了強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂和弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。這些離子交換樹(shù)脂除應(yīng)用于水的脫鹽精制外，還用于藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。1、離子交換樹(shù)脂發(fā)展歷史

20世紀(jì)50年代末，國(guó)內(nèi)外諸多單位幾乎同時(shí)合成出大孔型離子交換樹(shù)脂。與凝膠型離子交換樹(shù)脂相比，大孔型離子交換樹(shù)脂具有機(jī)械強(qiáng)度高、交換速度快和抗有機(jī)污染的優(yōu)點(diǎn)，因此很快得到廣泛的應(yīng)用。

60年代后期，離子交換樹(shù)脂除了在品種和性能等方面得到了進(jìn)一步的發(fā)展，更為突出的是應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。除了傳統(tǒng)的水的脫鹽、軟化外，在分離、純化、脫色、催化等方面得到廣泛的應(yīng)用。

從離子交換樹(shù)脂出發(fā)，還引申發(fā)展了一些很重要的功能高分子材料。如離子交換纖維、吸附樹(shù)脂、螯合樹(shù)脂、聚合物固載催化劑、高分子試劑、固定化酶等。這一最傳統(tǒng)的功能高分子材料正以嶄新的姿態(tài)在21世紀(jì)發(fā)揮重要的作用。2、離子交換樹(shù)脂的概念2.1離子交換樹(shù)脂的定義

離子交換樹(shù)脂是一類帶有可離子化基團(tuán)的三維網(wǎng)狀高分子材料，其外形一般為顆粒狀。不溶于水和一般的酸、堿，也不溶于普通的有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮和烴類溶劑。常見(jiàn)的離子交換樹(shù)脂的粒徑為0.3～1.2nm。2、離子交換樹(shù)脂的概念2.2離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)如右圖所示，離子交換樹(shù)脂是一類帶有可離子化基團(tuán)的三維網(wǎng)狀高分子。材料樹(shù)脂由三部分組成：三維空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架骨架上連接的可離子化的功能基團(tuán)功能基團(tuán)上吸附的可交換的離子聚苯乙烯型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的示意圖2、離子交換樹(shù)脂的概念2.3離子交換的原理

離子交換過(guò)程是被分離組分（即被提取、被純化的離子或分子）在水溶液與固體交換劑之間發(fā)生的一種化學(xué)計(jì)量分配過(guò)程，該過(guò)程遵循固一液非均相擴(kuò)散傳質(zhì)的普遍規(guī)律而又不同于傳統(tǒng)分離過(guò)程。

當(dāng)與溶液接觸時(shí)，離子交換劑會(huì)與溶液中的特定離子進(jìn)行交換，即離子交換樹(shù)脂上的可交換離子（陽(yáng)離子或陰離子）被溶液中帶同種電荷的特定離子取代，而不溶性固體骨架在這一交換過(guò)程中不發(fā)生任何化學(xué)變化。

該過(guò)程一般可以用方程式表達(dá)為:R-B+A+

→

R-A+B+（R代表樹(shù)脂中除可交換離子以外的其它部分，即惰性骨架與圓定基團(tuán)；B為可交換離子；A+為待分離組分)。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂H+

Na+

OH-Cl-NaCl離子交換原理示意圖

3、離子交換樹(shù)脂的分類3.1按交換基團(tuán)的性質(zhì)分類陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸型例：R—SO3H中酸型例：R—PO(OH)2弱酸型例：R—COOH強(qiáng)堿型例：R3—NCl弱堿型例：R—NH2、R—NR’H、R—NR’23、離子交換樹(shù)脂的分類

陽(yáng)離子交換樹(shù)脂大都含有磺酸基(—SO3H)、羧基(—COOH)或苯酚基(—C6H4OH)等酸性基團(tuán)，其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽(yáng)離子進(jìn)行交換。

例如,苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經(jīng)磺化處理得到強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其結(jié)構(gòu)式可簡(jiǎn)單表示為R—SO3H，式中R代表樹(shù)脂母體，其交換原理為：

2R-SO3H＋Ca2+

(R—SO3)2Ca＋2H+

陰離子交換樹(shù)脂含有季胺基[-N(CH3)3OH]、胺基(—NH2)或亞胺基(—NH2)等堿性基團(tuán)。它們?cè)谒心苌蒓H-離子，可與各種陰離子起交換作用，其交換原理為：

R-N(CH3)3OH＋Cl-R

N(CH3)3Cl＋OH-

硬水軟化的原理3、離子交換樹(shù)脂的分類3.2按樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)分類不同物理結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂的模型凝膠型大孔型載體型3、離子交換樹(shù)脂的分類

凝膠型離子交換樹(shù)脂：外觀透明、具有均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)。在水中會(huì)溶脹成凝膠狀，并呈現(xiàn)大分子鏈的間隙孔，可供無(wú)機(jī)小分子自由地通過(guò)離子。這類離子交換樹(shù)脂在干燥條件下或油類中，分子鏈緊縮，無(wú)機(jī)小分子無(wú)法通過(guò)，將喪失離子交換功能。

大孔型離子交換樹(shù)脂：外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結(jié)構(gòu)。即使在干燥狀態(tài)，內(nèi)部也存在不同尺寸的毛細(xì)孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。比表面積大，因此其吸附功能十分顯著。

載體型離子交換樹(shù)脂：一種特殊用途樹(shù)脂，主要用作液相色譜的固定相。一般是將離子交換樹(shù)脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面上制成。它可經(jīng)受液相色譜中流動(dòng)介質(zhì)的高壓，又具有離子交換功能。3、離子交換樹(shù)脂的分類3.3

按基體的種類分類苯乙烯樹(shù)脂：丙烯酸樹(shù)脂：4、離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用4.1水處理

水處理包括水質(zhì)的軟化、水的脫鹽和高純水的制備等。水處理是離子交換樹(shù)脂最基本的用途之一。4、離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用4.2冶金工業(yè)離子交換是冶金工業(yè)的重要單元操作之一。在鈾、釷等超鈾元素、稀土金屬、重金屬、輕金屬、貴金屬和過(guò)渡金屬的分離、提純和回收方面均起著十分重要的作用。離子交換樹(shù)脂還可用于選礦。在礦漿中加入離子交換樹(shù)脂可改變礦漿中水的離子組成，使浮選劑更有利于吸附所需要的金屬，提高浮選劑的選性和選礦效率。4.3海洋資源利用

利用離子交換樹(shù)脂，可從許多海洋生物(例如海帶)中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。在海洋航行和海島上，用離子交換樹(shù)脂以海水制取淡水是十分經(jīng)濟(jì)和方便的.4、離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用4.4化學(xué)工業(yè)

離子交換樹(shù)脂在化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工生產(chǎn)上已經(jīng)和蒸餾、結(jié)晶、萃取和過(guò)濾一樣，成為重要的單元操作，普遍用于多種無(wú)機(jī)、有機(jī)化合物的分離、提純，濃縮和回收等。4.5食品工業(yè)

離子交換樹(shù)脂在制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調(diào)味品等食品加工中都有廣泛的應(yīng)用。

在酒類生產(chǎn)中，利用離子交換樹(shù)脂改進(jìn)水質(zhì)、進(jìn)行酒的脫色、去渾、去除酒中的酒石酸、水楊酸等雜質(zhì)，提高酒的質(zhì)量。酒類經(jīng)過(guò)離子交換樹(shù)脂的去銅、錳、鐵等離子，可以增加貯存穩(wěn)定性。

4、離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用5.7醫(yī)藥衛(wèi)生

離子交換樹(shù)脂在醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)中被大量應(yīng)用。如在藥物生產(chǎn)中用于藥劑的脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分的提取等。離子交換樹(shù)脂本身可作為藥劑內(nèi)服，具有解毒、緩瀉、去酸等功效，可用于治療胃潰瘍、促進(jìn)食欲、去除腸道放射物質(zhì)等。對(duì)于外敷藥劑，用離子交換樹(shù)脂粉末可配制軟膏、粉劑及嬰兒護(hù)膚用品，用以吸除傷口毒物和作為解毒藥劑。

將各種藥物吸附在離子交換樹(shù)脂上，可有效地控制藥物釋放速率，延長(zhǎng)藥效，減少服藥次數(shù)。利用離子交換樹(shù)脂吸水后體積迅速膨脹的特點(diǎn)，將其與藥劑混合制成藥片，服后可迅速脹大崩解，更快更好地發(fā)揮藥物的作用。離子交換樹(shù)脂還是醫(yī)療診斷、藥物分析檢定的重要藥劑，如血液成分分析、胃液檢定、藥物成分分析等。具有檢測(cè)速度快、干擾少等優(yōu)點(diǎn)。5、離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用5.8環(huán)境保護(hù)

離子交換樹(shù)脂在廢水，廢氣的濃縮、處理、分離、回收及分析檢測(cè)上都有重要應(yīng)用，已普遍用于電鍍廢水、造紙廢水、礦冶廢水、生活污水，影片洗印廢水、工業(yè)廢氣等的治理。

例如影片洗