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離子交換樹脂
什么是離子交換樹脂

    離子交換樹脂是帶有官能團(有交換離子的活性基團)、具有網狀結構、不溶性的高分子化合物。通常是球形顆粒物。離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架(或基因)名稱、基本名稱組成。

離子交換樹脂的發展歷史

    離子交換劑是一類能發生離子交換的物質,分為無機離子交換劑和有機離子交換劑。有機離子交換劑又稱離子交換樹脂。無機離子交換劑(如沸石)早在一百多年前就已發現并應用,人類就已經會利用沙礫凈水。而有機離子交換樹脂是在1933年由英國人亞當斯(Hdams)和霍姆斯(Holms)首先用人工方法制造酚醛類型的陽、陰離子交換樹脂。

    在第二次世界大戰期間,德國首先進行工業規模的生產。戰后英、美、蘇、日等國的發展很快。1945年美國人迪阿萊里塢(D'Alelio)發表了關于聚苯乙烯型強酸性陽離子交換樹脂及聚丙烯酸型弱酸性陽離子交換樹脂的制備方法。后來聚苯乙烯陰離子交換樹脂、氧化還原樹脂以及螯合樹脂等也相繼出現,在應用技術及其范圍上也日益廣大。到了上世紀五十年代后期,各種大孔型的樹脂又相繼發展起來,在生產及科學研究中,離子交換樹脂起著越來越重要的作用。

    解放前,我國的離子交換樹脂的科研和生產完全空白,解放后,從五十年代初期開始,我國在北京、上海和天津的一些科研單位和高等學校分別開始了離子交換樹脂的研究。1953年酚醛磺化樹脂產生,1958年凝膠型苯乙烯樹脂投入生產,1959年南開大學何炳林用苯乙烯做致孔劑合成孔徑大、強度高和交換速度快的大孔型交聯聚苯乙烯離子交換樹脂。60年代我國生產了大孔型苯乙烯系、丙烯酸系離子交換樹脂。到70年代中、后期又合成了多種吸附樹脂、碳化樹脂,并已先后投入生產。

    經過50年的努力,我國的離子交換樹脂的生產和工業應用得到了飛速的發展,生產的品種已超過六十種,產品的種類和產量日益增多,質量不斷提高,并廣泛應用于工農業生產、國防建設、醫藥衛生、交通運輸及科學研究等部門,在我國的建設中起著越來越重要的作用。

離子交換樹脂的種類

    離子交換樹脂還可以根據其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂。樹脂中化學活性基團的種類決定了樹脂的主要性質和類別。首先區分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩大類,它們可分別與溶液中的陽離子和陰離子進行離子交換。陽離子樹脂又分為強酸性和弱酸性兩類,陰離子樹脂又分為強堿性和弱堿性兩類(或再分出中強酸和中強堿性類)。

    離子交換樹脂有多種分類方法,目前主流分類方法有四種:

    一、按樹脂骨架分類

    該分類方法下,樹脂有四種:

    1、苯乙烯系樹脂

    苯乙烯系樹脂擅長吸附芳香族物質,善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負電的或不帶電的);但在再生時較難洗脫。因此,糖液先用丙烯酸樹脂進行粗脫色,再用苯乙烯樹脂進行精脫色,可充分發揮兩者的長處。

    2、丙烯酸系樹脂

    能交換吸附大多數離子型色素,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。

    3、酚醛型樹脂

    4、環氧丙烷型多烯多胺型樹脂

    二、按聚合的化學反應分類

    1、共聚型樹脂

    以具有一個或兩個以上雙鍵的單體為原材料,在含有分散劑的介質中攪拌加熱進行懸浮聚合,得到有立體網狀結構的珠體,然后進行化學反應引入活性基團便可以得到離子交換樹脂。

    單體主要有苯乙烯、丙烯酸酯類、丙烯腈等;交聯劑為二乙烯基苯。

    2、縮聚型樹脂

    由兩個或者兩個以上帶有功能基的單體,通過功能基之間的相互作用而進行反應。一般伴有低分子物(水或鹵化氫等)的析出。

    三、按骨架的物理結構分類

    主要有凝膠型、大孔型、載體型三種。

    1、凝膠型離子交換樹脂。外觀透明、具有均相高分子凝膠結構。在水中會溶脹成凝膠狀,并呈現大分子鏈的間隙孔,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,無機小分子無法通過,將喪失離子交換功能。

    2、大孔型離子交換樹脂。外觀不透明,表面粗糙,為非均相凝膠結構。即使在干燥狀態,內部也存在不同尺寸的毛細孔,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??拙兌話鬮改擅椎郊赴倌擅?。

    3、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。它可經受液相色譜中流動介質的高壓,又具有離子交換功能。

    四、按活性基團分類

    可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。

    1、陽離子交換樹脂。又分為強酸型、中酸型、弱酸型。

    強酸型離子交換樹脂含有大量的強酸性基團,如磺酸基(-SO3H)和次甲基磺酸基團(-CH2SO3H),其電離程度大,在pH=1-14范圍內均可離解出H+,故呈強酸性。樹脂離解后,本體所含的負電基團,如SO3-,能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。樹脂在使用一段時間后,要進行再生處理,即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行,使樹脂的官能基團回復原來狀態,以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理。

    弱酸型離子交換樹脂的活性基團為弱酸性基團:羧基(—COOH)、氧乙酸基團(—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pH=5~14)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)。

    2、陰離子交換樹脂。分為強堿型、弱堿型。

    強堿型離子交換樹脂含有強堿性基團,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-而呈強堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合,從而產生離子交換作用。這種樹脂的離解性很強,在pH=1-14范圍內均可離解出OH-。它用強堿(如NaOH)進行再生。

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

    弱堿型離子交換樹脂的活性基團為弱堿性基團:伯胺基(-NH2),仲胺(-NHR)和叔胺[-N(R2)]等?;諾牡繢氤潭冉先?,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。

    在實際使用上,常將這些樹脂轉變為其他離子型式運行,以適應各種需要。例如常將強酸性陽離子樹脂與NaCl作用,轉變為鈉型樹脂再使用。 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。反應時沒有放出H+,可避免溶液pH下降和由此產生的副作用(如蔗糖轉化和設備腐蝕等)。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變為氯型再使用,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 強酸性樹脂及強堿性樹脂在轉變為鈉型和氯型后,就不再具有強 酸性及強堿性,但它們仍然有這些樹脂的其他典型性能,如離解性強和工作的pH范圍寬廣等。

離子交換樹脂的命名方法

    離子交換產品的型號以三位阿拉伯數字組成,第一位數字代表產品的分類,第二位數字代表骨架的差異,第三位數字為順序號用以區別基因、交聯劑等的差異。第一、第二位數字的意義,見下表。

 代號 0 1 2 3 4 5 6
 分類名稱 強酸性 弱酸性 強堿性 弱堿性 螫合性 兩性 氧化還原性
 骨架名稱 苯乙烯系 丙烯酸系 醋酸系 環氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系

    大孔樹脂在型號前加“D”,凝膠型樹脂的交聯度值可在型號后用“×”號連接阿拉伯數字表示。如D011×7,表示大孔強酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂,其交聯度為7。

    國外一些產品用字母C代表陽離子樹脂(C為cation的第一個字母),A代表陰離子樹脂(A為Anion的第一個字母),如Amberlite的IRC和IRA分別為陽樹脂和陰樹脂,亦分別代表陽樹脂和陰樹脂。

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