离子交换树脂

离子交换树脂内容概况一、发展简史二、基本组成三、分类和命名四、一些离子交换树脂的制备一、发展简史1、1935年英国的Adams和Holmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂在脱盐、提取分离方面的离子交换性能工作报告。带有磺酸基和氨基的酚醛树脂实现了工业化生产，并在水的脱盐中得到应用。2、1944年D'Alelio合成了具有优良物理和化学性能的苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂。

Dow化公司的Bauman等人开发了苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂Rohn&Haas公司的Kunin等进一步研制了苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系离子交换树脂。应用范围：水的脱盐精制、药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等

3、20世纪50年代末，国内外包括我国的南开大学化学系合成了大孔型离子交换树脂。4、20世纪50年代后期，离子交换树脂在品种、性能和应用方面得到迅速的发展。

二、基本组成离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如：乙醇、丙酮和烃类溶剂。

二、基本组成聚苯乙烯型阳离子交换树脂离子交换树脂交联具有三维空间结构的网络骨架（用R表示）在骨架上连接有许多可离子化的功能基团可移动的活性离子（即可交换离子，如H+、OH-）离子交换的原理

离子交换过程是被分离组分（即被提取、被纯化的离子或分子）在水溶液与固体交换剂之间发生的一种化学计量分配过程。

当与溶液接触时，离子交换剂会与溶液中的特定离子进行交换，即离子交换树脂上的可交换离子（阳离子或阴离子）被溶液中带同种电荷的特定离子取代，而不溶性固体骨架在这一交换过程中不发生任何化学变化。

该过程一般可以用方程式表达为:R-B+A+

→

R-A+B+（R代表树脂中除可交换离子以外的其它部分，即惰性骨架与圆定基团；B为可交换离子；A+为待分离组分)。阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂H+

Na+

OH-Cl-NaCl三、分类和命名3.1离子交换树脂有多种分类方法，主要有四种：按树脂骨架分类按聚合的化学反应分类按骨架的物理结构分类按活性基团分类1-按树脂骨架分类苯乙烯型树脂：丙烯酸型树脂：环氧氯丙烷型多烯多胺型树脂酚-醛型树脂丙烯酸系树脂：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。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-按聚合的化学反应分类共聚型树脂：缩聚型树脂：以具有一个或两个以上双键的单体为原料，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：苯乙烯、丙烯酸脂类、丙烯腈等交联剂:二乙烯基苯由两个或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。例：酚醛型，环氧丙烷-多烯多胺型3-按骨架的物理结构分类凝胶型大孔型载体型不同物理结构离子交换树脂的模型

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。

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。

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。4-按活性基团分类阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸型例：R—SO3H中酸型例：R—PO(OH)2弱酸型例：R—COOH强碱型例：R3—NCl弱碱型例：R—NH2、R—NR'H、R—NR'2(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)和次甲基磺酸基团（－CH2SO3H），其电离程度大，在pH1-14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。

苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示为R—SO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为：

2R-SO3H＋Ca2+

(R—SO3)2Ca＋2H+硬水软化的原理例：(2)

弱酸型阳离子树脂

该类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pH5～14)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)。

羧酸阳离子树脂：pH＞7酚羟基树脂：pH＞9中等强度酸性的有阳离子交换树脂：磷酸基团（-PO(OH)2）次磷酸基团（-PHO(OH)）(3

强碱型阴离子树脂

这类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pH1-14范围内均可离解出OH-。它用强碱(如NaOH)进行再生。

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

弱碱型阴离子树脂

该类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。

3.2离子交换树脂的命名表1-1树脂型号中的一、二位数字的意义代号0123456分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原性骨架名称苯乙烯系丙烯酸系酚醛系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系

1977年我国化工部统一规定：离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。

第一位数字代表产品的分类；第二位数字代表不同的骨架结构，第三位数字为顺序号，用以区别基体、交联基等的差异。

凝胶型离子交换树脂：在型号后面加“×”号联接一阿拉伯数字表示交联度大孔型离子交换树脂：则在型号前面加字母“D”表示举例：

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树脂的交联度：即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数。

交联度高：聚合紧密，密度高，空隙