離子交換樹脂

離子交換樹脂內(nèi)容概況一、發(fā)展簡(jiǎn)史二、基本組成三、分類和命名四、一些離子交換樹脂的制備一、發(fā)展簡(jiǎn)史1、1935年英國的Adams和Holmes發(fā)表了關(guān)于酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂在脫鹽、提取分離方面的離子交換性能工作報(bào)告。帶有磺酸基和氨基的酚醛樹脂實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并在水的脫鹽中得到應(yīng)用。2、1944年D'Alelio合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹脂。

Dow化公司的Bauman等人開發(fā)了苯乙烯系磺酸型強(qiáng)酸性離子交換樹脂Rohn&Haas公司的Kunin等進(jìn)一步研制了苯乙烯系陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸系離子交換樹脂。應(yīng)用范圍：水的脫鹽精制、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

3、20世紀(jì)50年代末，國內(nèi)外包括我國的南開大學(xué)化學(xué)系合成了大孔型離子交換樹脂。4、20世紀(jì)50年代后期，離子交換樹脂在品種、性能和應(yīng)用方面得到迅速的發(fā)展。

二、基本組成離子交換樹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。

二、基本組成聚苯乙烯型陽離子交換樹脂離子交換樹脂交聯(lián)具有三維空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架（用R表示）在骨架上連接有許多可離子化的功能基團(tuán)可移動(dòng)的活性離子（即可交換離子，如H+、OH-）離子交換的原理

離子交換過程是被分離組分（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，即離子交換樹脂上的可交換離子（陽離子或陰離子）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程中不發(fā)生任何化學(xué)變化。

該過程一般可以用方程式表達(dá)為:R-B+A+

→

R-A+B+（R代表樹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)。陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂H+

Na+

OH-Cl-NaCl三、分類和命名3.1離子交換樹脂有多種分類方法，主要有四種：按樹脂骨架分類按聚合的化學(xué)反應(yīng)分類按骨架的物理結(jié)構(gòu)分類按活性基團(tuán)分類1-按樹脂骨架分類苯乙烯型樹脂：丙烯酸型樹脂：環(huán)氧氯丙烷型多烯多胺型樹脂酚-醛型樹脂丙烯酸系樹脂：能交換吸附大多數(shù)離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。苯乙烯系樹脂：擅長(zhǎng)吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類色素（包括帶負(fù)電的或不帶電的）；但在再生時(shí)較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進(jìn)行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處。2-按聚合的化學(xué)反應(yīng)分類共聚型樹脂：縮聚型樹脂：以具有一個(gè)或兩個(gè)以上雙鍵的單體為原料，在含有分散劑的介質(zhì)中攪拌加熱進(jìn)行懸浮聚合，得到有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的珠體，然后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)引入活性基團(tuán)便可以得到離子交換樹脂。單體：苯乙烯、丙烯酸脂類、丙烯腈等交聯(lián)劑:二乙烯基苯由兩個(gè)或兩個(gè)以上帶有功能基的單體，通過功能基之間的相互作用而進(jìn)行反應(yīng)。一般伴有低分子物（水或鹵化氫等）的析出。例：酚醛型，環(huán)氧丙烷-多烯多胺型3-按骨架的物理結(jié)構(gòu)分類凝膠型大孔型載體型不同物理結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的模型

凝膠型離子交換樹脂：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，大分子鏈間隙約為2-4nm,可供粒徑在1nm以下的無機(jī)小分子自由地通過。這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中，分子鏈緊縮，無機(jī)小分子無法通過，將喪失離子交換功能。

大孔型離子交換樹脂：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?？讖揭话銥閹准{米到幾百納米。

載體型離子交換樹脂：一種特殊用途樹脂，主要用作液相色譜的固定相。一般是將離子交換樹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。4-按活性基團(tuán)分類陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強(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'2(1)

強(qiáng)酸型陽離子樹脂

這類樹脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基(－SO3H)和次甲基磺酸基團(tuán)（－CH2SO3H），其電離程度大，在pH1-14范圍內(nèi)均可離解出H+，故呈強(qiáng)酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如SO3－，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子。這兩個(gè)反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。

樹脂在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)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(jìn)行，使樹脂的官能基團(tuán)回復(fù)原來狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理。

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

2R-SO3H＋Ca2+

(R—SO3)2Ca＋2H+硬水軟化的原理例：(2)

弱酸型陽離子樹脂

該類樹脂的活性基團(tuán)為弱酸性基團(tuán)：羧基(—COOH)、氧乙酸基團(tuán)（—OCH2COOH）、酚羥基（C6H5OH）以及β-雙酮基（—COCH2COCH3）等。其電離程度受溶液pH影響很大，在酸性溶液中幾乎不發(fā)生交換，其交換能力隨pH的升高而遞增，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進(jìn)行再生(比強(qiáng)酸性樹脂較易再生)。

羧酸陽離子樹脂：pH＞7酚羥基樹脂：pH＞9中等強(qiáng)度酸性的有陽離子交換樹脂：磷酸基團(tuán)（-PO(OH)2）次磷酸基團(tuán)（-PHO(OH)）(3

強(qiáng)堿型陰離子樹脂

這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如三甲胺基RN+(CH3)3OH-和二甲基-β-羥基乙基胺基RN+(CH3)2(C2H4OH)3OH-。能在水中離解出OH-而呈強(qiáng)堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生離子交換作用。

這種樹脂的離解性很強(qiáng)，在pH1-14范圍內(nèi)均可離解出OH-。它用強(qiáng)堿(如NaOH)進(jìn)行再生。

R-N(CH3)3OH＋Na+Cl-R-N(CH3)3Cl-＋OH-例：(4)

弱堿型陰離子樹脂

該類樹脂的活性基團(tuán)為弱堿性基團(tuán)：伯胺基(-NH2)，仲胺（-NHR）和叔胺[-N(R2)]等?；鶊F(tuán)的電離程度較弱，和弱酸陽離子樹脂一樣，其交換能力受溶液的影響較大，pH越低，交換能力越大，需要在pH＜7的溶液中使用。

在實(shí)際使用上，常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子型式運(yùn)行，以適應(yīng)各種需要。

例如常將強(qiáng)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(shí)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(shí)沒有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用(如蔗糖轉(zhuǎn)化和設(shè)備腐蝕等)。這種樹脂以鈉型運(yùn)行使用后，可用鹽水再生(不用強(qiáng)酸)。又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂茫ぷ鲿r(shí)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強(qiáng)酸性樹脂及強(qiáng)堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性，但它們?nèi)匀挥羞@些樹脂的其他典型性能，如離解性強(qiáng)和工作的pH范圍寬廣等。

3.2離子交換樹脂的命名表1-1樹脂型號(hào)中的一、二位數(shù)字的意義代號(hào)0123456分類名稱強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螯合性兩性氧化還原性骨架名稱苯乙烯系丙烯酸系酚醛系環(huán)氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系

1977年我國化工部統(tǒng)一規(guī)定：離子交換樹脂的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。

第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類；第二位數(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu)，第三位數(shù)字為順序號(hào)，用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異。

凝膠型離子交換樹脂：在型號(hào)后面加“×”號(hào)聯(lián)接一阿拉伯?dāng)?shù)字表示交聯(lián)度大孔型離子交換樹脂：則在型號(hào)前面加字母“D”表示舉例：

D011×7，表示大孔強(qiáng)酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂，其交聯(lián)度為7樹脂的交聯(lián)度：即樹脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)。

交聯(lián)度高：聚合緊密，密度高，空隙