功能高分子材料-離子交換樹脂

功能高分子材料

——離子交換樹脂離子交換樹脂的種類離子交換樹脂的制備離子交換樹脂的基本理論離子交換樹脂的應(yīng)用功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!功能高分子材料

功能高分子系指帶有特殊功能基團(tuán)的高分子材料，按照21世紀(jì)科技發(fā)展的形勢(shì)和高分子科學(xué)所面臨的任務(wù)來概括，功能高分子可定義為：對(duì)物質(zhì)、能量和信息具有傳遞、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存功能的特殊高分子材料。

按照材料的功能或用途所屬的學(xué)科領(lǐng)域，可以將功能高分子材料分為化學(xué)、物理和生命功能高分子材料三大類。

化學(xué)功能高分子的基本特征是具有某種特殊化學(xué)功能和用途。這是一類最經(jīng)典、用途最廣的功能高分子材料。物理功能高分子包括光活性高分子和導(dǎo)電高分子等。生物功能高分子有高分子藥物和醫(yī)用高分子材料等。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!離子交換樹脂

離子交換樹脂是一類帶有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的、以高分子為基體、不溶于水和有機(jī)溶劑，具有可進(jìn)行離子交換的官能團(tuán)的物質(zhì)。離子交換樹脂由三部分組成，即不溶性的三維空間物質(zhì)骨架、連接在骨架上的功能基團(tuán)、功能基團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。在離子交換樹脂中，功能基在具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格骨架上不能移動(dòng)，但功能基所帶的可以離解的離子卻可以自由移動(dòng)，在使用或再生時(shí)，不同外界條件下，與基團(tuán)同電荷的其他離子相互交換，所以稱為可交換離子。利用這種性質(zhì)可以進(jìn)行濃縮、分離和純化工作。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!1.離子交換樹脂的基本類型

1）強(qiáng)酸型陽離子樹脂

這類樹脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基—SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強(qiáng)酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如SO3-，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子。這兩個(gè)反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用。離子在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反的方向進(jìn)行，使樹脂的官能基團(tuán)回復(fù)原來的狀態(tài)，以供再次使用。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!

3）強(qiáng)堿型陰離子樹脂這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季胺基—NR3OH,能在水中離解出OH-而呈強(qiáng)堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂的離解性很強(qiáng)，在不同pH下都能正常工作。它用強(qiáng)堿（如NaOH）進(jìn)行再生。

4）弱堿型陰離子樹脂這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基—NH2,仲胺基—NHR或叔胺基—NR2，它們?cè)谒心茈x解出OH-而呈弱堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件（如Ph=1-9)下工作它可用Na2CO3,NH4OH進(jìn)行再生。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!3.離子交換樹脂的基本理論

離子交換的基本理論主要包括：a.離子交換反應(yīng)在一定條件下的反應(yīng)方向和反應(yīng)限度，即離子交換熱力學(xué)；b.離子交換反應(yīng)的歷程和達(dá)到平衡的時(shí)間，即離子交換動(dòng)力學(xué)。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!影響選擇性的因素a.離子價(jià)數(shù)離子價(jià)數(shù)越高，其與樹脂功能基的靜電吸引力越大，親和力越大，如Ca2+、Mg2+易與樹脂上Na+、H+的交換。b.離子半徑在水中離子會(huì)水化而使樹脂膨脹，對(duì)同價(jià)離子，當(dāng)原子序數(shù)增加，其水合離子的半徑減小，其選擇性增大，如Ca2+的選擇性大于Mg2+。c.樹脂交聯(lián)度交聯(lián)度越高，對(duì)樹脂的選擇性影響越大。這是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成的篩網(wǎng)作用造成。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散速度是影響離子交換速度的主要因素。而影響膜擴(kuò)散粒內(nèi)擴(kuò)散的主要因素有：a.溶液流速，增大攪拌速度或柱流速，可增加膜擴(kuò)散速度；b.樹脂顆粒大小，減小樹脂的粒度，可同時(shí)提高膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散速度；c.溶液濃度，溶液濃度較低時(shí)，膜擴(kuò)散是影響交換速度的主要因素，溶液濃度較高時(shí)，粒內(nèi)擴(kuò)散則成為影響交換速度的主要因素；d.樹脂交聯(lián)度。在水的離子軟化和水的強(qiáng)酸強(qiáng)堿脫鹽過程中，交換過程為液膜所控制，再生則多屬受粒內(nèi)擴(kuò)散控制，弱酸弱堿的離子交換過程一般也受粒內(nèi)擴(kuò)散控制。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!（3）制藥行業(yè)制藥工業(yè)離子交換樹脂對(duì)發(fā)展新一代的抗菌素及對(duì)原有抗菌素的質(zhì)量改良具有重要作用。鏈霉素的開發(fā)成功即是突出的例子。近年還在中藥提成等方面有所研究。（4）合成化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè)在有機(jī)合成中常用酸和堿作催化劑進(jìn)行酯化，水解，酯交換，水合等反應(yīng)。用離子交換樹脂代替無機(jī)酸，堿，同樣可進(jìn)行上述反應(yīng)，且優(yōu)點(diǎn)更多。如樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器不會(huì)被腐蝕，不污染環(huán)境，反應(yīng)容易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE)的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，有異丁烯與甲醇反應(yīng)而成，代替了原有的可對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染的四乙基鉛。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

2）弱酸型陽離子樹脂這類樹脂含弱酸性基團(tuán)，如羧基—COOH，能在水中離解出H+而呈酸性。樹脂離解后余下的負(fù)電基團(tuán)，如R—COO—（R為碳?xì)浠鶊F(tuán)），能與溶液中的其他陽離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進(jìn)行離子交換,只能在堿性,中性或微酸性溶液中(如pH=5-14)起作用.這類樹脂也是用酸進(jìn)行再生(比強(qiáng)酸性樹脂較易再生)。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!2.離子交換樹脂的制備（1）強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂苯乙烯體系的陽離子交換樹脂的制備是用苯乙烯和二乙烯基苯（DVB）懸浮于水中，攪拌聚合得到球狀共聚物，然后用硫酸-氯磺酸等磺化劑進(jìn)行磺化而制得；（2）弱酸型陽離子交換樹脂具有—COOH基的弱酸性離子交換樹脂幾乎都是水解丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯與DVB的共聚物得到的；（3）強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂利用苯乙烯與而乙烯基苯共聚物小球引入強(qiáng)堿性有機(jī)胺基團(tuán)即可制得；（4）弱堿型陰離子交換樹脂如上述強(qiáng)堿型離子交換樹脂的合成方法，引入一些弱堿性基團(tuán)即可制得弱堿型陰離子交換樹脂。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!（1）離子交換平衡離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，其反應(yīng)是在固態(tài)的樹脂和水溶液接觸的界面間發(fā)生的。陽離子交換反應(yīng)可表述為其反應(yīng)平衡關(guān)系式為式中和—溶液中離子和的活度；和—樹脂中離子和的活度；—選擇性系數(shù)，其值越大，離子交換樹脂對(duì)A離子的交換能力就越大，就越易吸附A離子。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!(2)離子交換動(dòng)力學(xué)

離子交換的效果取決于離子交換速度，而離子交換速度主要受離子從溶液進(jìn)入到樹脂表面和樹脂內(nèi)部的擴(kuò)散過程的影響。以Na型樹脂與溶液中Ca2+進(jìn)行交換反應(yīng)為例，實(shí)際離子交換過程是由如下的相對(duì)速率組成：Ca2+從溶液通過液膜擴(kuò)散到樹脂表面（膜擴(kuò)散）Ca2+從樹脂表面向孔內(nèi)擴(kuò)散（粒內(nèi)擴(kuò)散）Na+從孔內(nèi)擴(kuò)散到樹脂表面Na+通過液膜擴(kuò)散到溶液中。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!4.離子交換樹脂的應(yīng)用（1）水處理水處理領(lǐng)域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發(fā)電廠的純水處理上，其次是原子能，半導(dǎo)體，電子工業(yè)等。（2）食品工業(yè)離子交換樹脂可用于制糖，味精，酒的精制，生物制品等工業(yè)裝置上。例如：高果糖漿的制造是由玉米中萃出淀粉后，再經(jīng)水解反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖和果糖，而后經(jīng)離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業(yè)中的消耗量僅次于水處理。功能高分子材料-離子交換樹脂共15頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!（