功能高分子材料-离子交换树脂

1、功能高分子材料 离子交换树脂离子交换树脂的种类离子交换树脂的制备离子交换树脂的基本理论离子交换树脂的应用功能高分子材料 功能高分子系指带有特殊功能基团的高分子材料，按照 21 世纪科技发展的形势和高分子科学所面临的任务来概括，功能高分子可定义为：对物质、能量和信息具有传递、转换和储存功能的特殊高分子材料。 按照材料的功能或用途所属的学科领域，可以将功能高分子材料分为化学、物理和生命功能高分子材料三大类。 化学功能高分子的基本特征是具有某种特殊化学功能和用途。这是一类最经典、用途最广的功能高分子材料。 物理功能高分子包括光活性高分子和导电高分子等。 生物功能高分子有高分子药物和医用高分子材料等。

2、离子交换树脂 离子交换树脂是一类带有三维网状结构的、以高分子为基体、不溶于水和有机溶剂，具有可进行离子交换的官能团的物质。 离子交换树脂由三部分组成，即不溶性的三维空间物质骨架、连接在骨架上的功能基团、功能基团所带的相反电荷的可交换离子。在离子交换树脂中，功能基在具有三维空间立体结构的网格骨架上不能移动，但功能基所带的可以离解的离子却可以自由移动，在使用或再生时，不同外界条件下，与基团同电荷的其他离子相互交换，所以称为可交换离子。利用这种性质可以进行浓缩、分离和纯化工作。1.离子交换树脂的基本类型 1）强酸型阳离子树脂 这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基SO3H，容易在溶液中离解出H+，故

3、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。强酸性树脂的离解能力很强， 在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。 离子在使用一段时间后，要进行再生处理，即用 化学药品使离子交换反应以相反的方向进行，使树脂 的官能基团回复原来的状态，以供再次使用。 2）弱酸型阳离子树脂 这类树脂含弱酸性基团，如羧基COOH，能在水中离解出H+而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如RCOO（R为碳氢基团），能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行

4、离子交换,只能在碱性,中性或微酸性溶液中(如pH=5-14)起作用.这类树脂也是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。 3）强碱型阴离子树脂 这类树脂含有强碱性基团，如季胺基NR3OH,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，从而产生阴离子交换作用。 这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱（如NaOH）进行再生。 4）弱碱型阴离子树脂 这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基NH2,仲胺基NHR或叔胺基NR2，它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的

5、整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件（如Ph=1-9)下工作它可用Na2CO3,NH4OH进行再生。2.离子交换树脂的制备（1）强酸型阳离子交换树脂 苯乙烯体系的阳离子交换树脂的制备是用苯乙烯和二乙烯基苯（DVB）悬浮于水中，搅拌聚合得到球状共聚物，然后用硫酸-氯磺酸等磺化剂进行磺化而制得；（2）弱酸型阳离子交换树脂 具有COOH基的弱酸性离子交换树脂几乎都是水解丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯与DVB的共聚物得到的；（3）强碱型阴离子交换树脂 利用苯乙烯与而乙烯基苯共聚物小球引入强碱性有机胺基团即可制得；（4）弱碱型阴离子交换树脂 如上述强碱型离子交换树脂的合成方法，引入一些弱碱性基团即可制得弱

6、碱型阴离子交换树脂。3.离子交换树脂的基本理论 离子交换的基本理论主要包括：a.离子交换反应在 一 定条件下的反应方向和反应限度，即离子交换热力学；b.离子交换反应的历程和达到平衡的时间，即离子交换动力学。（1）离子交换平衡 离子交换反应是可逆反应，其反应是在固态的树脂和水溶液接触的界面间发生的。阳离子交换反应可表述为 其反应平衡关系式为 式中 和 溶液中离子和的活度； 和 树脂中离子和的活度； 选择性系数，其值越大，离子交换树脂对A离子的交换能力就越大，就越易吸附A离子。nnnASORnBBSORnA)()(33nRBAARnBABaaagaKn)()()(AaBaRAaRBaABK影响选择

7、性的因素 a.离子价数 离子价数越高，其与树脂功能基的静电吸引力越大，亲和力越大，如Ca2+、Mg2+易与树脂上Na+、H+的交换。 b.离子半径 在水中离子会水化而使树脂膨胀，对同价离子，当原子序数增加，其水合离子的半径减小，其选择性增大，如Ca2+的选择性大于Mg2+。 c.树脂交联度 交联度越高，对树脂的选择性影响越大。这是由于交联网络形成的筛网作用造成。(2)离子交换动力学 离子交换的效果取决于离子交换速度，而离子交换速度主要受离子从溶液进入到树脂表面和树脂内部的扩散过程的影响。以Na型树脂与溶液中Ca2+进行交换反应为例，实际离子交换过程是由如下的相对速率组成： Ca2+从溶液通过液

8、膜扩散到树脂表面（膜扩散） Ca2+从树脂表面向孔内扩散（粒内扩散） Na+从孔内扩散到树脂表面 Na+通过液膜扩散到溶液中。 膜扩散和粒内扩散速度是影响离子交换速度的主要因素。而影响膜扩散粒内扩散的主要因素有：a.溶液流速，增大搅拌速度或柱流速，可增加膜扩散速度；b.树脂颗粒大小，减小树脂的粒度，可同时提高膜扩散和粒内扩散速度；c.溶液浓度，溶液浓度较低时，膜扩散是影响交换速度的主要因素，溶液浓度较高时，粒内扩散则成为影响交换速度的主要因素；d.树脂交联度。 在水的离子软化和水的强酸强碱脱盐过程中，交换过程为液膜所控制，再生则多属受粒内扩散控制，弱酸弱碱的离子交换过程一般也受粒内扩散控制。4

9、.离子交换树脂的应用（1）水处理 水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能，半导体，电子工业等。（2）食品工业 离子交换树脂可用于制糖，味精，酒的精制，生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖和果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。（3）制药行业 制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。（4）合成化学和石油化学工业 在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化，水解，酯交换，水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸，碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。 甲基叔丁基醚（MTBE)的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，有异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙