高分子化学实验报告

PAGEPAGE12摘要离子交换法是液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.5~1.0mm，其离子交换能力依其交换能力特征可分：（1）强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。（2）弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基），此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+，对于强碱中的离子如Na+、K+等无法进行交换。阳离子交换树脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。例如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＋关键词：阳离子交换树脂酸性基团金属离子氢离子磺化树脂母体ABSTRACTIonexchangeprocessisareversiblechemicalreactionbetweentheliquidphaseandsolidphase,whensomeoftheionispreferedbytheionexchangesolid,willbeabsorbedbytheionexchangesolid.Inordertomaintaintheelectricneutralityofwatersolution,soionexchangesolidmustreleasetheequalionbacktosolution.Ionexchangeresingenerallypresentsasmultipleholesorparticleshape,itssizeisabout0.5~1.0mm,theionexchangecapacitycanbedividedinto2partsbyitsexchangecapacitycharacteristics:（1）Strong-acidcationexchangeresin:mainlycontainsstrongacidreactionmediumsuchassulfonicacidgroup(-SO3H),thisionexchangeresincanexchangeallcations.（2）Weak-acidcationexchangeresin:havingaweakerreactionmediumsuchascarboxyl(-COOH),thisionexchangeresincanonlyexchangecationsinthealkalisuchasCa2+,Mg2+,forthoseinstrongalkalisuchasNa+,K+cannotexchanged.Mostofcationexchangeresincontainingsulfonicacid(-SO3H),carboxyl(-COOH)oraphenol-based(-C6H4OH)andotheracidicgroups,whichhydrogenionscanexchangewithmetalionsinsolutionorothercation.Suchasstyreneandthestrongacidcationexchangeresinobtainedbydivinylbenzenepolymerthroughthesulfonation,anditsstructurecanbesimplyexpressedasR-SO3H,whereRrepresentstheresinmatrix,theprincipleoftheexchangeis:2R—SO3H＋Ca2＋=（R—SO3）2Ca＋2H＋KEYWORDS:Cationexchangeresin,Acidicgroups,Metalions,Hydrogenion,Sulfonatedresinmatrix前言离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物．离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。这种交换是等当量进行的。如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。活性基团决定着树脂的主要交换性能。1.1阳离子离子交换树脂的理化性质物理性质外观：(1)颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，依其组成不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其他也有黑色和赤褐色的。(2)形状。离子交换树脂一般呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达到90%以上。粒度：树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利的。这首先是因为小颗粒堵塞了大颗粒间的孔隙，水流不匀和阻力增大；其次，在反洗时流速过大会冲走小颗粒树脂，而流速过小，又不能松动大颗粒。用于水处理的树脂颗粒粒径一般为0.1～1mm。密度：（1）干真密度：即在干燥状态下树脂本身的密度；（2）湿真密度：是指树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒的密度：（3）湿视密度.是指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度，湿式密度用来计算交换器中装载时所需湿树脂的质量。含水率：是指它在潮湿空气中所保持的水量，它可以反映交联度和网眼中的孔隙率。树脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，交联度愈小。溶胀性：当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变大,这种现象称为溶胀。一般，强酸性阳离子交换树脂由Na转变成H型，强碱性阴离子交换树脂由Cl型转变成OH型，其体积均增加约5%。由于离子交换树脂具有这样的性能，因而在其交换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂。化学性质离子交换反应的可逆性：离子交换反应是可逆的，例如当以有硬度的水通过H型离子交换树脂时，其反就如下式：2RH＋Ca2＋=R2Ca＋2H＋当反应进行到失效后，为了恢复离子交换树脂的交换能力，就可以利用离子交换反应的可逆性，用硫酸或盐酸溶液通过此失效的离子交换树脂，以恢复其交换能力，其反应如下：R2Ca＋2H＋=2RH＋Ca2＋这两种反应，实质上就是可逆反应式化学平衡的移动。当水中Ca2＋和H型离子交换树脂多时，反应正向进行，反之，则逆向进行。2RH＋Ca2＋=R2Ca＋2H＋离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。酸、碱性：H型阳离子交换树脂和OH型阴离子交换树脂的性能与电解质酸、碱相同，在水中有电离出H＋和OH－的能力。因此，根据此能力的大小可以有强弱之分。强酸性H型交换树脂在水中电离出H＋的能力较大，所以它很容易和水中其他各种阳离子进行交换反应；而弱酸性H型交换树脂在水中电离出的H＋能力较小，故当水中有一定量的H＋时，就显示不出交换反应。强碱性和弱碱性阴离子交换树脂的情况与此相似。离子交换树脂的选择性：离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸着，但吸着后要把它置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。选择性会影响到离子交换树脂的交换和再生过程，故在实际应用中是一个很重要的问题。影响离子交换树脂选择性的因素很多，例如交换离子的种类、树脂的本质、溶液的浓度等。离子交换的选择性实际上是离子交换平衡的一种表现。交换容量：离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少。(1)全交换容量：此指标表示离子交换树脂中所有活性基团的总量，即将树脂中所有活性基团全部再生成某种可交换的离子，然后测定其全部交换下来的量。对于同一种离子交换树脂来说，它是常数。(2)工作交换容量：工作交换容量是在交换柱中，模拟水处理实际运行条件下测得的交换容量，就是把离子交换树脂放在动态交换柱中，通过需要处理的水，直到滤出液中有要交换的离子漏出为止所发挥出的交换容量，称为工作交换容量。(3)平衡交换容量：离子交换树脂完全再生后，求它和一定组成的水溶液作用到平衡状态时的交换容量，称为平衡交换容量。此指标表示在某种给定溶液中离子交换树脂的最大交换容量。它不是常数，只与平衡的溶液组成有关。1.2主要生产方法原理：(1)强酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)。它们都是强酸性基团，电离程度大且不受溶液pH变化的影响，在pH1～14范围内均能进行离子交换反应，以磺酸型树脂与NaCl作用为例，交换反应为：RSO3H＋NaCl=RSO3Na＋HCI此外，以磷酸基团-PO(OH)2和次磷酸基团-PO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。(2)弱酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有羧基-COOH，酚羟基-OH等，它们的电离程度小，交换性能受溶液pH的影响很大，其交换能力随溶液pH的增加而提高。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应、对于羧基树脂，应该在pH>7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，应使溶液的pH＞9。和强酸树脂不同，弱酸树脂和氢离子结合能力很强，故再生成氢型较容易，耗酸量少。主要的用于工业生产的大型离子交换设备有：常用离子交换罐、反吸附离子交换罐、混合床交换罐。1.3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，产生葡萄糖与果糖，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，由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基铅。（5）环境保护离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。（6）湿法冶金及其他离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。实验过程2.1实验药品及仪器药品：（1）聚乙烯醇(分析醇)

生产厂家：沈阳新西试剂厂

（2）过氧化苯甲酰（BPO）

生产厂家：沈阳东兴试剂厂

（3）苯乙烯（化学醇）

生产厂家：国药集团化学试剂有限公司

纯度：质量分数≥99%仪器：（1）JJ-1精密定时电动搅拌器

制造商：江苏省金坛市荣华仪器有限公司

型号：JJ-1（2）恒温水浴锅

制造商：江苏省金坛市荣华仪器有限公司

型号：HH-12.2实验步骤（1）组装好仪器，向三口瓶中添加90ml水和1gPVA，启动搅拌器和恒温水浴锅，水温加热到90℃。（2）过大概1h，将水温降至80℃后，向三口瓶中加0.5gBPO和20ml苯乙烯，进行反应过大概1h-3h。（3）3h后从三口瓶中取样，手触若有硬化的感觉，则升温至90-95℃，持续1h后反应结束。（4）取出反应产品，进行烘干处理，最后称量。整个实验的反应方程式如下：白球的制备：磺化：2.3原始记录结果与讨论实验中得到的聚苯乙烯产物质量m=14.3g查得20℃时苯乙烯的密度ρ=0.911g/ml,故初始苯乙烯的质量m0=0.911×20=18.22g所以聚苯乙烯的产率η=14.3/18.22×100%=78.5%离子交换树脂根据需要，可以制成粉状，不规则的颗粒或球状。但在化学水处理中使用的离子交换树脂是球状的。由于球状树脂制造简单，在采用悬浮聚合时，可以直接制成球形。在体积相同的情况下，球状树脂的表面积最大，有利于提高交换能力。球状树脂充填性好，阻力较均匀，使树脂层各处的流量较均匀；而且水通过球状树脂层压力损失小，树脂的磨损也小。树脂成球状的质量分数通常用圆球率表示，一般要求圆球率在90%以上。树脂粒度的大小，对水处理工艺有较大的影响，树脂颗粒过大，则使交换速度减慢；树脂颗粒过小，又会使水通过树脂层的压力损失增大。树脂的粒度应均匀，否则由于小颗粒树脂堵塞了大颗粒间的孔隙，会使水流不均和阻力增大。另外，树脂粒度不均匀也使反洗操作不易控制；反洗流速过大会冲掉小颗粒树脂；而反洗流速过小，又不能松动大颗粒树脂，使反洗效果变差。一般水处理使用的树脂粒度以20～40目为宜，也就是0.3～1.2mm。在高流速装置中要求粒度范围更窄，约0.45～0.65mm，这可使流体阻力更小，同时树脂球粒的耐压强度较一致。注意事项：（1）在本反应过程中若体系中出现粘稠现象则应立即加大转速，防止交联现象的出现。（2）离子交换树脂含有一定水份，不宜露天存放，储运过程中应保持湿润，以免风干脱水，使树脂破碎，如贮存过程中树脂脱水了，应先用浓食盐水（10%）浸泡，再逐渐稀释，不得直接放入水中，以免树脂急剧膨胀而破碎。（3）冬季储运使用中，应保持在5-40℃的温度环境中，避免过冷或过热，影响质量，若冬季没有保温设备时，可将树脂贮存在食盐水中，食盐水浓度可根据气温而定。（4）离子交换树脂的工业产品中，常含有少量低聚合物和未参加反应的单体，还含有铁、铅、铜等无机杂质，当树脂与水、酸、碱或其它溶液接触时，上述物质就会转入溶液中，影响出水质量，因此，新树脂在使用前必须进行预处理，一般先用水使树脂充分膨胀，然后，对其中的无机杂质（主要是铁的化合物）可用4-5%的稀盐酸除去，有机杂质可用2-4%稀氢氧化钠溶液除去，洗到近中性即可。如在医药制备中使用，须用乙醇浸泡处理。（5）树脂在使用中，防止与金属（如铁、铜等）油污、有机分子微生物、强氧化剂等接触，免使离子交换能力降低，甚至失去功能，因此，须根据情况对树脂进行不定期的