离子交换树脂详细解读

1、离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，加热不熔，也不溶解于任何介 质，能同溶液里的离子起交换反应。离子交换反应与无机化学的置换或复分解反应类似，如 硫酸钠与硝酸钡的化学反应：BaCNOsS+NasSOt BaS04+2Na+N03所差异的只是，无机化学的复分解反应一般是均相反应，而在离子交换树脂上进行的反应是非均相反应。最主要的离子交换反应有:阳离子交换树脂的交换反应：R-H+Na Cl-R-Na+H+CrR为高分子强酸基，如结构式a、b。OHQ Fgf +so;Tch2 nr3SO 3 abC阴离子交换树脂的交换反应：R+0H-+Na+Cr = R+Cr+Na+0H-R为高分

2、子强碱基，如结构式c。简史 离子交换树脂开始出现于1935年，当时，英国人B.A.亚当斯和E.L.霍姆斯发现， 苯酚磺酸一甲醛逐步聚合物能够交换阳离子，其后，又发现间苯二胺与甲醛的聚合物具有交 换阴离子的性能。1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和化学品公司先后开始工业 生产，并分别以Wofatit和Amberlite作为商品名。1944年美国人G.F.达莱利奥合成了苯乙 烯系离子交换树脂。第二次世界大战期间，在德国，Wofatit除用于水的精制外，还从人造丝 工厂废液中回收铜氨，从照像废液中回收银。在这期间，美国将离子交换树脂用于从贫铀矿 中提取铀及用于核裂变生成物、超铀元素、稀

3、土元素的分离。战后，离子交换树脂的合成和 应用进一步得到发展，在水纯化领域中，采用混合床脱盐法，制得了电阻率为1800万欧厘 米的高纯水。50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究，开辟了电化学的新领域。60年 代初期，为适应尖端科学的发展，又研制出耐压、耐磨、高交换速度、能交换或吸着高分子 量化合物（如水里的腐植酸）的大孔离子交换树脂。在选择分离稀有金属、贵重金属，环境保 护，医药，仿生高分子，选择性膜，金属络合催化等方面都有了广泛的应用。70年代以后， 又出现了各种大孔吸附树脂及特种树脂。分类离子交换树脂根据外观形状及物理性质（孔度、孔度分布、比表面、孔径等）分为 凝胶、大孔和离子交换膜等

4、。根据用途有选择交换用、脱色用、吸着用、电子交换氧化还原） 用等。根据母体的化学结构可分为苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛类系列等。根据离子交换 树脂中活性基团的性质可分为：强酸性的、中等酸性的、弱酸性的;强碱性的、中等碱性的、 弱碱性的;氧化还原性的。含有酸性基团的离子交换树脂，能同溶液里的阳离子起交换反应， 称为阳离子交换树脂；含有碱性基团的离子交换树脂，能交换溶液里的阴离子，称为阴离子 交换树脂；含氧化还原基团的离子交换树脂，能与溶液里的还原剂或氧化剂起反应，称为电子交换树脂；同时含酸性和碱性基团的称为两性树脂，因为它在溶液里能与碱或酸作用。若 树脂与溶液里的高价阳离子作用后，能形成钳环形的

5、络合物，则称为螯合树脂。合成离子交换树脂的合成过程见图。0T-fcN-CHa iLCL0T-fcN-CHa iLCL cm Il g t一盘中心EMWIIt lskbuuhzz性质 离子交换树脂商品一般是制成直径为040.6毫米的球状颗粒；在水中能溶胀， 但不溶于任何溶剂，加热不熔。强酸性树脂它的酸性接近硫酸，能与盐发生复分解作用，在任何pH的溶液里都能使 用。中等酸性树脂这类树脂的酸性接近磷酸，能与高价金属盐发生不同程度的交换作用。弱酸性树脂这类树脂的化学性质与乙酸相似，酸性比较弱，不易与盐类起交换作用； 但在碱性溶液里，能与多价金属离子发生复分解作用，对二价金属离子如铜、钻、镍、锌、 汞等

6、有较高的结合力。在使用时，要考虑它的盐型能起水解作用。最高使用温度在120C左 右，容易为强酸再生。强碱性树脂（含季铵碱基）这类树脂的碱性相当于苛性碱，能除去水溶液里很弱的酸如 硼酸、硅酸、碳酸、低分子量的有机酸等。这类树脂的羟基与氮原子结合能力很弱，故易与 金属盐起复分解作用，形成碱性很强的溶液。羟型树脂对热不稳定，若为强碱I型树脂（见结 构式a），使用温度不能超过60C;若为II型树脂（b），不能超过40C。因此，这类树脂不使用 时，一般以氯型保存，不能以羟型保存。强碱性树脂可以在任何pH溶液里进行交换。3 CH3 0 CH3ch2n+oh_ ch2n+oh_zzH3C CH3 H3C C

7、H2CH2OHab弱碱性树脂弱碱性树脂的化学性质与铵相似，呈弱碱性，能吸着水溶液里的酸而形成 盐，其盐型在水溶液中发生水解。树脂与强酸和高价酸结合力强，对氧和热的稳定性差。影响离子交换反应的因素离子交换反应主要发生在树脂内部。在离子交换反应前，溶 液里的反应物必须能扩散进树脂内部。扩散速率与树脂体上毛细孔大小有关，而毛细孔的大 小，与合成时加入的交联剂的量有关。交联剂用量少的，树脂的交联度小，毛细孔孔径就大， 反应物就容易扩散进去；交联剂用量多的，树脂的交联度大，毛细孔孔径就小，反应物就不 容易进去。因此，往往利用交联度不同的树脂，将分子量不同的化合物分开。另外，溶液里的离子浓度与树脂的交换量

8、也是影响反应物扩散进树脂内部的因素之一。 若溶液里的离子浓度比较高，而树脂的交换量又比较小时，则离子很易扩散进树脂内部进行 交换；反之，若溶液里的离子浓度较小，树脂的交换量又高，溶液里的离子不易扩散进去， 故交换反应不能进行，因而去除溶液里少量离子是困难的。应用 用于水处理的量很大，占离子交换树脂的产量的90%以上（见彩图）。图离子交换树脂（聚苯乙烯制）处理水的装置工业用水里存在钙、镁、两价和三价的铁离子，易使管道和锅炉结垢。除去这些金属离 子的过程，称为水的软化。早期水的软化是使用沸石及磺化煤，现多用聚苯乙烯磺酸型离子 交换树脂。用于原子能、半导体、电子工业、高温高压锅炉的水，要求高质量的无

9、离子水。 采用离子交换树脂混合床法可使水去离子化，即将氢型强酸树脂与羟型强碱树脂混合均匀后 放入一交换柱内，通过交换柱出来的水，仅含0.006ppm的离子性溶质（水的电阻率为1.8X107 欧厘米），此纯度相当于用石英容器重蒸馏28次所获得的水。从贫铀矿里将铀分离、浓缩、提纯和回收，分离和提纯稀土元素和贵金属，回收电镀溶液中的铬及人造丝废液中的铜等。用于医学和医药上的回收、分离和提纯，如抗生素、氨基酸及生物碱的分离提纯，用量相当大。在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、醇醛缩合、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。用于分析化学，例如水中离子浓度的分析、稀土分析、生化分离，以及月球上痕量物质的分析等。用于糖、生物制品、甘油、酒等的脱色。去除电镀废液里的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质，如苯酚及其衍生物等。用于外消旋物的拆分、固相合成，以及作为化学试剂等。本文由廊坊诚信废旧物资回收