吸附分離功能高分子材料

吸附分離功能高分子材料第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附分離功能高分子主要包括：21、概述一、簡介離子交換樹脂離子吸附樹脂第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂：指具有離子交換基團的高分子化合物，本質上屬于反應性聚合物。離子吸附樹脂：指具有特殊吸附功能的一類樹脂。31、概述一、簡介第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂：一類帶有可離子化基團的三維網狀高分子材料，其外形一般為顆粒狀，不溶于水和一般的酸、堿，也不溶于普通的有機溶劑，如乙醇、丙酮和烴類溶劑。42、離子交換和吸附樹脂的結構一、離子交換樹脂的結構第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四常見的離子交換樹脂的粒徑為0.3～1.0mm，一些特殊用途的離子交換樹脂的粒徑可能大于或小于這一范圍。

52、離子交換和吸附樹脂的結構一、離子交換樹脂的結構第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的示意圖

6一、離子交換樹脂的結構樹脂由三部分組成：聚苯乙烯組成的三維空間網絡骨架；第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的示意圖

7一、離子交換樹脂的結構樹脂由三部分組成：功能基團固定在網絡骨架上，不能自由移動；第7頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四聚苯乙烯型陽離子交換樹脂的示意圖

8一、離子交換樹脂的結構樹脂由三部分組成：功能基團上解離出的離子能自由移動，并與周圍的其他離子互相交換，稱可交換離子。第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四如強酸型陽離子交換樹脂：功能基團是SO3-H+，它可解離出H+，而H+可與周圍的外來離子互相交換，通過改變濃度差、利用親和力差別等，使可交換離子與其他同類型離子進行反復的交換，達到濃縮、分離、提純、凈化等目的。9一、離子交換樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四陽離子交換樹脂：能解離出陽離子、并能與外來陽離子進行交換的樹脂；陰離子交換樹脂：能解離出陰離子、并能與外來陰離子進行交換的樹脂。10一、離子交換樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四從無機化學的角度看，可以認為陽離子交換樹脂相當于高分子多元酸，陰離子交換樹脂相當于高分子多元堿。離子交換樹脂除了離子交換功能外，還具有吸附等其他功能，這與無機酸堿是截然不同的。11一、離子交換樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附樹脂：一般直徑為0.3～1.0mm的小圓球，表面光滑，根據品種和性能的不同可為乳白色、淺黃色或深褐色。粒徑均一的吸附樹脂在生產中尚難以做到，故目前吸附樹脂一般具有較寬的粒徑分布。12二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第12頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附樹脂的顆粒大小對性能影響很大：粒徑越小、越均勻，樹脂的吸附性能越好。但是粒徑太小，使用時對流體的阻力太大，過濾困難，并且容易流失。13二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附樹脂手感堅硬，有較高的強度，密度略大于水，在有機溶劑中有一定溶脹性，但干燥后重新收縮，而且往往溶脹越大時，干燥后收縮越厲害。14二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第14頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四使用中為了避免吸附樹脂過度溶脹，常采用對吸附樹脂溶脹性較小的乙醇、甲醇等進行置換，再過渡到水。吸附樹脂必須在含水的條件下保存，以免樹脂收縮而使孔徑變小，因此吸附樹脂一般都是含水出售的。15二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附樹脂內部結構很復雜，從SEM可觀察到，樹脂內部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小約在0.06～0.5μm范圍內，葡萄珠之間存在許多空隙，這實際上就是樹脂的孔。16二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四研究表明葡萄球內部還有許多微孔，正是這種多孔結構賦予樹脂優(yōu)良的吸附性能，因此孔徑結構是吸附樹脂制備和性能研究中的關鍵技術。17二、吸附樹脂的結構2、離子交換和吸附樹脂的結構第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂的分類方法有很多種，最常用和最重要的分類方法有以下兩種。（1）按交換基團的性質分類按交換基團性質的不同，可將離子交換樹脂分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。18一、離子交換樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四陽離子交換樹脂可進一步分為強酸型、中酸型和弱酸型三種。如R-SO3H為強酸型，R-PO(OH)2為中酸型，R-COOH為弱酸型，習慣上，一般將中酸型和弱酸型統(tǒng)稱為弱酸型。19一、離子交換樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四陰離子交換樹脂又可分為強堿型和弱堿型兩種，如R3-NCl為強堿型，R-NH2、R-NR’H和R-NR’2為弱堿型。20一、離子交換樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（2）按樹脂的物理結構分類按其物理結構的不同，可將離子交換樹脂分為凝膠型、大孔型和載體型三類。21不同物理結構離子交換樹脂的模型一、離子交換樹脂的分類第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四1）凝膠型離子交換樹脂凡外觀透明、具有均相高分子凝膠結構的離子交換樹脂統(tǒng)稱為凝膠型離子交換樹脂，這類樹脂表面光滑，無水狀態(tài)下球粒內部沒有大的毛細孔。223、離子交換和吸附樹脂的分類一、離子交換樹脂的分類第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四1）凝膠型離子交換樹脂在水中會溶脹成凝膠狀，并呈現大分子鏈間的隙孔，大分子鏈之間的間隙約為2～4nm。一般無機小分子的半徑在1nm以下，因此可自由通過離子交換樹脂內大分子鏈的間隙。233、離子交換和吸附樹脂的分類一、離子交換樹脂的分類第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四1）凝膠型離子交換樹脂在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機小分子無法通過，所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能。24一、離子交換樹脂的分類第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四2）大孔型離子交換樹脂針對凝膠型離子交換樹脂的缺點，研制了大孔型離子交換樹脂，其外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結構，即使在干燥狀態(tài)，內部也存在不同尺寸的毛細孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。25一、離子交換樹脂的分類第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四2）大孔型離子交換樹脂大孔型離子交換樹脂的孔徑一般為幾納米至幾百納米，比表面積可達每克樹脂幾百平方米，因此其吸附功能十分顯著。26一、離子交換樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四3）載體型離子交換樹脂載體型離子交換樹脂是一種特殊用途樹脂，主要用作液相色譜的固定相，一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面上制成，它可經受液相色譜中流動介質的高壓，又具有離子交換功能。27一、離子交換樹脂的分類第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四吸附樹脂有許多品種，吸附能力和所吸附物質的種類也有區(qū)別，但其共同之處是具有多孔性，并具有較大的表面積，吸附樹脂目前尚無統(tǒng)一的分類方法，通常按其化學結構分為以下幾類：28二、吸附樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（1）非極性吸附樹脂指樹脂中電荷分布均勻，在分子水平上不存在正負電荷相對集中的極性基團的樹脂，代表性產品為由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附樹脂。29二、吸附樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（1）非極性吸附樹脂指樹脂中電荷分布均勻，在分子水平上不存在正負電荷相對集中的極性基團的樹脂，代表性產品為由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附樹脂。30二、吸附樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（2）中極性吸附樹脂這類樹脂的分子結構中存在酯基等極性基團，樹脂具有一定的極性。31二、吸附樹脂的分類3、離子交換和吸附樹脂的分類第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四（3）極性吸附樹脂分子結構中含有酰胺基、亞砜基、腈基等極性基團，這些基團的極性大于酯基。（4）強極性吸附樹脂強極性吸附樹脂含有極性很強的基團，如吡啶、氨基等。32二、吸附樹脂的分類第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四凝膠型離子交換樹脂的制備過程主要包括兩部分：合成一種三維網狀結構的大分子連接上離子交換基團。334、離子交換樹脂的制備方法一、凝膠型離子交換樹脂第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四具體方法：可先合成網狀結構大分子，然后使之溶脹，通過化學反應將交換基團連接到大分子上；也可先將交換基團連接到單體上，或直接采用帶有交換基團的單體聚合成網狀結構大分子的方法。34一、凝膠型離子交換樹脂第34頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四強酸型陽離子交換樹脂絕大多數為聚苯乙烯系骨架，通常采用懸浮聚合法合成樹脂，由上述反應獲得的球狀共聚物稱為“白球”。將白球洗凈干燥后，然后即可進行連接交換基團的磺化反應。354、離子交換樹脂的制備方法二、強酸型陽離子交換樹脂的制備第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四將干燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有機溶劑溶脹，然后用濃硫酸或氯磺酸等磺化，通常稱磺化后的球狀共聚物為“黃球”。36二、強酸型陽離子交換樹脂的制備第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四含有－SO3H交換基團的離子交換樹脂稱為氫型陽離子交換樹脂，其中H+為可自由活動的離子，由于它們的貯存穩(wěn)定性不好，且有較強的腐蝕性，因此常將它們與NaOH反應而轉化為Na型離子交換樹脂，Na型樹脂有較好的貯存穩(wěn)定性。37二、強酸型陽離子交換樹脂的制備4、離子交換樹脂的制備方法第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四弱酸型陽離子交換樹脂大多為聚丙烯酸系骨架，因此可用帶有功能基的單體直接聚合而成。38其中，－COOH即為交換基團。4、離子交換樹脂的制備方法三、弱酸型陽離子交換樹脂的制備第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四丙烯酸的水溶性較大，聚合不易進行，故常采用其酯類單體進行聚合后，再進行水解的方法來制備。39三、弱酸型陽離子交換樹脂的制備第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四強堿型陰離子交換樹脂主要以季胺基作為離子交換基團，以聚苯乙烯作骨架。制備方法是：將聚苯乙烯系白球進行氯甲基化，然后利用苯環(huán)對位上的氯甲基的活潑氯，定量地與各種胺進行胺基化反應。404、離子交換樹脂的制備方法四、強堿型陰離子交換樹脂的制備第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四41所得的中間產品通常稱為“氯球”。四、強堿型陰離子交換樹脂的制備苯環(huán)可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，與氯甲醚氯甲基化。第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四42用氯球可十分容易地進行胺基化反應。四、強堿型陰離子交換樹脂的制備第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四Ⅰ型與Ⅱ型季胺類強堿樹脂的性質略有不同。Ⅰ型的堿性很強，對OH－離子的親合力小，當用NaOH再生時，效率很低，但其耐氧化性和熱穩(wěn)定性較好。43四、強堿型陰離子交換樹脂的制備4、離子交換樹脂的制備方法第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四Ⅱ型引入了帶羥基的烷基，利用羥基吸電子的特性，降低了胺基的堿性，再生效率提高，但其耐氧化性和熱穩(wěn)定性相對較差。由于氯甲基化毒性很大，故樹脂的生產過程中的勞動保護是一重大問題。44四、強堿型陰離子交換樹脂的制備第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四用氯球與伯胺、仲胺或叔胺類化合物進行胺化反應，可得弱堿離子交換樹脂。但由于制備氯球過程的毒性較大，現在生產中已較少采用這種方法。利用羧酸類基團與胺類化合物進行酰胺化反應，可制得含酰胺基團的弱堿型陰離子交換樹脂。45五、弱堿型陰離子交換樹脂的制備第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四46例如將交聯(lián)的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯中溶脹，然后在130～150℃下與多乙烯多胺反應，形成多胺樹脂，再用甲醛或甲酸進行甲基化反應，可獲得性能良好的叔胺樹脂。第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四水處理包括水質的軟化、水的脫鹽和高純水的制備等，水處理是離子交換樹脂最基本的用途之一。475、離子交換樹脂的應用一、水處理第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換是冶金工業(yè)的重要單元操作之一，在鈾、釷等超鈾元素、稀土金屬、重金屬、輕金屬、貴金屬和過渡金屬的分離、提純和回收方面，離子交換樹脂均起著十分重要的作用。485、離子交換和吸附樹脂的應用二、冶金工業(yè)第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂還可用于選礦，在礦漿中加入離子交換樹脂可改變礦漿中水的離子組成，使浮選劑更有利于吸附所需要的金屬，提高浮選劑的選擇性和選礦效率。495、離子交換和吸附樹脂的應用二、冶金工業(yè)第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂在原子能工業(yè)上的應用包括核燃料的分離、提純、精制、回收等。用離子交換樹脂制備高純水，是核動力用循環(huán)、冷卻、補給水供應的唯一手段。離子交換樹脂還是原子能工業(yè)廢水去除放射性污染處理的主要方法。505、離子交換和吸附樹脂的應用三、原子能工業(yè)第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四利用離子交換樹脂，可從許多海洋生物（例如海帶）中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。在海洋航行和海島上，用離子交換樹脂以海水制取淡水是十分經濟和方便的。515、離子交換和吸附樹脂的應用四、海洋資源利用第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂在化學實驗、化工生產上已經和蒸餾、結晶、萃取和過濾一樣，成為重要的單元操作，普遍用于多種無機、有機化合物的分離、提純，濃縮和回收等。525、離子交換和吸附樹脂的應用五、化學工業(yè)第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂用作化學反應催化劑，可大大提高催化效率，簡化后處理操作，避免設備的腐蝕。強酸型陽離子交換樹脂能強烈吸水，可用作干燥劑，吸收有機溶劑或氣體中的水分。535、離子交換和吸附樹脂的應用五、化學工業(yè)第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂的功能基團接枝上作為試劑的基團后，可以當作有機合成的試劑，成為高分子試劑，用來制備許多新的化合物，這種合成方法具有控制及分離容易、副產物少、純度高等特點。目前在有機化合物的?；?、過氧化、大環(huán)化合物的合成、肽鏈的增長、不對稱碳化合物的合成、羥基的氧化等方面都已取得顯著的效果。54五、化學工業(yè)第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂在制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調味品等食品加工中都有廣泛的應用。特別在酒類生產中，利用離子交換樹脂改進水質、進行酒的脫色、去渾、去除酒中的酒石酸、水楊酸等雜質，提高酒的質量。55六、食品工業(yè)5、離子交換和吸附樹脂的應用第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四酒類經過離子交換樹脂的去銅、錳、鐵等離子，可以增加貯存穩(wěn)定性。經處理后的酒，香味純，透明度好，穩(wěn)定性可靠，是各種酒類生產中不可缺少的一項工藝步驟。56六、食品工業(yè)5、離子交換和吸附樹脂的應用第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四用離子交換樹脂可調節(jié)乳品的組成，增加乳液的穩(wěn)定性，延長存放時間。此外，用離子交換樹脂來調節(jié)牛奶中鈣的含量，除去乳品中離子性雜質，如鍶(Sr)、碘(I2)等污染物，均是很成功的。575、離子交換和吸附樹脂的應用六、食品工業(yè)第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四在味精生產中，利用離子交換樹脂對谷氨酸的選擇性吸附，可除去產品中的雜質和對產品進行脫色，這一方法在國內亦已大規(guī)模地使用。585、離子交換和吸附樹脂的應用六、食品工業(yè)第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂在醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)中被大量應用。如在藥物生產中用于藥劑的脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分的提取等。59七、醫(yī)藥衛(wèi)生5、離子交換和吸附樹脂的應用第59頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂本身可作為藥劑內服，具有解毒、緩瀉、去酸等功效，可用于治療胃潰瘍、促進食欲、去除腸道放射物質等。對于外敷藥劑，用離子交換樹脂粉末可配制軟膏、粉劑及嬰兒護膚用品，用以吸除傷口毒物和作為解毒藥劑。60七、醫(yī)藥衛(wèi)生第60頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四將各種藥物吸附在離子交換樹脂上，可有效地控制藥物釋放速率，延長藥效，減少服藥次數。利用離子交換樹脂吸水后體積迅速膨脹的特點，將其與藥劑混合制成藥片，服后可迅速脹大崩解，更快更好地發(fā)揮藥物的作用。615、離子交換和吸附樹脂的應用七、醫(yī)藥衛(wèi)生第61頁，共68頁，2023年，2月20日，星期四離子交換樹脂還是醫(yī)療診斷、藥物分析檢定的重要藥