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离子交换树脂
什么是离子交换树脂

    离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。通常是球形颗粒物。离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架(或基因)名称、基本名称组成。

离子交换树脂的发展历史

    离子交换剂是一类能发生离子交换的物质,分为无机离子交换剂和有机离子交换剂。有机离子交换剂又称离子交换树脂。无机离子交换剂(如沸石)早在一百多年前就已发现并应用,人类就已经会利用沙砾净水。而有机离子交换树脂是在1933年由英国人亚当斯(Hdams)和霍姆斯(Holms)首先用人工方法制造酚醛类型的阳、阴离子交换树脂。

    在第二次世界大战期间,德国首先进行工业规模的生产。战后英、美、苏、日等国的发展很快。1945年美国人迪阿莱里坞(D'Alelio)发表了关于聚苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂及聚丙烯酸型弱酸性阳离子交换树脂的制备方法。后来聚苯乙烯阴离子交换树脂、氧化还原树脂以及螯合树脂等也相继出现,在应用技术及其范围上也日益广大。到了上世纪五十年代后期,各种大孔型的树脂又相继发展起来,在生产及科学研究中,离子交换树脂起着越来越重要的作用。

    解放前,我国的离子交换树脂的科研和生产完全空白,解放后,从五十年代初期开始,我国在北京、上海和天津的一些科研单位和高等学校分别开始了离子交换树脂的研究。1953年酚醛磺化树脂产生,1958年凝胶型苯乙烯树脂投入生产,1959年南开大学何炳林用苯乙烯做致孔剂合成孔径大、强度高和交换速度快的大孔型交联聚苯乙烯离子交换树脂。60年代我国生产了大孔型苯乙烯系、丙烯酸系离子交换树脂。到70年代中、后期又合成了多种吸附树脂、碳化树脂,并已先后投入生产。

    经过50年的努力,我国的离子交换树脂的生产和工业应用得到了飞速的发展,生产的品种已超过六十种,产品的种类和产量日益增多,质量不断提高,并广泛应用于工农业生产、国防建设、医药卫生、交通运输及科学研究等部门,在我国的建设中起着越来越重要的作用。

离子交换树脂的种类

    离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类,它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类,阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类(或再分出中强酸和中强碱性类)。

    离子交换树脂有多种分类方法,目前主流分类方法有四种:

    一、按树脂骨架分类

    该分类方法下,树脂有四种:

    1、苯乙烯系树脂

    苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质,善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的);但在再生时较难洗脱。因此,糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色,再用苯乙烯树脂进行精脱色,可充分发挥两者的长处。

    2、丙烯酸系树脂

    能交换吸附大多数离子型色素,脱色容量大,而且吸附物较易洗脱,便于再生,在糖厂中可用作主要的脱色树脂。

    3、酚醛型树脂

    4、环氧丙烷型多烯多胺型树脂

    二、按聚合的化学反应分类

    1、共聚型树脂

    以具有一个或两个以上双键的单体为原材料,在含有分散剂的介质中搅拌加热进行悬浮聚合,得到有立体网状结构的珠体,然后进行化学反应引入活性基团便可以得到离子交换树脂。

    单体主要有苯乙烯、丙烯酸酯类、丙烯腈等;交联剂为二乙烯基苯。

    2、缩聚型树脂

    由两个或者两个以上带有功能基的单体,通过功能基之间的相互作用而进行反应。一般伴有低分子物(水或卤化氢等)的析出。

    三、按骨架的物理结构分类

    主要有凝胶型、大孔型、载体型三种。

    1、凝胶型离子交换树脂。外观透明、具有均相高分子凝胶结构。在水中会溶胀成凝胶状,并呈现大分子链的间隙孔,大分子链间隙约为2-4nm,可供粒径在1nm以下的无机小分子自由地通过。这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中,分子链紧缩,无机小分子无法通过,将丧失离子交换功能。

    2、大孔型离子交换树脂。外观不透明,表面粗糙,为非均相凝胶结构。即使在干燥状态,内部也存在不同尺寸的毛细孔,因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。比表面积大,因此其吸附功能十分显著。孔径一般为几纳米到几百纳米。

    3、载体型离子交换树脂。一种特殊用途树脂,主要用作液相色谱的固定相。一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成。它可经受液相色谱中流动介质的高压,又具有离子交换功能。

    四、按活性基团分类

    可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

    1、阳离子交换树脂。又分为强酸型、中酸型、弱酸型。

    强酸型离子交换树脂含有大量的强酸性基团,如磺酸基(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H),其电离程度大,在pH=1-14范围内均可离解出H+,故呈强酸性。树脂离解后,本体所含的负电基团,如SO3-,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理。

    弱酸型离子交换树脂的活性基团为弱酸性基团:羧基(—COOH)、氧乙酸基团(—OCH2COOH)、酚羟基(C6H5OH)以及β-双酮基(—COCH2COCH3)等。其电离程度受溶液pH影响很大,在酸性溶液中几乎不发生交换,其交换能力随pH的升高而递增,只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH=5~14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。

    2、阴离子交换树脂。分为强碱型、弱碱型。

    强碱型离子交换树脂含有强碱性基团,如三甲胺基RN+(CH3)3OH-和二甲基-β-羟基乙基胺基RN+(CH3)2(C2H4OH)3OH-。能在水中离解出OH-而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生离子交换作用。这种树脂的离解性很强,在pH=1-14范围内均可离解出OH-。它用强碱(如NaOH)进行再生。

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

    弱碱型离子交换树脂的活性基团为弱碱性基团:伯胺基(-NH2),仲胺(-NHR)和叔胺[-N(R2)]等。基团的电离程度较弱,和弱酸阳离子树脂一样,其交换能力受溶液的影响较大,pH越低,交换能力越大,需要在pH<7的溶液中使用。

    在实际使用上,常将这些树脂转变为其他离子型式运行,以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用,转变为钠型树脂再使用。 工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附,除去这些离子。反应时没有放出H+,可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后,可用盐水再生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用,工作时放出Cl-而吸附交换其他阴离子,它的再生只需用食盐水溶液 强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后,就不再具有强 酸性及强碱性,但它们仍然有这些树脂的其他典型性能,如离解性强和工作的pH范围宽广等。

离子交换树脂的命名方法

    离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成,第一位数字代表产品的分类,第二位数字代表骨架的差异,第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。第一、第二位数字的意义,见下表。

 代号 0 1 2 3 4 5 6
 分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螫合性 两性 氧化还原性
 骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 醋酸系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系

    大孔树脂在型号前加“D”,凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“×”号连接阿拉伯数字表示。如D011×7,表示大孔强酸性丙烯酸系阳离子交换树脂,其交联度为7。

    国外一些产品用字母C代表阳离子树脂(C为cation的第一个字母),A代表阴离子树脂(A为Anion的第一个字母),如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂,亦分别代表阳树脂和阴树脂。

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