吸附分离功能高分子材料

吸附分离功能高分子材料第1页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附分离功能高分子主要包括：21、概述一、简介离子交换树脂离子吸附树脂第2页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂：指具有离子交换基团的高分子化合物，本质上属于反应性聚合物。离子吸附树脂：指具有特殊吸附功能的一类树脂。31、概述一、简介第3页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂：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。42、离子交换和吸附树脂的结构一、离子交换树脂的结构第4页，共68页，2023年，2月20日，星期四常见的离子交换树脂的粒径为0.3～1.0mm，一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大于或小于这一范围。

52、离子交换和吸附树脂的结构一、离子交换树脂的结构第5页，共68页，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图

6一、离子交换树脂的结构树脂由三部分组成：聚苯乙烯组成的三维空间网络骨架；第6页，共68页，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图

7一、离子交换树脂的结构树脂由三部分组成：功能基团固定在网络骨架上，不能自由移动；第7页，共68页，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图

8一、离子交换树脂的结构树脂由三部分组成：功能基团上解离出的离子能自由移动，并与周围的其他离子互相交换，称可交换离子。第8页，共68页，2023年，2月20日，星期四如强酸型阳离子交换树脂：功能基团是SO3-H+，它可解离出H+，而H+可与周围的外来离子互相交换，通过改变浓度差、利用亲和力差别等，使可交换离子与其他同类型离子进行反复的交换，达到浓缩、分离、提纯、净化等目的。9一、离子交换树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第9页，共68页，2023年，2月20日，星期四阳离子交换树脂：能解离出阳离子、并能与外来阳离子进行交换的树脂；阴离子交换树脂：能解离出阴离子、并能与外来阴离子进行交换的树脂。10一、离子交换树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第10页，共68页，2023年，2月20日，星期四从无机化学的角度看，可以认为阳离子交换树脂相当于高分子多元酸，阴离子交换树脂相当于高分子多元碱。离子交换树脂除了离子交换功能外，还具有吸附等其他功能，这与无机酸碱是截然不同的。11一、离子交换树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第11页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附树脂：一般直径为0.3～1.0mm的小圆球，表面光滑，根据品种和性能的不同可为乳白色、浅黄色或深褐色。粒径均一的吸附树脂在生产中尚难以做到，故目前吸附树脂一般具有较宽的粒径分布。12二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第12页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附树脂的颗粒大小对性能影响很大：粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难，并且容易流失。13二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第13页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附树脂手感坚硬，有较高的强度，密度略大于水，在有机溶剂中有一定溶胀性，但干燥后重新收缩，而且往往溶胀越大时，干燥后收缩越厉害。14二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第14页，共68页，2023年，2月20日，星期四使用中为了避免吸附树脂过度溶胀，常采用对吸附树脂溶胀性较小的乙醇、甲醇等进行置换，再过渡到水。吸附树脂必须在含水的条件下保存，以免树脂收缩而使孔径变小，因此吸附树脂一般都是含水出售的。15二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第15页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附树脂内部结构很复杂，从SEM可观察到，树脂内部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小约在0.06～0.5μm范围内，葡萄珠之间存在许多空隙，这实际上就是树脂的孔。16二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第16页，共68页，2023年，2月20日，星期四研究表明葡萄球内部还有许多微孔，正是这种多孔结构赋予树脂优良的吸附性能，因此孔径结构是吸附树脂制备和性能研究中的关键技术。17二、吸附树脂的结构2、离子交换和吸附树脂的结构第17页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。（1）按交换基团的性质分类按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。18一、离子交换树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第18页，共68页，2023年，2月20日，星期四阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和弱酸型三种。如R-SO3H为强酸型，R-PO(OH)2为中酸型，R-COOH为弱酸型，习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。19一、离子交换树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第19页，共68页，2023年，2月20日，星期四阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种，如R3-NCl为强碱型，R-NH2、R-NR’H和R-NR’2为弱碱型。20一、离子交换树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第20页，共68页，2023年，2月20日，星期四（2）按树脂的物理结构分类按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和载体型三类。21不同物理结构离子交换树脂的模型一、离子交换树脂的分类第21页，共68页，2023年，2月20日，星期四1）凝胶型离子交换树脂凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂，这类树脂表面光滑，无水状态下球粒内部没有大的毛细孔。223、离子交换和吸附树脂的分类一、离子交换树脂的分类第22页，共68页，2023年，2月20日，星期四1）凝胶型离子交换树脂在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链间的隙孔，大分子链之间的间隙约为2～4nm。一般无机小分子的半径在1nm以下，因此可自由通过离子交换树脂内大分子链的间隙。233、离子交换和吸附树脂的分类一、离子交换树脂的分类第23页，共68页，2023年，2月20日，星期四1）凝胶型离子交换树脂在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过，所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。24一、离子交换树脂的分类第24页，共68页，2023年，2月20日，星期四2）大孔型离子交换树脂针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树脂，其外观不透明，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。25一、离子交换树脂的分类第25页，共68页，2023年，2月20日，星期四2）大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米，因此其吸附功能十分显著。26一、离子交换树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第26页，共68页，2023年，2月20日，星期四3）载体型离子交换树脂载体型离子交换树脂是一种特殊用途树脂，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。27一、离子交换树脂的分类第27页，共68页，2023年，2月20日，星期四吸附树脂有许多品种，吸附能力和所吸附物质的种类也有区别，但其共同之处是具有多孔性，并具有较大的表面积，吸附树脂目前尚无统一的分类方法，通常按其化学结构分为以下几类：28二、吸附树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第28页，共68页，2023年，2月20日，星期四（1）非极性吸附树脂指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正负电荷相对集中的极性基团的树脂，代表性产品为由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。29二、吸附树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第29页，共68页，2023年，2月20日，星期四（1）非极性吸附树脂指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正负电荷相对集中的极性基团的树脂，代表性产品为由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。30二、吸附树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第30页，共68页，2023年，2月20日，星期四（2）中极性吸附树脂这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树脂具有一定的极性。31二、吸附树脂的分类3、离子交换和吸附树脂的分类第31页，共68页，2023年，2月20日，星期四（3）极性吸附树脂分子结构中含有酰胺基、亚砜基、腈基等极性基团，这些基团的极性大于酯基。（4）强极性吸附树脂强极性吸附树脂含有极性很强的基团，如吡啶、氨基等。32二、吸附树脂的分类第32页，共68页，2023年，2月20日，星期四凝胶型离子交换树脂的制备过程主要包括两部分：合成一种三维网状结构的大分子连接上离子交换基团。334、离子交换树脂的制备方法一、凝胶型离子交换树脂第33页，共68页，2023年，2月20日，星期四具体方法：可先合成网状结构大分子，然后使之溶胀，通过化学反应将交换基团连接到大分子上；也可先将交换基团连接到单体上，或直接采用带有交换基团的单体聚合成网状结构大分子的方法。34一、凝胶型离子交换树脂第34页，共68页，2023年，2月20日，星期四强酸型阳离子交换树脂绝大多数为聚苯乙烯系骨架，通常采用悬浮聚合法合成树脂，由上述反应获得的球状共聚物称为“白球”。将白球洗净干燥后，然后即可进行连接交换基团的磺化反应。354、离子交换树脂的制备方法二、强酸型阳离子交换树脂的制备第35页，共68页，2023年，2月20日，星期四将干燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有机溶剂溶胀，然后用浓硫酸或氯磺酸等磺化，通常称磺化后的球状共聚物为“黄球”。36二、强酸型阳离子交换树脂的制备第36页，共68页，2023年，2月20日，星期四含有－SO3H交换基团的离子交换树脂称为氢型阳离子交换树脂，其中H+为可自由活动的离子，由于它们的贮存稳定性不好，且有较强的腐蚀性，因此常将它们与NaOH反应而转化为Na型离子交换树脂，Na型树脂有较好的贮存稳定性。37二、强酸型阳离子交换树脂的制备4、离子交换树脂的制备方法第37页，共68页，2023年，2月20日，星期四弱酸型阳离子交换树脂大多为聚丙烯酸系骨架，因此可用带有功能基的单体直接聚合而成。38其中，－COOH即为交换基团。4、离子交换树脂的制备方法三、弱酸型阳离子交换树脂的制备第38页，共68页，2023年，2月20日，星期四丙烯酸的水溶性较大，聚合不易进行，故常采用其酯类单体进行聚合后，再进行水解的方法来制备。39三、弱酸型阳离子交换树脂的制备第39页，共68页，2023年，2月20日，星期四强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子交换基团，以聚苯乙烯作骨架。制备方法是：将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应。404、离子交换树脂的制备方法四、强碱型阴离子交换树脂的制备第40页，共68页，2023年，2月20日，星期四41所得的中间产品通常称为“氯球”。四、强碱型阴离子交换树脂的制备苯环可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，与氯甲醚氯甲基化。第41页，共68页，2023年，2月20日，星期四42用氯球可十分容易地进行胺基化反应。四、强碱型阴离子交换树脂的制备第42页，共68页，2023年，2月20日，星期四Ⅰ型与Ⅱ型季胺类强碱树脂的性质略有不同。Ⅰ型的碱性很强，对OH－离子的亲合力小，当用NaOH再生时，效率很低，但其耐氧化性和热稳定性较好。43四、强碱型阴离子交换树脂的制备4、离子交换树脂的制备方法第43页，共68页，2023年，2月20日，星期四Ⅱ型引入了带羟基的烷基，利用羟基吸电子的特性，降低了胺基的碱性，再生效率提高，但其耐氧化性和热稳定性相对较差。由于氯甲基化毒性很大，故树脂的生产过程中的劳动保护是一重大问题。44四、强碱型阴离子交换树脂的制备第44页，共68页，2023年，2月20日，星期四用氯球与伯胺、仲胺或叔胺类化合物进行胺化反应，可得弱碱离子交换树脂。但由于制备氯球过程的毒性较大，现在生产中已较少采用这种方法。利用羧酸类基团与胺类化合物进行酰胺化反应，可制得含酰胺基团的弱碱型阴离子交换树脂。45五、弱碱型阴离子交换树脂的制备第45页，共68页，2023年，2月20日，星期四46例如将交联的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯中溶胀，然后在130～150℃下与多乙烯多胺反应，形成多胺树脂，再用甲醛或甲酸进行甲基化反应，可获得性能良好的叔胺树脂。第46页，共68页，2023年，2月20日，星期四水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等，水处理是离子交换树脂最基本的用途之一。475、离子交换树脂的应用一、水处理第47页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换是冶金工业的重要单元操作之一，在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。485、离子交换和吸附树脂的应用二、冶金工业第48页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂还可用于选矿，在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆中水的离子组成，使浮选剂更有利于吸附所需要的金属，提高浮选剂的选择性和选矿效率。495、离子交换和吸附树脂的应用二、冶金工业第49页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。505、离子交换和吸附树脂的应用三、原子能工业第50页，共68页，2023年，2月20日，星期四利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的。515、离子交换和吸附树脂的应用四、海洋资源利用第51页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂在化学实验、化工生产上已经和蒸馏、结晶、萃取和过滤一样，成为重要的单元操作，普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯，浓缩和回收等。525、离子交换和吸附树脂的应用五、化学工业第52页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂用作化学反应催化剂，可大大提高催化效率，简化后处理操作，避免设备的腐蚀。强酸型阳离子交换树脂能强烈吸水，可用作干燥剂，吸收有机溶剂或气体中的水分。535、离子交换和吸附树脂的应用五、化学工业第53页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂的功能基团接枝上作为试剂的基团后，可以当作有机合成的试剂，成为高分子试剂，用来制备许多新的化合物，这种合成方法具有控制及分离容易、副产物少、纯度高等特点。目前在有机化合物的酰化、过氧化、大环化合物的合成、肽链的增长、不对称碳化合物的合成、羟基的氧化等方面都已取得显著的效果。54五、化学工业第54页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂在制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用。特别在酒类生产中，利用离子交换树脂改进水质、进行酒的脱色、去浑、去除酒中的酒石酸、水杨酸等杂质，提高酒的质量。55六、食品工业5、离子交换和吸附树脂的应用第55页，共68页，2023年，2月20日，星期四酒类经过离子交换树脂的去铜、锰、铁等离子，可以增加贮存稳定性。经处理后的酒，香味纯，透明度好，稳定性可靠，是各种酒类生产中不可缺少的一项工艺步骤。56六、食品工业5、离子交换和吸附树脂的应用第56页，共68页，2023年，2月20日，星期四用离子交换树脂可调节乳品的组成，增加乳液的稳定性，延长存放时间。此外，用离子交换树脂来调节牛奶中钙的含量，除去乳品中离子性杂质，如锶(Sr)、碘(I2)等污染物，均是很成功的。575、离子交换和吸附树脂的应用六、食品工业第57页，共68页，2023年，2月20日，星期四在味精生产中，利用离子交换树脂对谷氨酸的选择性吸附，可除去产品中的杂质和对产品进行脱色，这一方法在国内亦已大规模地使用。585、离子交换和吸附树脂的应用六、食品工业第58页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱色、中和及中草药有效成分的提取等。59七、医药卫生5、离子交换和吸附树脂的应用第59页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂本身可作为药剂内服，具有解毒、缓泻、去酸等功效，可用于治疗胃溃疡、促进食欲、去除肠道放射物质等。对于外敷药剂，用离子交换树脂粉末可配制软膏、粉剂及婴儿护肤用品，用以吸除伤口毒物和作为解毒药剂。60七、医药卫生第60页，共68页，2023年，2月20日，星期四将各种药物吸附在离子交换树脂上，可有效地控制药物释放速率，延长药效，减少服药次数。利用离子交换树脂吸水后体积迅速膨胀的特点，将其与药剂混合制成药片，服后可迅速胀大崩解，更快更好地发挥药物的作用。615、离子交换和吸附树脂的应用七、医药卫生第61页，共68页，2023年，2月20日，星期四离子交换树脂还是医疗诊断、药物分析检定的重要药