范文一：凝胶型苯乙烯系离子交换树脂的强度及抗渗透性的影响因素研究_

离子交换与吸附, 2002, 18(4): 374 ~ 379

ION EXCHANGE AND ADSORPTION

文章编号: 1001-5493(2002)04-0374-06

凝胶型苯乙烯系离子交换树脂的

* 强度及抗渗透性的影响因素研究 (I)

12 寇晓康 王槐三

1 西安蓝深吸附分离材料有限公司, 西安 710032

2 四川大学高分子材料与工程学院, 成都 610065

摘要: 本文就单体组成中不同引发剂、链转移剂、环二烯、烯丙基类化合物和氧气等对凝胶型

苯乙烯系阳离子交换树脂的强度和抗渗透性的影响进行了系统研究。结果显示～采用 0.30%的

过氧化 2-乙基己酸叔丁酯 (OT) 和 0.01%的过氧化苯甲酸特丁酯 (CP) 代替过氧化二苯甲酰

(BPO 作引发剂～或者加入 0.02%的链转移剂十二烷基硫醇～均能够在一定程度上改善共聚物珠

粒的结构均匀性～提高其合成的离子交换树脂的磨后圆球率和抗渗透性能。

关键词: 凝胶型阳离子交换树脂 苯乙烯系 强度及渗透性 影响因素

中文分类号: TQ425.23 文献表标识码: A

1 引 言

传统的凝胶型苯乙烯系离子交换树脂虽然具有交换容量高和生产成本较低的优点，但是由于存在内部结构均匀性方面的固有缺陷，导致其机械强度和抗渗透性能均较差，使用

[1]寿命较短而运行成本却较高。造成离子交换树脂结构均匀性差的原因是多方面的，何炳 [2,3] 林等对苯乙烯-二乙烯基苯 (St-DVB,下同) 的共聚反应动力学进行了系统研究，结果 发现存在于工业 DVB 中的各种异构体之间的聚合反应活性差异是造成共聚物珠粒内部结 、[4] [5]构不均匀，从而产生内应力和受力不均的主要原因。陈天红和钱庭宝等得到的实验 数据显示，不同异构体的 DVB 在共聚物珠粒内部形成交联点的空间分布存在巨大差异， 这是造成其结构均匀性降低、内应力增加和机械强度以及抗渗透性能降低的主要原因。 除此以外，有关影响 St-DVB 共聚物珠粒结构均匀性和机械强度的其他因素的研究报 告却并不多见。虽然一些研究报告和企业的生产规程均主张加入适量极性单体，如丙烯腈 等与

St-DVB 进行三元共聚，可以改善共聚物珠粒和离子交换树脂的强度，但是却未报道 其与共聚物内部结构均匀性方面有何联系的实验数据。 本工作拟从引发剂种类、链转移

反应、辅助交联剂和聚合反应气氛等 4 个方面研究其

收稿日期: 2002 年 2 月 12 日

作者简介: 寇晓康, 男(1968-), 陕西省人, 工学硕士, 总经理.

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对 St-DVB 共聚反应、共聚物珠粒的结构均匀性以及树脂强度的影响。期望开发一种改善 共聚物珠粒结构均匀性，并最终能够找到按照传统工艺合成高强度凝胶型离子交换树脂的 简便方法。

2 实验部分

2.1 仪器及试剂

配备数字式温度调控、无级调速搅拌器和回流冷凝器的 1000ml 磨口玻璃合成反应装 置，用于悬浮聚合和磺化反应;傅立叶红外光谱仪，PE1760-X，美国生产;电子显微镜， KP2000，美国生产，均用于树脂结构分析;磨后圆球率测定仪，天津微电机厂生产。

苯乙烯，含量?99%;二乙烯基苯，含量 55%;过氧化苯甲酰 (BPO)，工业品;明胶， 工业品。其余试剂均为 CP 或 AR 级。

2.2 St-DVB 共聚物珠粒的合成及磺化反应

按照常规悬浮聚合和磺化反应进行，控制珠粒粒度在 0.3mm~0.8mm 范围内。为了准 确测定成球时间，将投入单体时水相的温度规定为 50?。

2.3 悬浮聚合反应成球时间的测定

按照企业内控标准，在悬浮聚合反应初期按照规定的升温速度达到开始保温时，须定 时取样观察单体液滴的粘流性能及成球状况，取样时间规定为:0~15min 内为每 2min、

15min~30min 内为每 1min 取样一次。取悬浮料液约 5ml 于表面皿中，将单体液滴在手指间发生明显“牵丝”、静置 3min 液滴不再粘合凝聚所经历的时间定义为成球时间。 2.4 共聚物珠粒和阳离子交换树脂的性能测定

按照国家标准 GB5476-1996 对树脂进行预处理;按照 GB5757-86 测定树脂的含水量; 按照 GB8144 测定树脂的交换容量;按照 GB8330-87 和 GB8331-87 分别测定树脂的湿真 密度和视密度;按照企业标准 DL519-93 测定白球和树脂的磨后圆球率。

3 结果与讨论

3.1 不同引发剂的影响

比较了 BPO、过氧化 2-乙基己酸叔丁酯 (OT) 和过氧化苯甲酸特丁酯 (CP) 三种引发 剂对聚合反应、共聚物珠粒及阳离子交换树脂性能的影响，结果列于表 1。

?376? Ion Exchange and Adsorption 2002 年 8 月

表 1 引发剂对共聚反应和共聚物珠粒性能的影响* 共聚物珠粒及阳离子交换树脂的性能 引发剂及用量(w/v%) 试验序号 BPO OT CP 成球时间(min) 甲苯溶胀度(ml/g) 抗压强度(g/粒) 磨后圆球率(%)

I-01 0.7 0 0 24 3.00 933 84 — I-02 0 0.4 0 19 2.97 86 1080 I-03 0 0.3 0 20 3.05 92 1168 I-04 0 0.3 0.01 20 3.00 96

*交联度均为 7.0 wt. % 。

表 1 显示，即使采用较低浓度的 OT 作引发剂，聚合反应的成球时间却缩短大约 16%， 显示其引发活性高于 BPO。除此以外，OT 对聚合反应过程并无明显影响。但是却使共聚 物珠粒的抗压强度以及用其合成的阳离子交换树脂的磨后圆球率得到明显的提高。当然 OT 的浓度太低也会使树脂的强度降低。按照两种引发剂不同的分子结构和引发反应机理 可以解释产生上述影响的原因，见表 2。

表 2 引发剂的分解反应产物及其理化性能

引发剂 分解产生 CO量 过氧物含量量* 活泼氧*活化能* 不同半衰期所对应的温度(?) 2

(mol/mol) (%) (%) (kJ / mol) 600 min 60 min 6 min

OT 1 95 7.03, 7.40 135 73 92 111

1 98 8.10, 8.25 134 101 122 146 CP 2 75 4.95, 6.61 113 71 92 116 BPO

* 兰州助剂厂，过氧化物产品说明书。

表 2 显示，虽然 OT 的半衰期与 BPO 接近，CP 的半衰期甚至还长于 BPO，OT 和 CP 的分解活化能均高于 BPO，但是由于二者的过氧化物含量和活泼氧含量均高于后者，因此 其引发 St-DVB 进行共聚反应的效率较高。不仅如此，由于 BPO 分解时产生较多的 CO2 气体，而且本身就含有 10%以上的水分，在聚合反应温度条件下常常以微小的气泡状态存 在于共聚物珠粒内部，从而使珠粒强度大大降低。OT 和 CP 的疏水性较强，本身的水分含 量也较低，其分解反应产生的 CO气体量也少于 BPO，所以用它作引发剂合成的树脂内部 2

的微气孔量较少，机械强度也较高。用两种不同引发剂合成的共聚物珠粒的扫描电镜照片 (图 1 和图 2)显示，珠粒 I-04 (OT 和 CP 引发) 的表面光滑而气孔很少，而珠粒 I-01(BPO 引发却明显可见较多较大的气孔。

其次，由于在 St-DVB 进行共聚反应的初期主要是引发活性较高的 DVB 的第一个双

[4]键与 St 进行共聚合，而 DVB 分子中的第二个双键的反应活性就要低得多。由于 OT 分 解产生的两个自由基的活性差异较大，恰好能够产生互补作用先后引发 DVB 前后参加聚 合的两个双键，从而有利于整个聚合反应过程中速度的相对平稳，所得共聚物珠粒的结构

?377? 离 子 交 换 与 吸 附 第 18 卷第 4 期

均匀性也就较高。与此不同的是 BPO 分解产生的两个自由基的活性差异不大，不存在活 性互补的情况，因此聚合反应速度“前快后慢”的现象较为明显。特别是当 DVB 分子中 活性较低的第二个双键进行聚合反应的时候，分解较快的 BPO 已经所剩无几，不能产生 更多的自由基以促进交联网络的彻底完成，因此得到的共聚物珠粒的结构均匀性和强度也 就比较低。

图 1 珠粒 I-04 的扫描电镜照片(OT 和 CP 引发)

图 2 珠粒 I-01 的扫描电镜照片(BPO 引发)

第三，表 1 的数据还表明，共聚物珠粒的强度受引发剂 OT 用量的影响较为敏感，只 有严格控制其用量为单体重量的 0.3%左右，才能够得到高强度的共聚物珠粒。过多过少的 OT 都对强度不利。表 1 同时也显示，加入即使微量的较低活性的助引发剂 CP 也对改善共 聚物珠粒的强度具有明显的作用。原来，半衰期较长的 CP 在聚合反应中后期当 OT 分解 几近完毕的时候，能够保证活性较低的 St 和 DVB 的第二个双键继续进行聚合，从而保证 共聚物珠粒内部交联网络能够比较彻底地完成，同时也具有较高的单体转化率，这对于提 高共聚物珠粒的强度是有利的。

3.2 链转移剂的影响

在 St 和 DVB 的共聚反应中引入某些链转移剂可以有效地改善该聚合反应的动力学过

[5]程，同时提高共聚物珠粒的强度。可以选择的链转移剂种类很多，选择高活性链转移剂

?378? Ion Exchange and Adsorption 2002 年 8 月 时可以在用量很少的情况下就能够有效地调节聚合反应的进程和聚合物的性能。表 3 列出 以十二烷基硫醇作为链转移剂对 St-DVB 共聚物珠粒和阳离子交换树脂性能的影响。 表 3 显示，加入 0.02%的链转移剂就可以改善阳离子交换树脂的抗渗透能力，对提高 树脂的磨后圆球率也有一定作用。不过须特别注意的是，超过这一用量将导致树脂强度的 急剧降低。对于含量较低或保存时间过长、发生轻度聚合的 St，只要将链转移剂的用量增 加到 0.10%，所制得的树脂的磨后圆球率和其他性能指标可以基本上达到合格指标。鉴于 单体 St 和 DVB 的质量受生产厂家和存放时间长短的影响很大，因此采取严格控制链转移 剂加入量的方法可以将其有效利用，这对于降低生产成本和提高效益具有重要意义。

表 3 链转移剂对 St-DVB 共聚反应和珠粒性能的影响*

十二烷基硫醇 珠粒性能 阳树脂性能 试验序号 单体 St 的质量 加入量 (单体 wt.%) 磨后圆球率(%) 成球时间(min) 甲苯溶胀度(ml/g)

T-01 0 24 3.00 84 含量?99 %

含量?99 % T-02 0.02 25 3.00 99 含量?99 % T-03 0.05 40 3.05 82 含量?99 % T-04 0.10 41 3.10 51 滴加甲醇产生明显浑浊** T-05 0 30 3.14 12 滴加甲醇产生明显浑浊** T-07 0.02 35 3.03 25 滴加甲醇产生明显浑浊** T-08 0.05 52 3.00 51 滴加甲醇产生明显浑浊** T-09 0.10 60 3.11 80

* 交联度均为 7%，BPO 加入量均为 0.07%。** 单体已经部分聚合。

研究发现，加入链转移剂合成的 St-DVB 共聚物珠粒的磺化反应能力有一定提高，即 使在不使用溶胀剂二氯乙烷的条件下磺化效率也较高。这可能与聚合反应进入交联阶段 (即相分离) 之前的线型 St-DVB 链段因链转移反应的发生而相对较短，交联网络密度相对 均匀，化学试剂在其中比较容易扩散有关。

参考文献

[1] 徐和德 等译, 现代离子交换专论 [M], 广东: 广东科技出版社, 1983, p27 [2] 何炳林, 苏振立, 郭贤权 等, 离子交换与吸附 [J], 1988, 3(2), 81.

[3] 于占如, 史作清, 何炳林 等, 高分子通讯 [J], 1988, 3, 202; 207。

[4] 陈天红, 左 榘, 吴佩强 等, 离子交换与吸附 [J], 1994, 9(6), 499.

[5] 钱庭宝 等, 吸附树脂及其应用 [M], 北京: 化学工业出版社, 1990, 17.

?379? 离 子 交 换 与 吸 附 第 18 卷第 4 期

STUDY ON THE INFLUENCE FACTORS OF THE INTENSITY

AND PERMEABILITY OF GEL CATION EXCHANGE RESIN

FOR POLYSTYRENE STYLE

1 2KOU XiaokangWANG Huaisan

1 Lanshen Exchange and Adsorption Materials Ltd., Xi’An 300071

2 Institute of Polymer., Sichuan University, Chengdu 610065

Abstract: The influence on the existence of various initiators and chain translators in monomers and polymerization conditions to intensity and permeability of the gel ion exchange resins for polystyrene series were systematically investigated in this paper. Results showed that 0.30% superoxide tert.-butyl 2-ethylene-hexanoate(OT) and 0.01% superoxide tert. -butyl benzoate(CP) displace BPO as initiator, 0.02% translator was added in or the copolymerization proceeded in the existence of oxygen, the homogeneous structure of copolymer beads was improved fairly. The circularity of the cation exchenge resins made from the beads after being grinded and anti-permeability of the exchange resin increased.

Key Words: Gel ion exchange resin, Polystyrene style, Intensity and permeability, Influence

范文二：离子交换树脂

离子交换树脂

为了除去水中离子态杂质, 现在采用得最普遍的方法是离子交换。这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底，因而能制得很纯的水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步骤。

离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来进行。这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换，离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分，大概情况如表所示。此外，按结构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。

离 子 交 换 剂 的 分 类

天然海绿砂 无机质 人造合成沸石

离子交换剂

碳质磺化煤 磺酸基(-SO3H)

有机质 羧酸基（－COOH ） ｛-N(-CH3) 3｝OH 离子交换树脂 ｛－N(CH3) 2｝OH (NH3)OH 、（＝NH 2）

OH 或

（≡NH）OH

其他－氧化还原型、有机物清除除型等

第一节 离 子 交 换 剂 的 结 构

离子交换树脂属于高分子化合物，结构比较复杂. 离子交换剂的结构可以被区分为两个部分：一部分具有高分子的结构形式，称为离子交换剂的骨架；另一部分是带有可交换离子的基团（称为活性集团），它们化合在高分子骨架上. 所谓“骨架”，是因为它具有庞大的空间结构，支持着整个化合物，正象动物的骨架支持着肌体一样，从化学的观点来说，它是一种不溶于水的高分子化合物，现将常用离子交换剂的结构简单介绍如下。

一、磺化煤

磺化煤是一种半化合成的离子交换剂，它利用煤质本身的空间结构作为高分子骨架，用浓硫酸处理的方法（称磺化）引入活性基团而制成。

磺化煤的活性基团，除了有由于磺化而引入的－SO 3H 外，还有一些煤质本身原有的基团（如－COOH 和－OH ）以及因硫酸氧化作用生成的羧酸（－COOH ），所以它实质上是一种混合型离子交换剂。

磺化煤的价格比较便宜，是过去水处理系统中广泛应用的交换剂，但由于它有以下的缺点，所以现在大都为合成离子交换树脂所替代：

⒈ 化学稳定性较差，特别是对于碱性强的水，抵抗力很差；

⒉ 机械强度不好，易碎；

⒊ 交换容量小，小于合成离子交换树脂的1／3；

⒋ 性能随原煤的品种而异, 难保持稳定的产品质量。

二、离子交换树脂

高分子化合物一般是由许多低分子化合物头尾相结合、连成一大串而形成的。这些低分子化合物称为单体，此化合过程称为聚合或缩合。离子交换树脂，根据其单体的种类，可分为苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等。

⒈ 苯乙烯系离子交换树脂

苯乙烯系是现在我国电厂用得最广泛的一种，其制造工艺的第一步是用苯乙烯和二乙烯苯进行共聚。

工业用二乙烯苯常常是它的各种异构体（约40％～55％）和乙基乙烯的混合物。所以在聚合时，实际上这些组成物均聚合在高分子内。

由于在一个二乙烯苯的分子上有两个可以聚合的乙烯基，它可以将两个苯乙烯聚合键交联起来，所以二乙烯苯称为架桥物质。在市场上买到的离子交换树脂所标称的交联度（简写为DVB ），就是指聚合时所用二乙烯苯的质量占苯乙烯总质量的百分率。交联度的大小对聚合体的性能有很大的影响。最显著的影响是它的机械强度和密度是随交联度的增大而加大的。

现在，由于水处理工艺的需要，常在合成离子交换树脂时直接制成小球状。这种小球是将单体放在水溶液中，使其在悬浮状态下聚合而成。由苯乙烯和二乙烯苯制得的是高分子化合物聚苯乙烯，还没有可交换离子的基团，是半成品，称为白球。当将还些白球作进一步处理，引入带有可交换离子的基团后，即可得阴、阳离子交换树脂。

⑴ 苯乙烯系磺酸型阳离子交换树脂。如将白球用浓硫酸处理，引入活性基团－SO 3H ，则可制得磺酸型阳离子交换树脂。

⑵ 苯乙烯系阴离子交换树脂。它的制造方法是先将聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化。氯甲基化的方法为用无水氯化铝或氧化锌为催化剂，用氯甲醚处理（称为傅氏反应）。如用叔胺处理此反应产物，即得季铵型强碱性阴离子交换剂，如用仲胺或伯胺处理，则生成的是弱碱性阴离子交换树脂。

强碱性阴离子交换剂分Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型是用三甲胺｛(CH3) 3N ｝胺化而得, Ⅱ型则是用二甲基乙醇基胺｛(CH3) 2NC 2H 4OH ｝胺化而得。Ⅰ型的碱性比Ⅱ型强，Ⅱ型的交换容量比Ⅰ型的大。

⒉ 丙烯酸系离子交换树脂

丙烯酸系树脂的基体是由丙烯酸甲酯（或甲基丙烯酸甲酯）和二乙烯苯共聚而成。 ⑴ 丙烯酸系羧酸树脂。当将上述基体进行水解时，就可获得丙烯酸系羧树脂。羧酸型树脂是弱酸性阳离子交换剂。

⑵ 丙烯酸系阴离子交换树脂。当将上述基体用多胺进行胺化时，就可获得丙烯酸系阴离子交换树脂。这样制得的产品是弱碱性。因为它的每一个活性基团中有一个仲胺基

和一个伯胺基，故其交换容量很大。 除了以上两种树脂外，基于基体组成的不同，还有酚醛型和环氧型等多种离子交换树脂。

⒊ 树脂的结构类型

用普通聚合法制成的离子树脂都是由许多不规则的网状高分子构成的，类似凝胶，故称凝胶型树脂。这种树脂的缺点是，抗氧化性和机械强度差，易受有机物污染等，所以后来又发展了许多其他类型的离子交换树脂，现分述如下：

⑴ 大孔型树脂（MR 型树脂）。大孔型树脂是在本世纪50年代末制成的。因其孔眼比凝胶型的大得多而得名。普通凝胶型树脂的孔眼孔径平均为1～2nm ，而大孔型的孔径在20～100nm 以上。凝胶型树脂的孔眼由高分子链和交联剂相键合而形成，这些孔眼不是其原有的，而是当它浸入水中时，由于活性基团发生水化而显示出来的。大孔型树脂实际上由许多小块凝胶型树脂所构成，孔眼存在于这些小块凝胶之间。不论是干的或湿的树脂，这些孔眼都可用电子显微镜看到。

大孔树脂的交联度通常要比凝胶型树脂的大，因为这样可制得抗氧化性好和机械强度高的树脂。至于凝胶型树脂，如果其交联度太大，则由于树脂孔眼过小和反应缓慢等原因，就失掉实用价值。对于大孔树脂来说，由于其大孔中有大量的表面积，离子很容易到达这里，所以可以补偿凝胶相中反应缓慢的过程。

实际上，由于大孔型树脂中的孔大，离子交换反应的速度加快，而且能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容易在再生时通过这些孔道除去）。大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和售价较贵等。

⑵ 第二代大孔型树脂。这是在上述第一代大孔树脂基础上发展起来的新品种。它是由小块凝胶型树脂构成的大孔型树脂，但在其制造过程中，孔眼的大小和孔隙度的多少都加以控制，使它们更符合实际应用的要求。它的孔径比第一代大孔型树脂的小，孔隙率也较小（为1%～20%），第一代大孔型树脂的孔隙率通常为30%)。这种新树脂的优点是与凝胶型树脂有相近的交换容量，有较快的反应速度，有比第一代大孔型树脂更好的物理性能、抗污染性能和抗渗透冲击性能等。

⑶ 超凝胶型树脂。普通凝胶型树脂有机械强度较差的缺点，其原因是苯乙烯和二乙烯苯进行聚合反应时，通常是二乙烯苯首先反应完了，随后进行单独的苯乙烯分子间的聚合。此时，聚合成的是线型高分子，机械强度较差，这是凝胶型树脂的薄弱环节。在超凝胶型树脂的制造过程中，设法控制好苯乙烯和二乙烯苯之间的反应速度，不使产生单独由苯乙烯本身分子间产生聚合反应。这样制得的树脂机械强度较好，可以与大孔树脂相比，价格和凝胶型树脂相近或相同。

⑷ 均孔型强碱性阴树脂。此种树脂可防止有机物中毒，它是基于以下原理制取：树脂的有机物中毒原因之一是交联得不均匀，如果使交联均匀，所有孔眼的大小相近，在树脂内部不再有紧密区，树脂就不会中毒，但用二乙烯苯作交联剂时，由于苯乙烯和二乙烯苯是两种不同单体，所以聚合引起的不均匀性是不可避免的。因此，在制取均孔型树脂时不用二乙烯苯作交联剂，而是在引入氯甲基时，利用傅氏反应的副反应，使树脂骨架上的氯甲基和邻近的苯环间和忝亚甲基桥。这种交联不会集拢在一起，网孔较均匀，故称均孔型（也可称为等孔型）。均孔型树脂对有机物的吸着是可逆的，所以不会被污染。

第二节 离 子 交 换 树 脂 的 命 名

一、 全称

有机合成离子交换树脂的全名称，由分类名称、骨架名称、基本名称三部分按顺序依次排序组成。

⑴ 分类名称。按有机合成离子交换树脂本体的微孔形态分类，分为凝胶型、大孔型等。

⑵ 骨架名称。按有机合成离子交换树脂骨架材料命名，分为苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系等。

⑶ 基本名称。基本名称为“离子交换树脂”。

凡属酸性反应的在基本名称前冠以“阳”字。

凡属碱性反应的在基本名称前冠以“阴”字。

按有机合成离子交换树脂的活性基团性质，分类强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螯合性等，分别在基本名称前冠以“强酸”、“弱酸”、“强碱”、“弱碱”、“螯合”等字样。

⑷ 全名称举例。微孔形态为凝胶型；骨架材料为“苯乙烯－二乙烯苯”共聚体；活性基团为“强酸”性磺酸基团（SO 3H ）的阳离子交换树脂，全名称为“凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂”。

二、型号

⑴ 有机合成离子交换树脂产品型号的命名原则。有机合成离子交换树脂产品型号，以三位阿拉伯数字表示，凝胶型树脂的交联度值，用联接符号所联系的第四位阿拉伯数字表示。

凡属大孔型树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”。

凡属凝胶型树脂，在型号前不加任何字母。

⑵ 各位数字所代表的意义。各位数字所代表的意义如下：

第四位数字代表交联度（％）

1) 第一位数字活性基团代号见下表。

第一位数字活性基团代号

2) 第二位数字骨架代号

3) 产品型号举例：001×7 凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7%，产品旧型号“732”；D311 “703”。

第三节 离 子 交 换 原 理

关于离子交换过程的机理很多，其中，最适于水处理工艺的，是将离子交换树脂看作具有胶体型结构的物质，这种上观点认为，在离子交换树脂的高分子表面上有许多和胶体表面相似的双电层。也就是说这里有两层离子，紧邻高分子表面的一层离子称为内层离子，在其外面是一层符号相反的离子层。与胶体的命名法相似，我们常把和内层离子符号相同的离子称作同离子，符号相反的称反离子。所以离子交换就是树脂中原有反离子和溶液中它种反离子相互交换位置。

根据胶体结构的概念，双电层中的反离子按其活动性的大小可划分为固定层和扩散层。那些活动性能差，紧紧地被吸附在高分子表面的离子层，称为固定层，在其外侧，那些活动性较大，向溶液中逐渐扩散的反离子层，称为扩散层，因为这些反离子像地球上的大气一样，笼罩在高分子表面上，故又称为离子氛。

内层离子依靠化学键结合在高分子的骨架上，固定层中的反离子依靠异电荷的吸引力被固定着。而在扩散层中的反离子，由于受到异电荷的吸引力较小，热运动比较显著，所以这些反离子有自高分子表面向溶液中渐渐扩散的现象。

当离子交换剂遇到含有电解质的水溶液时，电解质对其双电层有以下几种作用： ⑴ 交换作用。扩散层中反离子在溶液中的活动较自由，离子交换主要在此种反离子和溶液中其它反离子之间进行，但并不局限于此。因动平衡的关系，溶液中的反离子会先交换至扩散层，然后再与固定层中的反离子互换位置。

在扩散层中处于不同位置离子的能量是不相等的，那些和内层离得最远的反离子能量最大，因此它们最活泼，最易和其他反离子交换；和内层离得较近的反离子能量最小，活动性较差。这和多元酸或多元碱的多级电离情况相似。

⑵ 压缩作用。当溶液中盐类浓度增大时，可以使扩散层压缩，从而使扩散层中部分反离子变成固定层中的反离子，扩散层的活动范围变小。这说明了为什么当再生溶液的浓度太大时，不仅不能提高再生效果，有时反使再生效果降低。

第四节 离 子 交 换 树 脂 的 性 能

同一类型的离子交换树脂，其交联剂加入量的多少，对产品的物理化学性能有很大的影响，一般加交联剂多（即交联度大）的树脂，由于许多苯乙烯链都被交联成网状，所以其产品有网孔小、机械强度大和稳定性较好等特点，其特点是交换容量较小。

一、物理性能

1、外观

⑴ 颜色。离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，依其组成的不同，呈现的颜色也各异，苯乙烯系均呈黄色，其他也有黑色及赤褐色的。树脂的颜色稍深。树脂在使用中，由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因，其颜色会发生变化，但这种变化不

能确切表明它发生了什么改变，所以只可以作为参考。

⑵ 形状。离子交换树脂一般均呈球形。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90%以上。

树脂圆球率的测定方法，是先将树脂在60℃烘干、称重，然后慢慢倒在倾斜10°的玻璃上端，让树脂分散地向下自由滚动，将滚动下来的树脂再称重，后者与前者比值的百分数即为圆球率。

2、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0.3～1.2mm 。树脂粒度的表示法和过滤介质的粒度一样，可以用有效粒径和不匀系数表示。

3、密度

离子交换树脂的密度是水处理工艺中的实用数据。例如在估算设备中树脂的装载量，需要知道它的密度。离子交换树脂的密度有以下几种表示法。

（1）干真密度。干真密度即在干燥状态下树脂本身的密度：

干真密度 ＝ 干树脂质量 g/mL 树脂的真体积

此值一般为1.6左右, 在实用意义不大, 常用在研究树脂性能方面。

（2）湿真密度。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：

湿真密度 ＝ 湿树脂质量 g/mL 湿树脂的真体积

（3）湿视密度. 湿视密度是指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度:

湿视密度 ＝ 湿树脂质量 g/mL 湿树脂的堆体积

湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量, 此值一般在0.60～0.85之间。阴树脂较轻，偏于下限；阳树脂较重，偏于上限。

4、含水率

离子交换树脂的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，并联度愈小。

5、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。

影响溶胀率大小的因素有以下几种：

（1）溶剂。树脂在极性溶剂中的溶胀性, 通常比在非极性溶剂中强。

（2）交联度。高交联度树脂的溶胀能力较低。

（3）活性基团。此基团愈易电离，树脂的溶胀性愈强。

（4）交换容量。高交换容量离子交换树脂的溶胀性要比低交换容量的强。

（5）溶液深度。溶液中电解质浓度愈大，由于树脂内外溶液的渗透压差减小，树脂的溶胀率愈小。

（6）可交换离子的本质。可交换的水合离子半径愈大，其溶胀率愈大，故对于强酸和强碱性离子交换树脂，溶胀率大小的次序为：

＋＋＋＋＋ H ＞Na ＞NH 4＞K ＞Ag

－ OH ＞HCO 3≈CO32-＞SO 42-＞Cl -

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。

6、耐磨性

交换树脂颗粒在运行中，由于相互磨轧和胀缩作用，会发生碎裂现象，所以其耐磨性是一个影响其实用性能的指标。一般，其机械强度应能保证每年的树脂耗损量不超过3%～7%。

7、 溶解性

离子交换树脂是一种不溶于水的高分子化合物，但在产品中免不了会含有少量低聚物。因这些低聚物较易溶解，所以其应用的最初阶段。这些物质会逐渐溶解。

离子交换树脂在使用中，有时也会发生转变成胶体渐渐溶入水中的现象，即所谓胶溶。促使胶溶的因素有：树脂的交联度小、电离能力大、离子的水合半径大，有时还有受高温或被氧化的影响。特别是强碱性阴树脂，它会因化学降解而产生胶溶现象。

所以在运行中要密切注意其运行条件：如离子交换树脂处于蒸馏水中要比在盐溶液中易胶溶，Na 型比Ca 型易胶溶。离子交换器备用后刚投入运行时，有时发生出水带色的现象，就是胶溶的缘故。

8、 耐热性

各种树脂所能承受的温度都有限度，超过此温度，树脂热分解的现象就很严重。由于各种树脂的耐热性能不一，所以对每种树脂能承受的最高温度，应由鉴定试验来确定。一般阳树脂可耐100℃或更高的温度；阴树脂，强碱性的约可耐60℃，弱碱性的可耐80℃以上。通常，盐型要比酸型或碱型稳定。

9、 抗冻性

根据对各种树脂在－20℃的抗冻性试验，发现大孔型树脂的搞冻性优于凝胶型树脂，实际上冰对大孔型树脂没有影响。凝胶型阳树脂的抗冻性不如阴树脂。无论阴、阳树脂，机械强度好的（磨后圆球率高），抗冻性能也好。进行滤干外部水分的001×7阳树脂10周期（冻干24h ，再完全解冻24h 为1周期）的测定，发现磨后圆球率有所下降，裂球率提高，冰冻对浸在水中的001×7阳树脂的磨后圆球率几乎无影响；201×7

阴树脂不管滤干外部水分、还是浸在水中冰冻，磨后圆球率和裂球率均变化不大，表明阴树脂韧性较强。

10、 耐辐射性能

在有核反应堆的企业中，所用离子交换剂的抗辐射性是很重要的。一般而论，无机离子交换剂的耐辐射性能较好，而树脂均易降解，其中又以阴树脂为严重。

11、导电性

干燥的离子交换树脂不导电，纯水也不导电，但用纯水润湿的离子交换树脂可以导电，所以这种导电属于离子型导电。这种导电在离子交换膜及树脂的催化作用上很重要。

二、化学性能

离子交换树脂的化学性能，有离子交换、催化和形成络盐等。对于水处理来说，以离子交换最为重要。今将有关离子交换方面的性能叙述于下。

1、 离子交换反应的可逆性

离子交换反应是可逆的，例如当以含有硬度的水通过H 型离子交换树脂时，其反就如下式：

＋＋ 2RH ＋ Ca 2 R 2Ca ＋ 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：

＋＋ R 2Ca ＋ 2H 2RH ＋ Ca 2

＋这两种反应，实质上就是可逆反应式（1－1）化学平衡的移动。当水中Ca 2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 ＋ Ca 2 R 2Ca ＋ 2H （1－1）

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。

2、 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。例如

磺酸型是强酸性离子交换树脂

羧酸型是弱酸性离子交换树脂

季胺型是强碱性离子交换树脂

伯胺、仲胺和叔胺型是弱碱性离子交换树脂：

也有些离子交换树脂介于上述强弱之间，例如－PO 3H 2(膦酸基) 型离子交换树脂就是中等酸性的。

＋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。

3、中和与水解

离子交换树脂的中和与水解的性能和通常的电解质一样。H 离子交换树脂和碱

溶液会进行中和反应，如强酸性H 离子交换树脂和强碱NaOH 相遇，则中和反应进行得很完全，如下式：

RSO 3H ＋ NaOH RSO 3Na ＋ H 2O

因此，H 型离子交换树脂酸性的强弱，和一种化合物酸性的强弱一样，可用测定滴定曲线的办法求得。

它的水解反应也和通常电解质的水解反应一样，当水解产物有弱酸或弱碱时，水解度就较大，如下式：

RCOONa ＋ H 2O RCOOH ＋ NaOH

RNH 3Cl ＋ H 2O RNH 3OH ＋ HCl

所以，具有弱酸性基团和弱碱性基团的离子交换树脂的盐型，容易水解。

4、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。

5、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。其表示单位有以下两种：一是质量表示法，即单位质量离子交换树脂吸着能力，通常用mmol/g表示；另一种是体积表示法，即单位体积离子交换树脂的吸着能力，通常用mmol/m3表示。

在表示交换容量时，应把交换树脂上可交换离子的形态阐述清楚，因为离子交换树脂形态不同，其质量和体积也不相同。为了统一起见，一般是阳离子交换树脂以Na 型为准（也有以H 型为准的），阴离子交换树脂以Cl 型为准。必要时，应标明其离子形态。

今将常用的全交换容量、工作交换容量和平衡交换容量叙述如下：

（1） 全交换容量（Q ）。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。这种交换容量主要用于离子树脂的研究方面。

（2）工作交换容量（Q G ）。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。影响工作交换容量的因素甚多：如进水中离子的浓度、交换终点的控制指标、树脂层的高度、水流速度等。此外，通常为了节约再生剂的用量，交换剂并不能得到彻底再生，这也会对工作交换容量有很大影响。所以在测定工作交换容量时，应明确规定这些运行条件，或根据设备情况、原水水质和对出水水质的要求等，通过试验来测定。工作交换容量常用体积表示法，即mmol/m3或mol/L。

显然，离子交换树脂的再生程度对其交换容量有很大的影响。如经充分再生，

则可得到最大的工作交换容量。

（3）平衡交换容量（Q P ）。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。

第五节 离子交换选择性顺序

在离子交换水处理的实际应用中, 我们常常需要知道在许多离子的混合液中哪一种离子易被吸取, 哪一种离子较难被吸取的次序。此种性能与它们呈离子交换平衡时的相对量有关。

对于阳离子交换来说，此种顺序的规律比较明显，在稀溶液中，强酸性阳树脂对常见阳离子的选择性顺序如下：

＋＋＋＋＋＋＋ Fe 3＞Al 3＞Ca 2＞Mg 2＞K ≈NH4＞Na ＞H

这可以归纳为两个规律：离子所带电荷量愈大，愈易被吸取；当离子所带电荷量相

同时，离子水合半径较小的易被吸取。

＋＋ 对于弱酸性阳树脂，H 的位置向前移动，例如羧酸型树脂对H 选择性居于Fe 3

＋之前。在浓溶液中，选择性顺序有一些不同，某些低价离子会居于高价离子之前，至于阴离子交换的选择性顺序，情况要比阳离子交换复杂，通过研究得知，在淡水的离子交换除盐处理系统中，即进水是稀酸溶液时，强碱性OH 型阴树脂对阴离子的选择性顺序为:

SO 42-(+HSO4-) ＞Cl -＞HCO 3-＞HsiO 3-

当OH 离子交换树脂失效后，用碱进行再生时，即对于进水是浓碱溶液，阴离子的

选择性顺序为：

Cl -＞SO 42-＞CO 32-＞SiO 32-

据此，可以推知，强碱性OH 型阴树脂对于水中常见阴离子的吸着顺序，遵循以下

三条规律：

（1）在强弱酸混合的溶液中，易吸取强酸的阴离子。

（2）浓溶液与稀溶液相比，前者利于低价离子被吸取，后者利于高价离子被吸

取。

（3）在浓度和价数等条件相同的情况下，选择性系数在的易被吸取。

第六节 离子交换速度

离子交换平衡，是在某种具体条件下离子交换能达到的极限情况。在实际使用中，总是希望离子交换设备能在水的高流速下运行，所以反应的时间是有限的，不可能让离子交换达到平衡状态。为此，研究影响离子交换速度的因素，是有重要实践意义的。

离子交换过程，是在水中离子和离子交换树脂的可交换基团间进行的。树脂的可交换基团不规则在分布在每一颗粒中，它不仅处于树脂颗粒的表面，而且大量处在树脂颗粒的内部，所以离子交换的进行过程是比较复杂的，因为它不单是离子间交换位置的问题，还有离子在水中扩散到颗粒内部的过程。至于离子交换化学反应本身的速度，属于离子间的反应，一般是很快的，所以通常说的离子交换速度，不单指此种化学反应，而是表示水溶液中离子浓度改变的速度。

各种运行条件如何影响交换速度的问题，虽然已进行了许多研究，但还是没有完全弄清楚。下面简要地叙述影响阳离子交换速度的一些因素。

（1）树脂交换基团。我们知道离子间的化学反应速度是很快的，所以一般说来，树脂交换基团的不同并不影响到交换速度。例如磺酸型阳离子交换树脂，不论其呈H 、Na 或其他的形态，对各种阳离子间的交换速度都很快，彼此的差别也非常小。但对于会形成弱电解质的离子交换树脂，情况就不同，像H 型和盐型的交换速度就会有很大差别。

（2）树脂的交联度。树脂的交联度越大，网孔越小，则其颗粒内扩散越慢，交换速度就越慢，当水中有粒径较大的离子存在时，对交换速度影响就更为显著。

（3） 树脂的颗粒。树脂颗粒越小，交换速度越快。这是因为树脂的颗粒越小，内扩散的距离越短；同时颗粒越小，也等于扩大了膜扩散的表面积，从而加快交换速度。但树脂颗粒也不宜太小，因为太小会增大水流通过树脂层的阻力，且在反洗运行时容易流失。

（4）溶液的浓度。溶液浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。水溶液中离子浓度内扩散和膜扩散有不同程度的影响。当水溶液中离子浓度较大，膜扩散的速度就较快，此时交换速度主要受内扩散的支配，即内扩散是决定性阶段。这相当于水处理工艺中树脂再生时的情况。若水溶液中电解质的浓度较小，膜扩散的速度就变得非常慢，故交换速度受膜扩散的支配，这相当于用阳离子交换树脂进行水软化时的情况。当然，溶液中离子浓度变化时，树脂因膨胀或收缩也会影响到内扩散。

（5）水温。提高水温能同时加快内扩散和膜扩散，所以离子交换设备运行时，一般水温保持在20～40℃。但也不能过高，因为水温过高会影响交换剂的热稳定性，特别是强碱性阴树脂，不耐高温。

（6） 搅拌或提高流速。交换过程中的搅拌或提高水的流速，只能加快扩散，但不能影响内扩散。

（7）离子的本性。它对内扩散的速度影响较大，离子水合半径越大，内扩散越慢；离子电荷数越多，内扩散越慢，根据实验结果，阳离子增加一个电荷，其内扩散速度约减慢为原来的1／10。

影响阴离子交换速度的因素与阳离子交换现象十分相似，对于阴离子交换树脂，膜扩散的问题现在还研究得很少，但可以推测，在很稀的溶液中，对于强碱性树脂，膜扩散是主要的；在浓溶液中，颗粒内扩散是主要的。树脂的交联度和离子的电荷对阴离子在树脂颗粒内部的扩散速度影响比对阳离子的影响要小得多，如阴离子每增加一个电荷对其内扩散速度的影响程度，仅为阳离子的1／2或1／3。当树脂的交联度从5%增加到15%时，一价阳离子的内扩散速度降低约为原来的1／10，而一价阴离子内扩散速度仅降低为1／2。大孔型树脂，其内扩散的速度要比普通树脂的快得多。

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范文三：离子交换树脂

离子交换树脂是一种高分子化合物,这种材料有着很好的机械强度。离子交换树脂的化学 性质比较稳定,在没有意外的情况下阴离子交换树脂的使用可以有很长时间。那么,离子 交换树脂的工作原理是什么?

既然是一种离子交换树脂,那么它的作用环境就是溶液。水溶液中一般还有的是金属 阳离子,这些金属阳离子可以与材料上的氢离子发生离子交换作用,这样溶液中的阳离子 就会跑到材料上,这样阳离子就交换完毕。这个过程靠的就是离子交换树脂的原料的作用。 而阴离子的交换和上面的是一样的,就是水中的阴离子与材料上的 OH-交换,交换到 水中的 H+与 OH-反应生成水,这样就会使溶液脱盐。我们生产厂家在多年的生产中,提 高了离子交换树脂寿命,让人们从一定程度上节约了成本。

离子交换树脂的定义就是脱盐,是溶液中的盐分脱离出来。离子交换树脂的工作原理 是及其简单的,厂家关键是选择良好的材料才能将这种原理体现出来。如果你需要这种产 品,可以到我们厂家进行挑选,保证使用方便,使用时间长。

离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与 溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同,离子交换树脂可分为阳离子交 换树脂和阴离子交换树脂两类。

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+ 这也是硬水软化的原理。

阴离子交换树脂含有季胺基 [-N(CH3) 3OH]、胺基(— NH2)或亚胺基(— NH2) 等碱性基团。它们在水中能生成 OH-离子,可与各种阴离子起交换作用,其交换原理 为

R— N (CH3) 3OH +Cl- R— N (CH3) 3Cl +OH- 由于离子交换作用是 可逆的,因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤,可恢复到 原状态而重复使用,这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液 淋洗;阴

范文四：离子交换树脂

离子交换树脂

求助编辑百科名片

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。通常是球形颗粒物。

离子交换树脂形态

离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架(或基因)名称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶 型和大孔型两种,凡具有物理孔结构的称大孔型树脂,在全名称前加 “ 大孔 ” 。分类属酸性的 应在名称前加 “ 阳 ” ,分类属碱性的,在名称前加 “ 阴 ” 。如:大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换 树脂。

编辑本段基本分类

离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。 树脂中化学活性 基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。 首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类, 它 们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。 阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类, 阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类(或再分出中强酸和中强碱性类) 。

离子交换树脂基本形态

编辑本段命名方式

离子交换树脂的命名方式:

离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成, 第一位数字代表产品的分类, 第二位数字代表 骨架的差异,第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。第一、第二位

湿离子交换树脂

数字的意义,见表 8-1。

表 8-1 树脂型号中的一、二位数字的意义

代号 0 1 2 3 4 5 6

分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性螫合性两性氧化还原性

骨架名称苯乙烯系丙烯酸系醋酸系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系

大孔树脂在型号前加 “D” ,凝胶型树脂的交联度值可在型号后用 “×” 号连接阿拉伯数字表示。 如 D011×7,表示大孔强酸性丙烯酸系阳离子交换树脂,其交联度为 7。

国外一些产品用字母 C 代表阳离子树脂(C 为 cation 的第一个字母) , A 代表阴离子树脂(A 为 Anion 的第一个字母) ,如 Amberlite 的 IRC 和 IRA 分别为阳树脂和阴树脂,亦分别代表阳 树脂和阴树脂。

编辑本段制造厂家

离子交换树脂在国内外都有很多制造厂家和很多品种。 国内制造厂有数十家, 主要的有上海 树脂有限公司、 南开化工厂、安徽皖东化工有限人司,浙江争光实业股份有限公司、晨光化 工研究院树脂厂、 江苏色可赛思树脂有限公司等; 国外较著名的如美国 Rohm & Hass公司生 产的 Amberlite 系列、 Success 公司生产 Ionresin 系列、 Dow 化学公司的 Dowex 系列、法国 Duolite 系列和 Asmit 系列、日本的 Diaion 系列,还有 Ionac 系列、 Allassion 系列等。树脂的 牌号多数由各制造厂或所在国自行规定。

编辑本段基本类型

强酸性阳离子树脂

这类树脂含有大量的强酸性基团, 如磺酸基-SO3H , 容易在溶液中离解出 H+, 故呈强酸性。 树脂离解后,本体所含的负电基团,如 SO3-,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个

离子交换树脂

反应使树脂中的 H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强,在酸性或碱 性溶液中均能离解和产生离子交换作用。

树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行, 使树脂的官能基团回复原来状态, 以供再次使用。 如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处 理,此时树脂放出被吸附的阳离子,再与 H+结合而恢复原来的组成。

弱酸性阳离子树脂

这类树脂含弱酸性基团,如羧基-COOH ,能在水中离解出 H+ 而呈酸性。树脂离解后余下 的负电基团,如 R-COO -(R 为碳氢基团) ,能与溶液中的其他阳离子吸附结合,从而产生 阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱,在低 pH 下难以离解和进行离子交换,只 能在碱性、中性或微酸性溶液中(如 pH5~14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强 酸性树脂较易再生) 。

强碱性阴离子树脂

这类树脂含有强碱性基团,如季胺基(亦称四级胺基)-NR3OH(R为碳氢基团) ,能在水中 离解出 OH -而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴 离子交换作用。

这种树脂的离解性很强,在不同 pH 下都能正常工作。它用强碱(如 NaOH )进行再生。 弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团,如伯胺基(亦称一级胺基) -NH2、仲胺基(二级胺基) -NHR 、 或叔胺基(三级胺基) -NR2,它们在水中能离解出 OH -而呈弱碱性。这种树脂的正电基团 能与溶液

离子交换树脂

中的阴离子吸附结合, 从而产生阴离子交换作用。 这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个 其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如 pH1~9)下工作。它可用 Na2CO3、 NH4OH 进行再生。

离子树脂的转型

以上是树脂的四种基本类型。 在实际使用上, 常将这些树脂转变为其他离子型式运行, 以适 应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与 NaCl 作用,转变为钠型树脂再使用。工作时钠 型树脂放出 Na+与溶液中的 Ca2+、 Mg2+等阳离子交换吸附,除去这些离子。反应时没有放 出 H+,可避免溶液 pH 下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等) 。这种树脂以 钠型运行使用后,可用盐水再生(不用强酸) 。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用,工作 时放出 Cl -而吸附交换其他阴离子, 它的再生只需用食盐水溶液。 氯型树脂也可转变为碳酸 氢型 (HCO3

-)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后,就不再具有强酸性

及强碱性,但它们仍然有这些树脂的其他典型性能,如离解性强和工作的 pH 范围宽广等。 编辑本段基体组成

离子交换树脂 (ionresin ) 的基体 (matrix ) , 制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸 (酯) 两大类, 它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应,形成具有长分子主链及交联横链的网络骨

离子交换树脂

架结构的聚合物。苯乙烯系树脂是先使用的,丙烯酸系树脂则用得较后。

这两类树脂的吸附性能都很好, 但有不同特点。 丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素, 脱色容量大,而且吸附物较易洗脱, 便于再生,在糖厂中可用作主要的脱色树脂。 苯乙烯系 树脂擅长吸附芳香族物质,善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的) ;但 在再生时较难洗脱。因此,糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色,再用苯乙烯树脂进行精脱色, 可充分发挥两者的长处。

树脂的交联度, 即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数, 对树脂的性质有很大影响。 通常, 交联度高的树脂聚合得比较紧密,坚牢而耐用,密度较高,内部空隙较少, 对离子的选择性 较强; 而交联度低的树脂孔隙较大, 脱色能力较强,反应速度较快,但在工作时的膨胀性较 大,机械强度稍低,比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于 4%;用于脱 色的树脂的交联度一般不高于 8%;单纯用于吸附无机离子的树脂,其交联度可较高。 除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外,离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成。 如酚醛系(FP ) 、环氧系(EPA ) 、乙烯吡啶系(VP ) 、脲醛系(UA )等。

编辑本段物理结构

离子树脂常分为凝胶型和大孔型两类。

凝胶型树脂的高分子骨架, 在干燥的情况下内部没有毛细孔。 它在吸水时润胀, 在大分子链 节间形成很微细的孔隙, 通常称为显微孔 (micro-pore ) 。 湿润树脂的平均孔径为 2~4nm (2×10 -6 ~4×10-6mm ) 。

离子交换树脂

这类树脂较适合用于吸附无机离子,它们的直径较小,一般为 0.3~0.6nm 。这类树脂不能 吸附大分子有机物质,因后者的尺寸较大,如蛋白质分子直径为 5~20nm ,不能进入这类 树脂的显微孔隙中。

大孔型树脂是在聚合反应时加入致孔剂, 形成多孔海绵状构造的骨架, 内部有大量永久性的 微孔,再导入交换基团制成。它并存有微细孔和大网孔(macro-pore ) ,润湿树脂的孔径达 100~500nm , 其大小和数量都可以在制造时控制。 孔道的表面积可以增大到超过 1000m2/g。 江苏色可赛思树脂有限公司整理这不仅为离子交换提供了良好的接触条件, 缩短了离子扩散 的路程,还增加了许多链节活性中心,通过分子间的范德华引力(van de Waals force)产生 分子吸附作用, 能够象活性炭那样吸附各种非离子性物质, 扩大它的功能。 一些不带交换功 能团的大孔型树脂也能够吸附、分离多种物质,例如化工厂废水中的酚类物。

大孔树脂内部的孔隙又多又大, 表面积很大, 活性中心多,离子扩散速度快,离子交换速度 也快很多,约比凝胶型树脂快约十倍。使用时的作用快、效率高,所需处理时间缩短。大孔 树脂还有多种优点:耐溶胀,不易碎裂,耐氧化,耐磨损,耐热及耐温度变化,以及对有机 大分子物质较易吸附和交换,因而抗污染力强,并较容易再生。

编辑本段交换容量

离子交换树脂进行离子交换反应的性能, 表现在它的 “ 离子交换容量 ” , 即每克干树脂或每毫 升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数, meq/g(干)或 meq/mL(湿) ;当离子为一价时, 毫克当量数即是毫克分子数 (对二价或多价离子, 前者为后者乘离子价数) 。 它又有 “ 总交换 容量 ” 、 “ 工作交换容量 ” 和 “ 再生交换容量 ” 等三种表示方式。

1、 总交换容量, 表示每单位数量 (重量或体积 ) 树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。

离子交换树脂塔

2、 工作交换容量, 表示树脂在某一定条件下的离子交换能力, 它与树脂种类和总交换容量, 以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。

3

、再生交换容量,表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量,表明树脂

中原有化学基团再生复原的程度。

通常,再生交换容量为总交换容量的 50~90%(一般控制 70~80%) ,而工作交换容量为再 生交换容量的 30~90%(对再生树脂而言) ,后一比率亦称为树脂的利用率。

在实际使用中, 离子交换树脂的交换容量包括了吸附容量, 但后者所占的比例因树脂结构不 同而异。现仍未能分别进行计算,在具体设计中, 需凭经验数据进行修正, 并在实际运行时 复核之。

离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。 这些离子尺寸较小, 能自由扩散到树脂体内, 与它内部的全部交换基团起反应。 而在实际应用时, 溶液中常含有高分子有机物, 它们的尺 寸较大, 难以进入树脂的显微孔中, 因而实际的交换容量会低于用无机离子测出的数值。 这 种情况与树脂的类型、孔的结构尺寸及所处理的物质有关。

编辑本段吸附选择

离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力, 对它们的吸附有选择性。 各种离子受树 脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律,但不同的树脂可能略有差异。主要规律如下:对阳离子的吸附

高价离子通常被优先吸附, 而低价离子的吸附较弱。 在同价的同类离子中, 直径较大的离子 的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下:

Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+

对阴离子的吸附

强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为:

SO42-> NO3-> Cl-> HCO3-> OH-

弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下:

OH ->柠檬酸根 3-> SO42->酒石酸根 2->;草酸根 2-> PO43->NO2-> Cl ->;醋酸根 -> HCO3-

对有色物的吸附

糖液脱色常使用强碱性阴离子树脂, 它对拟黑色素 (还原糖与氨基酸反应产物) 和还原糖的 碱性分解产物的吸附较强,而对焦糖色素的吸附较弱。这被认为是由于前两者通常带负电, 而焦糖的电荷很弱。

通常, 交联度高的树脂对离子的选择性较强, 大孔结构树脂的选择性小于凝胶型树脂。 这种 选择性在稀溶液中较大,在浓溶液中较小。

编辑本段物理性质

离子交换树脂的颗粒尺寸和有关的物理性质对它的工作和性能有很大影响。

树脂颗粒尺寸

离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒, 它的尺寸也很重要。 树脂颗粒较细者, 反应速度较大, 但细颗粒对液体通过的阻力较大, 需要较高的工作压力; 特别是浓糖液粘度高, 这种影响更 显著。因此,树脂颗粒的大小应选择适当。如果树脂粒径在 0.2mm (约为 70目)以下,会 明显增大流体通过的阻力,降低流量和生产能力。

树脂颗粒大小的测定通常用湿筛法, 将树脂在充分吸水膨胀后进行筛分, 累计其在 20、 30、 40、 50…… 目筛网上的留存量,以 90%粒子可以通过其相对应的筛孔直径,称为树脂的 “ 有效 粒径 ” 。多数通用的树脂产品的有效粒径在 0.4~0.6mm 之间。

树脂颗粒是否均匀以均匀系数表示。 它是在测定树脂的 “ 有效粒径 ” 坐标图上取累计留存量为 40%粒子,相对应的筛孔直径与有效粒径的比例。如一种树脂(IR-120)的有效粒径为 0.4~ 0.6mm ,它在 20目筛、 30目筛及 40目筛上留存粒子分别为:18.3%、 41.1%、及 31.3%,则 计算得均匀系数为 2.0。

树脂的密度

树脂在干燥时的密度称为真密度。湿树脂每单位体积(连颗粒间空隙)的重量称为视密度。 树脂的密度与它的交联度和交换基团的性质有关。 通常, 交联度高的树脂的密度较高, 强酸 性或强碱性树脂的密度高于弱酸或弱碱性者, 而大孔型树脂的密度则较低。 江苏色可赛思树 脂有限公司整理例如,苯乙烯系凝胶型强酸阳离子树脂的真密度为 1.26g/mL,视密度为 0.85g/mL;而丙烯酸系凝胶型弱酸阳离子树脂的真密度为 1.19g/mL,视密度为 0.75g/mL。 树脂的溶解性

离子交换树脂应为不溶性物质。 但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质, 及树脂分解 生成的物质, 会在工作运行时溶解出来。 交联度较低和含活性基团多的树脂, 溶解倾向较大。 膨胀度

离子交换树脂含有大量亲水基团, 与水接触即吸水膨胀。 当树脂中的离子变换时, 如阳离子 树脂由 H+转为 Na+,阴树脂由 Cl -转为 OH -,都因离子直径增大而发生膨胀,增大树脂的 体积。 通常,交联度低的树脂的膨胀度较大。 在设计离子交换装置时, 必须考虑树脂的膨胀 度,以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。

耐用性

树脂颗粒使用时有转移、 摩擦、 膨胀和收缩等变化,长期使用后会有少量损耗和破碎, 故树 脂要有较高的机械强度和耐磨性。 通常, 交联度低的树脂较易碎裂, 但树脂的耐用性更主要 地决定于交联结构的均匀程度及其强度。 如大孔树脂,具有较高的交联度者,结构稳定,能 耐反复再生。

编辑本段应用领域

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。

编辑本段其他补充

离子交换技术有相当长的历史, 某些天然物质如泡沸石和用煤经过磺化制得的磺化煤都可用

作离子交换剂。 但是, 随着现代有机合成工业技术的迅速发展, 研究制成了许多种性能优良 的离子交换树脂, 并开发了多种新的应用方法, 离子交换技术迅速发展, 在许多行业特别是 高新科技产业和科研领域中广泛应用。 近年国内外生产的树脂品种达数百种, 年产量数十万 吨。

在工业应用中, 离子交换树脂的优点主要是处理能力大, 脱色范围广, 脱色容量高,能除去 各种不同的离子, 可以反复再生使用, 工作寿命长, 运行费用较低 (虽然一次投入费用较大) 。 以离子交换树脂为基础的多种新技术,如色谱分离法、离子排斥法、电渗析法等, 各具独特 的功能, 可以进行各种特殊的工作, 是其他方法难以做到的。 离子交换技术的开发和应用还 在迅速发展之中。

离子交换树脂的应用, 是近年国内外制糖工业的一个重点研究课题, 是糖业现代化的重要标 志。膜分离技术在糖业的应用也受到广泛的研究。

离子交换树脂都是用有机合成方法制成。常用的原料为苯乙烯或丙烯酸(酯) ,通过聚合反 应生成具有三维空间立体网络结构的骨架, 再在骨架上导入不同类型的化学活性基团 (通常 为酸性或碱性基团)而制成。

离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。 大多数制成颗粒状, 也有一些制成纤维状或粉状。 树脂 颗粒的尺寸一般在 0.3~1.2mm 范围内,大部分在 0.4~0.6mm 之间。它们有较高的机械强 度(坚牢性) ,化学性质也很稳定,在正常情况下有较长的使用寿命。

离子交换树脂中含有一种 (或几种) 化学活性基团, 它即是交换官能团, 在水溶液中能离解 出某些阳离子(如 H+或 Na+)或阴离子(如 OH -或 Cl -) ,同时吸附溶液中原来存有的其 他阳离子或阴离子。 即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换, 从而将溶液中的离子分离出 来。

离子交换树脂的品种很多, 因化学组成和结构不同而具有不同的功能和特性, 适应于不同的 用途。应用树脂要根据工艺要求和物料的性质选用适当的类型和品种。

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离子交换树脂再生

离子交换树脂预处理

注意事项:

1、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。

2、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。

3、 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。

4、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活化处理, 活化方法可根据污染情况和条件而定,一般阳树脂在软化中易受 Fe 的污染可用盐酸浸泡, 然后逐步稀释,阴树脂易受有机物污染,可用 10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗, 必要时可用 1%双氧水溶液泡数分钟,其它,也可采用酸碱交替处理法,漂白处理法,酒精 处理及各种灭菌法等等。

5、 新树脂的预处理:离子交换树脂的工业产品中, 常含有少量低聚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。

编辑本段保存方法

离子交换树脂不能露天存放,存放处的温度为 0-40℃,当存放处温度稍低于 0℃时,应向包 装袋内加入澄清的饱和食盐水、 浸泡树脂。此外,当存放处温度过高时, 不但使树脂易于脱 水,还会加速阴树脂的降解。一旦树脂失水, 使用时不能直接加水,可用澄清的饱和食盐水 浸泡,然后再逐步加水稀释,洗去盐分,贮存期间应使其保持湿润。

范文五：离子交换树脂)

摘要纠错编辑摘要

离子交换树脂常用于原水处理的有钠型阳离子交换树脂和阴离子交换树脂，全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称构成。根据树脂的酸碱性分，属酸性的在名称前加“阳”，强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂使用，就叫做“钠型阳离子交换树脂”。属碱性的在名称前加“阴”。

离子交换树脂-离子交换树脂

离子交换树脂-正文

一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，加热不熔，

也不溶解于任何介质，能同溶液里的离子起交换反应。离子交换反应与无机化学的置换或复分解反应类似，如硫酸钠与硝酸钡的化学反应：

所差异的只是，无机化学的复分解反应一般是均相反应，而在离子交换树脂上进行的反应是非均相反应。最主要的离子交换反应有：

①

阳离子交换树脂的交换反应：

R为高分子强酸基，如结构式a、b。

② 阴离子交换树脂的交换反应：

R为高分子强碱基，如结构式c。

简史 离子交换树脂开始出现于1935年，当时，英国人B.A.亚当斯和E.L.霍姆斯发现，苯酚磺酸－甲醛逐步聚合物能够交换阳离子,其后,又发现间苯二胺与甲醛的聚合物具有交换阴离子的性能。1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和化学品公司先后开始工业生产，并分别以Wofatit和Amberlite作为商品名。1944年美国人G.F.达莱利奥合成了苯乙烯系离子交换树脂。第二次世界大战期间，在德国,Wofatit除用于水的精制外，还从人造丝工厂废液中回收铜氨，从照像废液中回收银。在这期间，美国将离子交换树脂用于从贫铀矿中提取铀及用于核裂变生成物、超铀元素、稀土元素的分离。战后，离子交换树脂的合成和应用进一步得到发展，在水纯化领域中，采用混合床脱盐法，制得了电阻率为1800万欧·厘米的高纯水。50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了电化学的新领域。60年代初期,为适应尖端科学的发展，又研制出耐压、耐磨、高交换速度、能交换或吸

着高分子量化合物(如水里的腐植酸)的大孔离子交换树脂。在选择分离稀有金属、贵重金属，环境保护，医药，仿生高分子，选择性膜，金属络合催化等方面都有了广泛的应用。70年代以后，又出现了各种大孔吸附树脂及特种树脂。

分类 离子交换树脂根据外观形状及物理性质（孔度、孔度分布、比表面、孔径等）分为凝胶、大孔和离子交换膜等。根据用途有选择交换用、脱色用、吸着用、电子交换（氧化还原）用等。根据母体的化学结构可分为苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛类系列等。根据离子交换树脂中活性基团的性质可分为：强酸性的、中等酸性的、弱酸性的;强碱性的、中等碱性的、弱碱性的;氧化还原性的。含有酸性基团的离子交换树脂，能同溶液里的阳离子起交换反应，称为阳离子交换树脂；含有碱性基团的离子交换树脂，能交换溶液里的阴离子，称为阴离子交换树脂；含氧化还原基团的离子交换树脂，能与溶液里的还原剂或氧化剂起反应，称为电子交换树脂；同时含酸性和碱性基团的称为两性树脂，因为它在溶液里能与碱或酸作用。若树脂与溶液里的高价阳离子作用后，能形成钳环形的络合物，则称为螯合树脂。 合成 离子交换树脂的合成过程见图。

离子交换树脂

性质 离子交换树脂商品一般是制成直径为 0.4～0.6毫米的球状颗粒；在水中能溶胀,但不溶于任何溶剂，加热不熔。

①强酸性树脂 它的酸性接近硫酸，能与盐发生复分解作用，在任何pH的溶液里都能使用。

②中等酸性树脂 这类树脂的酸性接近磷酸，能与高价金属盐发生不同程度的交换作用。

③弱酸性树脂 这类树脂的化学性质与乙酸相似，酸性比较弱，不易与盐类起交换作用；但在碱性溶液里，能与多价金属离子发生复分解作用，对二价金属离子如铜、钴、镍、锌、汞等有较高的结合力。在使用时，要考虑它的盐型能起水解作用。最高使用温度在 120℃左右，容易为强酸再生。

④强碱性树脂(含季铵碱基) 这类树脂的碱性相当于苛性碱，能除去水溶液里很弱的酸

如硼酸、硅酸、碳酸、低分子量的有机酸等。这类树脂的羟基与氮原子结合能力很弱，故易与金属盐起复分解作用，形成碱性很强的溶液。羟型树脂对热不稳定,若为强碱Ⅰ型树脂(见结构式a),使用温度不能超过60℃;若为Ⅱ型树脂(b),不能超过40℃。因此，这类树脂不使用时，一般以氯型保存，不能以羟型保存。强碱性树脂可以在任何pH溶液里进行交换。

⑤弱碱性树脂 弱碱性树脂的化学性质与铵相似，呈弱碱性，能吸着水溶液里的酸而形成盐，其盐型在水溶液中发生水解。树脂与强酸和高价酸结合力强，对氧和热的稳定性差。 影响离子交换反应的因素 离子交换反应主要发生在树脂内部。在离子交换反应前，溶液里的反应物必须能扩散进树脂内部。扩散速率与树脂体上毛细孔大小有关，而毛细孔的大小，与合成时加入的交联剂的量有关。交联剂用量少的,树脂的交联度小,毛细孔孔径就大，反应物就容易扩散进去；交联剂用量多的，树脂的交联度大，毛细孔孔径就小，反应物就不容易进去。因此，往往利用交联度不同的树脂，将分子量不同的化合物分开。

另外，溶液里的离子浓度与树脂的交换量也是影响反应物扩散进树脂内部的因素之一。若溶液里的离子浓度比较高，而树脂的交换量又比较小时，则离子很易扩散进树脂内部进行交换；反之，若溶液里的离子浓度较小，树脂的交换量又高,溶液里的离子不易扩散进去,故交换反应不能进行，因而去除溶液里少量离子是困难的。

应用 ①用于水处理的量很大，占离子交换树脂的产量的90％以上（见彩图）。

离子交换树脂

工业用水里存在钙、镁、两价和三价的铁离子，易使管道和锅炉结垢。除去这些金属离子的过程，称为水的软化。早期水的软化是使用沸石及磺化煤，现多用聚苯乙烯磺酸型离子交换树脂。用于原子能、半导体、电子工业、高温高压锅炉的水，要求高质量的无离子水。采用离子交换树脂混合床法可使水去离子化，即将氢型强酸树脂与羟型强碱树脂混合均匀后放入一交换柱内，通过交换柱出来的水，仅含0.006ppm的离子性溶质（水的电阻率为1.8×10欧·厘米），此纯度相当于用石英容器重蒸馏28次所获得的水。 7

②从贫铀矿里将铀分离、浓缩、提纯和回收，分离和提纯稀土元素和贵金属，回收电镀溶液中的铬及人造丝废液中的铜等。

③用于医学和医药上的回收、分离和提纯，如抗生素、氨基酸及生物碱的分离提纯，用量相当大。

④在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、醇醛缩合、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。

⑤用于分析化学，例如水中离子浓度的分析、稀土分析、生化分离，以及月球上痕量物质的分析等。

⑥用于糖、生物制品、甘油、酒等的脱色。

⑦去除电镀废液里的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质，如苯酚及其衍生物等。 ⑧用于外消旋物的拆分、固相合成，以及作为化学试剂等。

参考书目

R. Kunin，Ion-Exchange Resins ，2nd ed.,R.E.Krieger,New York, 1973.

F.Hellfferich，Ion Exchange，McGraw-Hill, NewYork,1962.

一、离子交换树脂基础介绍

离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔”。分类属酸性的应在名称前加“阳”，分类属碱性的，在名称前加“阴”。如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。

离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类 (或再分出中强酸和中强碱性类)。 离子交换树脂的命名方式：

离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。第一、第二位数字的意义，见表8-1。

表8-1 树脂型号中的一、二位数字的意义

代号 0 1 2 3 4 5 6

分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螫合性 两性 氧化还原性

骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 醋酸系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系

大孔树脂在型号前加“D”，凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“×”号连接阿拉伯数字表示。如D011×7，表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，其交联度为7。

离子交换树脂在国内外都有很多制造厂家和很多品种。国内制造厂有数十家，主要的有

上海树脂有限公司、南开化工厂、浙江争光实业股份有限公司、晨光化工研究院树脂厂、江苏色可赛思树脂有限公司等；国外较著名的如美国Rohm & Hass公司生产的Amberlite系列、Success公司生产Ionresin系列、Dow化学公司的Dowex系列、法国Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列，还有Ionac系列、Allassion系列等。树脂的牌号多数由各制造厂或所在国自行规定。国外一些产品用字母C代表阳离子树脂(C为cation的第一个字母)，A代表阴离子树脂(A为Anion的第一个字母)，如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂，亦分别代表阳树脂和阴树脂。我国化工部规定(HG2-884-76)，离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类：0 代表强酸性，1代表弱酸性，2代表强碱性，3代表弱碱性，4代表螯合性，5代表两性，6代表氧化还原。第二位数字代表不同的骨架结构：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表环氧系等。第三位数字为顺序号，用以区别基体、交联基等的差异。 此外大孔型树脂在数字前加字母D。因此，D001是大孔强酸性苯乙烯系树脂。

二、离子交换树脂的基本类型

(1) 强酸性阳离子树脂

这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。

树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与H+结合而恢复原来的组成。

(2) 弱酸性阳离子树脂

这类树脂含弱酸性基团，如羧基－COOH，能在水中离解出H+ 而呈酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO－(R为碳氢基团)，能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。

(3) 强碱性阴离子树脂

这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)－NR3OH(R为碳氢基团)，能在水中离解出OH－而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。

这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如NaOH)进行再生。

(4) 弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH1～9)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH

进行再生。

(5) 离子树脂的转型

以上是树脂的四种基本类型。在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行，以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl－而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3－)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他典型性能，如离解性强和工作的pH范围宽广等。

三、离子交换树脂基体的组成

离子交换树脂(ionresin)的基体(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类，它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应，形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物。苯乙烯系树脂是先使用的，丙烯酸系树脂则用得较后。

这两类树脂的吸附性能都很好，但有不同特点。丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素，脱色容量大，而且吸附物较易洗脱，便于再生，在糖厂中可用作主要的脱色树脂。苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质，善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的)；但在再生时较难洗脱。因此，糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色，再用苯乙烯树脂进行精脱色，可充分发挥两者的长处。

树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数，对树脂的性质有很大影响。通常，交联度高的树脂聚合得比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。 除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外，离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成。如酚醛系(FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。

四、离子交换树脂的物理结构

离子树脂常分为凝胶型和大孔型两类。

凝胶型树脂的高分子骨架，在干燥的情况下内部没有毛细孔。它在吸水时润胀，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔(micro-pore)。湿润树脂的平均孔径为2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。

这类树脂较适合用于吸附无机离子，它们的直径较小，一般为0.3～0.6nm。这类树脂不能吸附大分子有机物质，因后者的尺寸较大，如蛋白质分子直径为5～20nm，不能进入这类树脂的显微孔隙中。

大孔型树脂是在聚合反应时加入致孔剂，形成多孔海绵状构造的骨架，内部有大量永久性的微孔，再导入交换基团制成。它并存有微细孔和大网孔(macro-pore)，润湿树脂的孔径达100～500nm，其大小和数量都可以在制造时控制。孔道的表面积可以增大到超过

1000m2/g。江苏色可赛思树脂有限公司整理这不仅为离子交换提供了良好的接触条件，缩短了离子扩散的路程，还增加了许多链节活性中心，通过分子间的范德华引力(van de Waals force)产生分子吸附作用，能够象活性炭那样吸附各种非离子性物质，扩大它的功能。一些不带交换功能团的大孔型树脂也能够吸附、分离多种物质，例如化工厂废水中的酚类物。 大孔树脂内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，离子扩散速度快，离子交换速度也快很多，约比凝胶型树脂快约十倍。使用时的作用快、效率高，所需处理时间缩短。大孔树脂还有多种优点：耐溶胀，不易碎裂，耐氧化，耐磨损，耐热及耐温度变化，以及对有机大分子物质较易吸附和交换，因而抗污染力强，并较容易再生。

五、离子交换树脂的离子交换容量

离子交换树脂进行离子交换反应的性能，表现在它的“离子交换容量”，即每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数，meq/g(干)或 meq/mL(湿)；当离子为一价时，毫克当量数即是毫克分子数(对二价或多价离子，前者为后者乘离子价数)。它又有“总交换容量”、“工作交换容量”和“再生交换容量”等三种表示方式。

１、总交换容量，表示每单位数量(重量或体积)树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。

２、工作交换容量，表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。

３、再生交换容量，表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量,表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。

通常，再生交换容量为总交换容量的50～90%(一般控制70～80%)，而工作交换容量为再生交换容量的30～90%(对再生树脂而言)，后一比率亦称为树脂的利用率。

在实际使用中，离子交换树脂的交换容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因树脂结构不同而异。现仍未能分别进行计算，在具体设计中，需凭经验数据进行修正，并在实际运行时复核之。

离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。这些离子尺寸较小，能自由扩散到树脂体内，与它内部的全部交换基团起反应。而在实际应用时，溶液中常含有高分子有机物，它们的尺寸较大，难以进入树脂的显微孔中，因而实际的交换容量会低于用无机离子测出的数值。这种情况与树脂的类型、孔的结构尺寸及所处理的物质有关。

六、离子交换树脂的吸附选择性

离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。主要规律如下： (１) 对阳离子的吸附

高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中，直径较大的离子的被吸附较强。一些阳离子被吸附的顺序如下：

Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+

(２) 对阴离子的吸附

强碱性阴离子树脂对无机酸根的吸附的一般顺序为：

SO42－> NO3－ > Cl－ > HCO3－ > OH－

弱碱性阴离子树脂对阴离子的吸附的一般顺序如下：

OH－> 柠檬酸根3－ > SO42－ > 酒石酸根2－ >草酸根2－ > PO43－ >NO2－ > Cl－ >醋酸根－ > HCO3－

(３) 对有色物的吸附

糖液脱色常使用强碱性阴离子树脂，它对拟黑色素(还原糖与氨基酸反应产物)和还原糖的碱性分解产物的吸附较强，而对焦糖色素的吸附较弱。这被认为是由于前两者通常带负电，而焦糖的电荷很弱。

通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强，大孔结构树脂的选择性小于凝胶型树脂。这种选择性在稀溶液中较大，在浓溶液中较小。

七、离子交换树脂的物理性质

离子交换树脂的颗粒尺寸和有关的物理性质对它的工作和性能有很大影响。 (１) 树脂颗粒尺寸

离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒，它的尺寸也很重要。树脂颗粒较细者，反应速度较大，但细颗粒对液体通过的阻力较大，需要较高的工作压力；特别是浓糖液粘度高，这种影响更显著。因此，树脂颗粒的大小应选择适当。如果树脂粒径在0.2mm(约为70目)以下，会明显增大流体通过的阻力，降低流量和生产能力。

树脂颗粒大小的测定通常用湿筛法，将树脂在充分吸水膨胀后进行筛分，累计其在20、30、40、50??目筛网上的留存量，以90%粒子可以通过其相对应的筛孔直径，称为树脂的“有效粒径”。多数通用的树脂产品的有效粒径在0.4～0.6mm之间。

树脂颗粒是否均匀以均匀系数表示。它是在测定树脂的“有效粒径”坐标图上取累计留存量为40%粒子，相对应的筛孔直径与有效粒径的比例。如一种树脂(IR-120)的有效粒径为0.4～0.6mm，它在20目筛、30目筛及40目筛上留存粒子分别为：18.3%、41.1%、及31.3%，则计算得均匀系数为2.0。

(２) 树脂的密度

树脂在干燥时的密度称为真密度。湿树脂每单位体积(连颗粒间空隙)的重量称为视密度。树脂的密度与它的交联度和交换基团的性质有关。通常，交联度高的树脂的密度较高，强酸性或强碱性树脂的密度高于弱酸或弱碱性者，而大孔型树脂的密度则较低。江苏色可赛思树脂有限公司整理例如，苯乙烯系凝胶型强酸阳离子树脂的真密度为1.26g/mL，视密度为0.85g/mL；而丙烯酸系凝胶型弱酸阳离子树脂的真密度为1.19g/mL，视密度为0.75g/mL。 (３) 树脂的溶解性

离子交换树脂应为不溶性物质。但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质，及树脂分解生成的物质，会在工作运行时溶解出来。交联度较低和含活性基团多的树脂，溶解倾向较大 。

(４) 膨胀度

离子交换树脂含有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀。当树脂中的离子变换时，如阳离子树脂由H+转为Na+，阴树脂由Cl－转为OH－，都因离子直径增大而发生膨胀，增大树

脂的体积。通常，交联度低的树脂的膨胀度较大。在设计离子交换装置时，必须考虑树脂的膨胀度，以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。

(５) 耐用性

树脂颗粒使用时有转移、摩擦、膨胀和收缩等变化，长期使用后会有少量损耗和破碎，故树脂要有较高的机械强度和耐磨性。通常，交联度低的树脂较易碎裂，但树脂的耐用性更主要地决定于交联结构的均匀程度及其强度。如大孔树脂，具有较高的交联度者，结构稳定，能耐反复再生 。

八、离子交换树脂的应用领域：

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。 其他补充：

离子交换技术有相当长的历史，某些天然物质如泡沸石和用煤经过磺化制得的磺化煤都可用作离子交换剂。但是，随着现代有机合成工业技术的迅速发展，研究制成了许多种性能优良的离子交换树脂，并开发了多种新的应用方法，离子交换技术迅速发展，在许多行业特别是高新科技产业和科研领域中广泛应用。近年国内外生产的树脂品种达数百种，年产量数十万吨。

在工业应用中，离子交换树脂的优点主要是处理能力大，脱色范围广，脱色容量高，能除去各种不同的离子，可以反复再生使用，工作寿命长，运行费用较低(虽然一次投入费用较大)。以离子交换树脂为基础的多种新技术，如色谱分离法、离子排斥法、电渗析法等，各具独特的功能，可以进行各种特殊的工作，是其他方法难以做到的。离子交换技术的开发和应用还在迅速发展之中。

离子交换树脂的应用，是近年国内外制糖工业的一个重点研究课题，是糖业现代化的重要标志。膜分离技术在糖业的应用也受到广泛的研究。

离子交换树脂都是用有机合成方法制成。常用的原料为苯乙烯或丙烯酸(酯)，通过聚合反应生成具有三维空间立体网络结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通常为酸性或碱性基团)而制成。

离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状或粉状。树脂颗粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范围内，大部分在0.4～0.6mm之间。它们有较高的机械强度(坚牢性)，化学性质也很稳定，在正常情况下有较长的使用寿命。

离子交换树脂中含有一种(或几种)化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子(如H+或Na+)或阴离子(如OH－或Cl－)，同时吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。 离子交换树脂的品种很多，因化学组成和结构不同而具有不同的功能和特性，适应于不同的用途。应用树脂要根据工艺要求和物料的性质选用适当的类型和品种。

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