高吸水性高分子材料

高吸水性高分子材料具有选择分离功能的高分子材料

第2页,共112页，2024年2月25日，星期天1、高吸水性高分子材料；2、离子交换树脂第3页,共112页，2024年2月25日，星期天功能高分子材料：指在高分子链上接上带有某种功能的宫能团，使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。几种功能高分子材料的应用:（1）高吸水性材料—亲水性高聚物（分子链带有许多亲水原子团）旱地种植、改良土壤、改造沙漠、尿不湿等第4页,共112页，2024年2月25日，星期天第5页,共112页，2024年2月25日，星期天强吸水能力的功能高分子材料：如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。

保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，反复吸水、释水——“微型水库”。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。第6页,共112页，2024年2月25日，星期天第7页,共112页，2024年2月25日，星期天聚丙烯腈水解物

将聚丙烯腈用碱性化合物水解，再经交联剂交联，即得高吸水性树脂。如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即为此类。由于氰基的水解不易彻底，产品中亲水基团含量较低，故这类产品的吸水倍率不太高，一般在500～1000倍左右。高吸水性树脂第8页,共112页，2024年2月25日，星期天《时代周刊》评出20世纪最伟大的

100项发明，其中“尿不湿”榜上有名

为什么“尿不湿”能评为20世纪最伟大的100项发明呢?最初是为谁专门设计的呢？第9页,共112页，2024年2月25日，星期天

美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人唐鑫源成为“尿不湿”的发明人，后来他被誉为美国“太空服之父”。美国从1959起甄选的7位宇航员合影太空服之父——唐鑫源第10页,共112页，2024年2月25日，星期天“神舟”系列上天的航天员都使用了“尿不湿”航天员专用“尿不湿”1克能吸收约1000克水，吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿”第11页,共112页，2024年2月25日，星期天

“尿不湿”是航天产品“下凡”的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿”出门溜达，以保护公共卫生。资料显示：1987年，英国一次性尿布销售利润达2亿英镑。设想一下我们中国这样一个人口大国，利润有多么惊人！

第12页,共112页，2024年2月25日，星期天吸水前吸水后尿不湿吸水前后的变化第13页,共112页，2024年2月25日，星期天你了解“尿不湿”的材料吗？它应该有什么性能？“尿不湿”起作用的物质是一种功能高分子材料，具有很强的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠)聚丙烯酸钠如何合成？CH2=CHCOOHCH2=CHCOONa加交联剂得网状结构第14页,共112页，2024年2月25日，星期天吸水机理基于高分子电解质的离子网络理论：在高分子电解质的立体网络构造的分子间，存在可移动的离子对，由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的可移动离子浓度，在高吸水性树脂的内侧比外侧高，即产生渗透压。渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力，产生了异常的吸水现象。第15页,共112页，2024年2月25日，星期天实例：含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触水时是固态网络，与水接触后亲水基与水作用，水渗入树脂内部，羧酸基解离成羧酸根和Na+,羧酸根不能往水中扩散，Na+也不能自由渗入水中，这样网络内外有渗透压，使水分子渗入网络内。

这样高分子链间出现纯溶剂区，部分Na+,向纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷，静电斥力使高分子网束扩展，大量水分子封存在高分子网内，因为受网络结构束缚，水分子运动受到限制，阻挡失水。第16页,共112页，2024年2月25日，星期天

高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。吸水前吸水后第17页,共112页，2024年2月25日，星期天吸水性高分子高吸水性树脂的结构特征：

a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；

b.树脂具有交联结构；

c.聚合物内部具有较高的离子浓度；

d.聚合物具有较高的分子量。第18页,共112页，2024年2月25日，星期天高吸水性树脂的基本特征1、吸水性：吸水量为其重量的500-1000倍，最大可达到5300倍。交联度很重要：未交联的聚合物是水溶性的无吸水性，如果交联度过大，网络空间减小，会降低吸水能力。2、保水性：高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状，高分子网络被扩展而具有一定的弹性，在加压下也挤不出水来，而且吸水性树脂可与环境水份保持平衡。第19页,共112页，2024年2月25日，星期天3、吸水状态的凝胶强度树脂具有一定的交联密度，故凝胶强度高，不易破碎。4、吸氨性高分子树脂是含羧基的阴离子聚合物，由于部分羧基被中和，部分呈酸性，故可吸氨，具有除臭作用。第20页,共112页，2024年2月25日，星期天纤维素的结构简式传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？发现其每个链节上都有—OH，它是一种亲水基第21页,共112页，2024年2月25日，星期天第22页,共112页，2024年2月25日，星期天

上世纪70年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点：吸收相当于自重80%水，才变得柔软、透气、舒适、戴时长

制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯（CH2=CHCOOCH2CH2OH）第23页,共112页，2024年2月25日，星期天高吸水性树脂的应用开发（1）农业应用方面a.土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性，因而可用作土壤保水剂。在天旱、水土流失严重的土壤中添加少量此类树脂，即能改善土壤的湿度及透气性，现已在阿拉伯沙漠中应用。第24页,共112页，2024年2月25日，星期天b.植物幼苗移植用保水剂。将移植树苗的根部在含1％高吸水性树脂的凝胶中处理后，大大延长了移植保存期，并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬菜等其它农作物幼苗移植成活率，如烟草在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成活率30％左右。目前在国外市场上已有专供植树用的保水剂出售。第25页,共112页，2024年2月25日，星期天c.提高种子发芽率。高吸水性树脂可用于保护蔬菜、大豆、小麦、玉米等种子所需要的水分，提高发芽率5～10％，增产5～30％。如将树脂与草籽拌种，会大大提高飞机插种植草的成活率。第26页,共112页，2024年2月25日，星期天d.果、蔬保鲜剂。水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜，用于包装水果、蔬菜，可在一定程度上调节局部体系的气氛、湿度，从而有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢，保鲜效果很好。第27页,共112页，2024年2月25日，星期天（2）工业应用方面a.涂料添加剂。由于高吸水性树脂具有平衡水分的功能，在高湿度下能吸收水分，在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂料涂覆于无纺布上，用于内墙装饰防止结露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上可作为防潮剂。第28页,共112页，2024年2月25日，星期天b.工业脱水剂。高吸水性树脂对有机物的吸收能力较差，因而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物质中的水分，效果很好。第29页,共112页，2024年2月25日，星期天c.建筑工程中的应用。在许多建筑工程和地下工程中，高吸水性树脂的应用越来越受到重视。例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水剂；与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等配合可作水密封剂；还可用作水泥养护剂，在水泥中加入少量高吸水性树脂，可吸收保持大量水分并缓慢放出，保证了水泥内部水化完全、均匀，水泥制件强度高。第30页,共112页，2024年2月25日，星期天（3）医用材料方面把高吸水性树脂添加于纸或纤维中，制作可吸收液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。其制作方法是：把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上，上面放上吸收纸做成夹层，在水汽中润湿后再用压纹法将树脂固定在纸上，通过一次或数次工艺即可制得具有超级吸水能力的产品，含0.4g吸水树脂的这种纸制品（总重量5.5g）可吸收121g水，吸尿能力为40～50g。第31页,共112页，2024年2月25日，星期天高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水凝胶用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡病特别有效，感染少，焦痂少。吸收树脂凝胶还可抑制血浆蛋白质和血小板的粘着，因而可作抗血栓材料。用高吸水性树脂制成人工肾过滤材料，可以调节血液中水分含量。将树脂添加于药物中可改善在人体内的释放速度，从而大大提高药效。第32页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂第33页,共112页，2024年2月25日，星期天物质的分离是化学、化工的一个重要课题。化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤和蒸馏等，然而具有高层次的分离则难以达到精度。具有选择分离功能的高分子材料的出现则有效地解决了以上的问题。第34页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂在100多年前英国人Thompson和Way就发现了土壤中的离子交换过程，从而引起人们极大的注意。1935年Adams和Holmes研究合成了具有离子交换功能的高分子材料――酚醛型离子交换树脂，后来各种类型的离子交换树脂相继出现，应用技术不断改善，应用范围也日益扩大。现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功能高分子材料。第35页,共112页，2024年2月25日，星期天

离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有H+离子结构，能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂，含有OH-离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交换树脂。它们主要用于水的处理。离子交换膜还可以用于饮用水处理、海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜。离子交换树脂第36页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂第37页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂的分类离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分子材料。在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，这些化学基团由两种带有相反电荷的离子组成，一种是以化学键结合在主链上的固定离子；另一种是以离子键与固定离子相结合的反离子。第38页,共112页，2024年2月25日，星期天反离子可以被离解成为能自由移动的离子，并在一定条件下可与周围的其它同类型离子进行交换。离子交换反应一般是可逆的，在一定条件下被交换上的离子可以解吸，使离子交换树脂再生，因而可反复利用。第39页,共112页，2024年2月25日，星期天目前使用的离子交换树脂绝大多数是以苯乙烯－二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二乙烯苯起了交联剂的作用。树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，保证它在受热或介质中正常工作。离子交换树脂的交联度通常以交联剂在整个单体中的百分含量来表示。第40页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一,根据离子交换树脂交换基团的性质进行划分：阳离子交换树脂：带有酸性基团（即可解离的反离子是H＋或金属阳离子）能与阳离子进行交换反应；阴离子交换树脂：带有碱性基团（即可解离的反离子是OH－或其它酸根离子）能与阴离子进行交换反应。第41页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂实际上是不溶、不熔的高分子酸、碱或盐，根据解离程度的不同，它们中又有:强酸性弱酸性强碱性弱碱性第42页,共112页，2024年2月25日，星期天通常可将离子交换树脂的种类分类于下：

第43页,共112页，2024年2月25日，星期天1）强酸性阳离子交换树脂这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（－SO3H），如以R代表高分子骨架，这种树脂可用R－SO3H来表示，它在水溶液中可如下式解离：R－SO3H

R－SO3－＋H＋例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结构式为：第44页,共112页，2024年2月25日，星期天其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、中性甚至酸性溶液中都能解离。第45页,共112页，2024年2月25日，星期天2）弱酸性阳离子交换树脂带有羧酸基（－COOH）、磷酸基（－PO3H2）、酚基的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂，其中以含羧酸基的树脂用途最广。这些功能基酸性弱，因而只能在中性或碱性溶液中才能解离而显示离子交换功能，其解离反应用下式表示：R－COOH

R－COO－＋H＋第46页,共112页，2024年2月25日，星期天3）强碱性阴离子交换树脂交换基团为季胺基（－NR3OH）的离子交换树脂属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解离为R－N＋R’3O-H

R－N＋R’3+OH-在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲基胺[－N（CH3）3]的称作Ⅰ型树脂，把带二甲基乙醇基胺[－(CH3)2C2H4OH]的称作Ⅱ型树脂。其结构式分别是：第47页,共112页，2024年2月25日，星期天---CH2---CH---CH2---CH---C6H4C6H4-CH2-CH-CH2－N（CH3）3ClⅠ型树脂第48页,共112页，2024年2月25日，星期天---CH2---CH---CH2---CH---C6H4C6H4-CH2-CH-CH2－NC(CH3）2ClCH2CH2OHⅡ型树脂这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚至碱性溶液中进行离子交换反应。第49页,共112页，2024年2月25日，星期天4）弱碱性阴离子交换树脂这类树脂的交换基团是伯胺（－NH2）、仲胺（－NHR’）或叔胺（－NR’2）。它们在水中解离程度较小，只能在中性及酸性溶液中进行离子交换反应。它的解离反应如下式：RNH2+H2O

RN-H3+OH-第50页,共112页，2024年2月25日，星期天5）其它离子交换树脂a.螯合树脂在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作螯合离子交换树脂。它对特定离子具有特殊的选择能力。目前真正商品化的螯合树脂还不太多，其中主要是亚胺羧酸类树脂。第51页,共112页，2024年2月25日，星期天特点：对铜离子的选择吸附性强。其它如肟类树脂对Ni2－等金属离子有特殊的选择性；氨基磷酸树脂则对Ca2+、Mg2+选择性很高；各种多胺类弱碱性离子交换树脂也可与铜、锌等许多金属离子络合，因此也可作为螯合树脂使用。第52页,共112页，2024年2月25日，星期天b.两性树脂将阳离子交换基团和阴离子交换基团连接在同一高分子骨架上就构成两性树脂。第53页,共112页，2024年2月25日，星期天两性树脂中最有意思的是“蛇笼树脂”（Snake-cageresin）。“蛇笼树脂”是在同一树脂颗粒中包含各带有阴、阳两种离子交换树脂的两种聚合物，一种是交联的阴树脂（或阳树脂）为“笼”，另一种是线型的阳树脂（或阴树脂）为“蛇”，其分子结构恰似笼中之蛇而得名。第54页,共112页，2024年2月25日，星期天这种树脂的两种交换基团可以互相接近，几乎相互吸引中和。与普通的两性树脂不同，“蛇笼树脂”是将两种性质相反的阴、阳离子交换功能基以共价键连接在同一高分子骨架上。在处理盐溶液时，“蛇笼树脂”可以吸附与交换基团相反电荷的离子，使溶液脱盐，使用后只需用大量水洗即可恢复交换能力。第55页,共112页，2024年2月25日，星期天c.热再生树脂。具有特殊结构的弱酸性和弱碱性离子交换树脂的复合物。它在室温下能交换、吸附NaCl等盐类，交换后用热水而勿需用酸、碱即可使其再生。第56页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂还可根据物理结构划分为凝胶型、大孔型及载体型三类树脂。（1）凝胶型离子交换树脂。外观透明的均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型树脂。这类树脂的球粒内设有毛细孔，离子交换反应是离子透过被交联的大分子链间距离扩散到交换基团附近进行的。第57页,共112页，2024年2月25日，星期天由于大分子链间距离决定于交联程度，因此离子交换树脂合成时交联剂的用量对树脂性能影响很大。这种树脂只能在水中的溶胀状态下使用。第58页,共112页，2024年2月25日，星期天（2）大孔型离子交换树脂在树脂球粒内部具有毛细孔结构的离子交换树脂统称大孔型树脂。因为毛细孔道的存在，树脂球粒是非均相凝胶结构。这类树脂的毛细孔体积一般为0.5ml（孔）/g（树脂）左右，也有更大的，比表面积从几到几百m2/g，毛细孔径比分子间距离大得多，根据树脂合成条件不同，孔径可为几nm到上千nm。由于这样的孔结构，使其适宜于交换吸附分子尺寸较大的物质及在非水溶液中使用。第59页,共112页，2024年2月25日，星期天（3）载体型离子交换树脂将硅胶球或玻璃等非活性材料作为载体核心，在表面覆盖一薄层离子交换树脂构成的。它能承受较高的压力，因而能做为液相色谱及离子色谱固定相用树脂。第60页,共112页，2024年2月25日，星期天1.2离子交换树脂的性能1）物理性能a.外观：离子交换树脂的形状、颜色随种类、制备方法及用途有很大差别，但一般都制成粒径为0.4－0.8mm的胶状球粒，以增大表面积，提高强度，减少使用中对流体的阻力。第61页,共112页，2024年2月25日，星期天b.稳定性化学稳定性：离子交换树脂一般对酸的稳定性较高，耐碱性稍差。阴离子交换树脂对碱都不很稳定，交联度低的树脂长期放在强碱中容易破裂溶解，所以通常都以比较稳定的氯型贮存树脂。阳离子交换树脂也有类似情况。第62页,共112页，2024年2月25日，星期天各种树脂耐氧化性能差别很大，其中聚苯乙烯树脂耐氧化性能较好。一般地说，交联度越高耐氧化性越好。孔结构对离子交换树脂化学稳定性也有影响。大孔型树脂耐酸、碱及耐氧化性能均比凝胶型树脂强。第63页,共112页，2024年2月25日，星期天c热稳定性干树脂在空气中受热容易使骨架及功能基降解破坏。树脂耐热性随离子存在的类型有很大差异，通常盐型比酸型和碱型稳定。钠型磺化聚苯乙烯阳树脂可在150℃下使用，而其氢型只能在100～120℃下使用，阴树脂耐热性能较差，氯型树脂只能耐热80～100℃。第64页,共112页，2024年2月25日，星期天热稳定性与其结构有密切关系:普通凝胶型树脂使用上限温度比大孔型树脂低；由于交换基团不同，聚苯乙烯强碱性Ⅰ型树脂就比Ⅱ型树脂热稳定性好。第65页,共112页，2024年2月25日，星期天D力学稳定性：树脂的力学稳定性包括力学强度、耐磨、耐压及耐渗透压变化等，在应用上很重要。树脂力学稳定性随其交联度提高而增强，也同合成的原料及工艺条件有关。第66页,共112页，2024年2月25日，星期天力学强度是决定其使用寿命的主要因素之一：树脂受氧化后力学强度会下降，特别是强酸性阳树脂易于被氧化。强碱性阴树脂则易于吸附有机物而被污染，使其力学强度降低。一般大孔型树脂的力学性能优于凝胶型树脂。第67页,共112页，2024年2月25日，星期天2）化学性能a.离子交换反应。离子交换反应是离子交换树脂最基本、最重要的性能。在电解质溶液中离子交换树脂的功能基发生解离，可动的反离子与溶液中扩散到功能基附近的同类离子进行化学交换。主要的离子交换反应有：第68页,共112页，2024年2月25日，星期天中性盐分解反应：R－SO3－H＋＋Na+Cl-

R－SO3Na+＋H＋Cl-RNOH+Na+Cl-

RNCl+NaOH第69页,共112页，2024年2月25日，星期天中和反应:R－SO3－H＋＋Na+OH-

R－SO3Na+＋H2ORNOH+H+Cl-

RNCl＋H2ORCOOH+NaOH

RCOONa＋H2ORNH3OH+H+Cl-

RNH3Cl＋H2O第70页,共112页，2024年2月25日，星期天复分解反应RSO3Na+KCl

RSO3K+NaClRNCl+NaBr

RNBr+NaClR-(COONa)2+CaCl2

R-(COO)2Ca+2NaClR-NH3Cl

RNH3Br+NaCl第71页,共112页，2024年2月25日，星期天类树脂的交换基团性质不同，因而进行离子交换反应的能力也不同：强酸、强碱性树脂能发生中性盐分解反应，弱酸、弱碱性树脂基本没有这种反应。各种树脂都能进行中和反应，但强型树脂的反应能力比弱型树脂大。第72页,共112页，2024年2月25日，星期天b.交换容量交换容量也叫交换量，是指一定数量的离子交换树脂所带的可交换离子的数量。它是表征离子交换树脂质量的重要指标，反映了树脂对离子的交换吸附能力。由于离子交换树脂的交换容量随条件不同而改变，为应用方便起见，通常把交换容量分为总交换容量、工作交换容量和再生交换容量。第73页,共112页，2024年2月25日，星期天总交换容量表示单位量（重量或体积）树脂中所具有的可交换离子的总数，它反映了离子交换树脂的化学结构特点。工作交换容量是指离子交换树脂在一定的工作条件下表现出的交换量，它是离子交换树脂实际交换能力的量度。树脂的工作交换量不仅同其结构有关，而且同溶液组成、流速、温度、流出液组成及再生条件等因素有关。第74页,共112页，2024年2月25日，星期天在一定的工作条件下，交换基团可能未完全电离，故工作交换量一般小于总交换量。一种树脂的工作交换量可在模拟离子交换树脂实际工作条件下测得。显然，在表示树脂工作交换量时，有必要指明工作条件和贯流点。离子交换树脂的总交换容量是其质量的主要标志，通常在实验研究中较重要，而在实际应用中，工作交换容量意义更大。第75页,共112页，2024年2月25日，星期天在被处理的流出液达到贯流点时，离子交换树脂就要进行再生。再生的基本原理是利用离子交换的逆反应加入再生剂使交换饱和的基团复原。在实际应用中出于经济的原因，常常不使离子交换树脂的被饱和基团全部再生恢复，而只控制再生一部分。再生剂的用量对树脂的工作交换量影响很大。再生交换量是离子交换树脂在指定再生剂用量条件下的交换容量。第76页,共112页，2024年2月25日，星期天一般情况下，总交换量、工作交换量和再生交换量三者间的关系如下：再生交换量＝0.5-1.0总交换量工作交换量＝0.3-0.9再生交换量工作交换量/再生交换量为离子交换树脂的利用率。交换量可用重量单位（mmol/g干树脂）和体积单位（mmol/ml湿树脂）表示。因离子交换树脂多数在柱（或塔）上使用，后者更为重要。第77页,共112页，2024年2月25日，星期天c.离子交换选择性。离子交换树脂对溶液中各种离子有不同的交换能力，即对离子有选择性吸附交换。树脂对溶液中不同离子亲合力大小的差异就是离子交换选择性。它可用选择系数来表征。若溶液中有A、B两种离子，则离子交换树脂的选择系数为：第78页,共112页，2024年2月25日，星期天KAB

＝[RB][A]/[RA][B]式中KAB－树脂的选择系数；[RA]－达到平衡时结合在树脂上的A离子浓度；[RB]－达到平衡时结合在树脂上的B离子浓度；[A]－达到平衡时溶液中的A离子浓度；[B]－达到平衡时溶液中的B离子浓度。第79页,共112页，2024年2月25日，星期天KAB

＝[RB][A]/[RA][B]若KAB>1，表明树脂对B离子的选择性高于A离子；KAB＝1，则选择性相同，此时A、B两种离子无法用树脂分离。第80页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂的选择系数受许多因素影响，包括:离子交换树脂功能基的性质、树脂交联度的大小、溶液浓度、组成及温度等。尽管如此，树脂对不同离子的选择性仍有一些经验规律。第81页,共112页，2024年2月25日，星期天1、在室温下稀水溶液中，强酸型阳离子交换树脂总是优先吸附多价离子：

Th4+>La3+>Ca2+>Na1+

2、对同价离子而言，原子序数越大，选择性越高。

Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+Cs+>Ag+>Rb+>K+>NH4+>Na+>Li+3、羧酸型弱酸性阳树脂同样对多价金属离子选择性高，但它对氢离子的选择性更强，所以用酸进行处理很容易再生。H+>Fe3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+第82页,共112页，2024年2月25日，星期天在常温下用强碱性阴树脂处理稀溶液时，各离子的选择性次序为：SO42－>CrO42－>I－>NO3－>Br－>Cl－>OH－>F－弱碱性阴树脂则对OH－有最大的亲合力。可见，树脂对H+和OH－的选择性随功能基性质不同有很大变化。在高浓度溶液中，树脂对不同离子的选择性的差异几乎消失，甚至出现相反的选择顺序，尤其是阴离子交换树脂，情况更为复杂。第83页,共112页，2024年2月25日，星期天一般树脂对尺寸较大的离子，如络阴离子、有机离子的选择性较高。树脂的骨架结构对离子选择性也有很大影响。树脂交联度增大，选择性增强，但交联度超过15％后选择性反而降低。树脂的选择性对树脂交换效率有很大影响。不难理解，树脂的选择系数越大，离子的穿漏越少，处理溶液越纯，树脂的实际交换吸附能力也越高。相反，选择系数越大，再生就越不容易。因此，在实际应用中常采取改变浓度或pH的方法，使再生的选择系数降低，达到更完全的再生。第84页,共112页，2024年2月25日，星期天d.离子交换树脂在非水溶液中的离子交换行为。离子交换树脂是强极性物质，在有机溶剂中，体积要收缩，结构更紧密，所以，在非水溶液中离子交换速度较在水溶液中慢，交换容量也比在水溶液中小。但是，溶剂性质对大孔型树脂交换速度及交换容量的影响较小，所以，在处理非水溶液时，大孔型树脂比凝胶型树脂更适宜。第85页,共112页，2024年2月25日，星期天1.3离子交换树脂的功能和应用1）功能：离子交换树脂最重要、最基本的功能就是进行离子交换。离子交换树脂在溶液内的离子交换过程大致如下：溶液内离子扩散至树脂表面，再由表面扩散到树脂内功能基所带的可交换离子附近，经过离子交换反应后，被交换的离子从树脂内部扩散到表面，再扩散到溶液中。第86页,共112页，2024年2月25日，星期天评价离子交换树脂的性能指标除了应有良好的力学强度外还应有适当的交换容量、交换反应速度和再生速度等。由于树脂用途不同，所需交换容量也有差异，如用于软化水的树脂交换容量以高的较好，用作有机反应催化剂的树脂则不宜过高。一般说，离子交换树脂的力学强度和交换容量是一对矛盾，为取得最优化条件，通常是在树脂合成中适当控制交联度，并引入较多官能团以提高其交换容量。第87页,共112页，2024年2月25日，星期天离子交换树脂的再生是使用过程中的一个重要步骤。再生条件是评价离子交换树脂的重要指标。不同类型的树脂应选择不同再生剂进行再生。第88页,共112页，2024年2月25日，星期天b.催化作用离子交换树脂是固体不溶性多价酸、碱，所以，它和一般低分子酸、碱一样对某些有机化学反应起催化作用。阳离子交换树脂可用于催化酯化反应、缩醛化反应、烷基化反应、酯的水解、醇解、酸解等；阴离子交换树脂则对醇醛缩合等反应有催化作用。第89页,共112页，2024年2月25日，星期天与一般低分子液体酸、碱催化剂比较，用离子交换树脂作催化剂有许多优点：反应后催化剂只需进行过滤，容易分离，产物纯度高；树脂催化选择性高，有利于减少副反应；催化剂可反复使用，且易实现反应连续化；树脂对设备无腐蚀。其主要缺点是允许使用温度较低。由于离子交换树脂作为催化剂有许多优点，有关这方面的研究十分活跃。可以预期，今后会有更多新型离子交换树脂型催化剂出现，应用范围也更广泛。第90页,共112页，2024年2月25日，星期天c.吸附作用离子交换树脂与溶液接触时，还有从溶液中吸附非电解质的功能。这种功能与非离子型吸附剂的吸附行为有些类似，同时这种吸附作用也是可逆的，可用适当的溶剂使其解吸。由于树脂结构中的非极性大分子链与醇中烷基的作用力随烷基增长而增大，因此对烷基越大的醇吸附越好。第91页,共112页，2024年2月25日，星期天大孔型离子交换树脂有很强的吸附功能。它不仅可以从极性溶剂中吸附弱极性或非极性物质，而且可以从非极性溶剂中吸附弱极性物质，还可作气体吸附剂。第92页,共112页，2024年2月25日，星期天d.脱水作用离子交换树脂的交换基团是强极性的，有很强的亲水性，因此，干燥的离子交换树脂有很强的吸水作用。离子交换树脂的吸水性与交联度、化学基团的性质和数量等有关。交联度增加，吸水性下降；树脂的化学基团极性越强，吸水性越强。第93页,共112页，2024年2月25日，星期天f.脱色作用色素大多数为阴离子物质或弱极性物质，可用离子交换树脂除去它。特别是大孔型树脂具有很强的脱色作用，可作为优良的脱色剂。如葡萄糖、蔗糖、甜菜糖等的脱色精制用离子交换树脂效果很好。与活性炭比较，离子交换树脂脱色剂的优点是：反复使用周期长，使用方便。第94页,共112页，2024年2月25日，星期天2）离子交换树脂的应用a)水处理:水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。发电厂等工厂所用的高压锅炉必须采用软化水，即将Ca2+，Mg2+等离子去除的水。最方便、最经济的方法就是使用钠型阳离子交换树脂。其反应如下：2R-SO3Na+Ca2+=(R-SO3)2Ca+2Na+第95页,共112页，2024年2月25日，星期天水在软化过程中仅硬度降低，而总含盐量不变。当树脂交换饱和后，可加入NaOH使之再生。再生后的树脂可重复使用。(R-SO3)2Ca+2NaOH=2R-SO3Na+Ca(OH)2第96页,共112页，2024年2月25日，星期天纯水包括脱盐水、纯水和高纯水。去除或减少了水中强电解质的水称为脱盐水。脱盐水中剩余盐的含量约为1～5mg/L，其25℃水的电阻率为0.1×106～1.0×106Ωcm。若不仅除去全部强电解质，而且将硅酸及CO2等弱电解质也去除到一定程度，使水中的剩余总盐量在0.1mg/L以下，电阻率达到1.0×106～10×106Ωcm，则称为纯水。第97页,共112页，2024年2月25日，星期天将几乎所有的电解质全部去除，还将不解离的胶体、气体及有机物去除到更低水平，使含盐量达0.1mg/L以下，电阻率在10×106Ωcm以上，则称为高纯水高纯水是当今电子工业不可缺少的原料之一。第98页,共112页，2024年2月25日，星期天连续床以移动床最为多见。移动床是指在整个离子交换过程中，不仅被处理的水是流动的，而且树脂也是移动的。饱和的树脂被连续地送到再生柱和淋洗柱中进行再生和淋洗，然后送回交换柱进行交换。第99页,共112页，2024年2月25日，星期天b.冶金工业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。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。第100页,共112页，2024年2月25日，星期天c.原子能工业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、精制和回收等。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。第101页,共112页