关于离子交换树脂介绍

[拼音]：lizi jiaohuan shuzhi

[外文]：ion exchange resins

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。

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。

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。

离子交换树脂的合成过程见图。

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。

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。

（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）。

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1.8×107欧·厘米），此纯度相当于用石英容器重蒸馏28次所获得的水。

（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

1. R. Kunin，Ion-Exchange Resins ，2nd ed.，R.E.Krieger，New York， 1973.
2. F.Hellfferich，Ion Exchange，McGraw-Hill， NewYork，1962.

参考文章

• 离子交换树脂的绿色再生工艺废水治理
• 水处理课堂讲学二：离子交换树脂的特性及应用废水治理
• 离子交换树脂在工业废水处理中的研究进展废水治理
• 离子交换树脂的处理废水治理
• 磁性阴离子交换树脂(MIEX&reg；)再生工艺的研究废水治理
• 离子交换树脂除砷的研究废水治理
• 离子交换树脂在废水处理中的应用废水治理
• 离子交换树脂处理高浓度氨氮废水技术废水治理