離子交換樹(shù)脂（具有網(wǎng)狀結構等高分子的化合物）
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離子交換樹(shù)脂
具有網(wǎng)狀結構等高分子的化合物
離子交換樹(shù)脂是帶有官能團（有交換離子的活性基團）、具有網(wǎng)狀結構、不溶性的高分子化合物。通常是球形顆粒物。離子交換樹(shù)脂的全名稱(chēng)由分類(lèi)名稱(chēng)、骨架（或基因）名稱(chēng)、基本名稱(chēng)組成。
孔隙結構分凝膠型和大孔型兩種，凡具有物理孔結構的稱(chēng)大孔型樹(shù)脂，在全名稱(chēng)前加“大孔”。分類(lèi)屬酸性的應在名稱(chēng)前加“陽(yáng)”，分類(lèi)屬堿性的，在名稱(chēng)前加“陰”。如：大孔強酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂。
基本信息
| 中文名 | 離子交換樹(shù)脂 |
| 外文名 | Ion-exchange Resin |
| 出處 | 化學(xué) |
| 分類(lèi) | 凝膠型和大孔型 |
| 分類(lèi)屬 | 堿性 |
| 命名方式 | 三位阿拉伯數字 |
| 別名 | 離子交換高分子化合物 |
收起
基本介紹
離子交換樹(shù)脂形態(tài)
基本分類(lèi)
離子交換樹(shù)脂還可以根據其基體的種類(lèi)分為苯乙烯系樹(shù)脂和丙烯酸系樹(shù)脂。樹(shù)脂中化學(xué)活性基團的種類(lèi)決定了樹(shù)脂的主要性質(zhì)和類(lèi)別。首先區分為陽(yáng)離子樹(shù)脂和陰離子樹(shù)脂兩大類(lèi)，它們可分別與溶液中的陽(yáng)離子和陰離子進(jìn)行離子交換。陽(yáng)離子樹(shù)脂又分為強酸性和弱酸性?xún)深?lèi)，陰離子樹(shù)脂又分為強堿性和弱堿性?xún)深?lèi)（或再分出中強酸和中強堿性類(lèi)）。
命名方式
離子交換樹(shù)脂的命名方式：
濕離子交換樹(shù)脂
表8-1 樹(shù)脂型號中的一、二位數字的意義
代號 0 1 2 3 4 5 6
大孔樹(shù)脂在型號前加“D”，凝膠型樹(shù)脂的交聯(lián)度值可在型號后用“×”號連接阿拉伯數字表示。如D011×7，表示大孔強酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其交聯(lián)度為7。
國外一些產(chǎn)品用字母C代表陽(yáng)離子樹(shù)脂（C為cation的第一個(gè)字母），A代表陰離子樹(shù)脂（A為Anion的第一個(gè)字母），如Amberlite的IRC和IRA分別為陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，亦分別代表陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂。
制造廠(chǎng)家
離子交換樹(shù)脂在國內外都有很多制造廠(chǎng)家和很多品種。國內制造廠(chǎng)有數十家，主要的有上海樹(shù)脂有限公司、南開(kāi)化工廠(chǎng)、安徽皖東化工有限人司，浙江爭光實(shí)業(yè)股份有限公司、晨光化工研究院樹(shù)脂廠(chǎng)、江蘇色可賽思樹(shù)脂有限公司等；國外較著(zhù)名的如美國Rohm & Hass公司生產(chǎn)的Amberlite系列、Success公司生產(chǎn)Ionresin系列、Dow化學(xué)公司的Dowex系列、法國Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列，還有Ionac系列、Allassion系列等。樹(shù)脂的牌號多數由各制造廠(chǎng)或所在國自行規定。
基本類(lèi)型
強酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂
離子交換樹(shù)脂
樹(shù)脂在使用一段時(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以相反方向進(jìn)行，使樹(shù)脂的官能基團回復原來(lái)狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽(yáng)離子樹(shù)脂是用強酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹(shù)脂放出被吸附的陽(yáng)離子，再與H+結合而恢復原來(lái)的組成。
強堿性陰離子樹(shù)脂
這類(lèi)樹(shù)脂含有強堿性基團，如季胺基（亦稱(chēng)四級胺基）－NR3OH（R為碳氫基團），能在水中離解出OH－而呈強堿性。這種樹(shù)脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。
弱堿性陰離子樹(shù)脂
離子交換樹(shù)脂
離子樹(shù)脂的轉型
以上是樹(shù)脂的四種基本類(lèi)型。在實(shí)際使用上，常將這些樹(shù)脂轉變?yōu)槠渌x子型式運行，以適應各種需要。例如常將強酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂與NaCl作用，轉變?yōu)殁c型樹(shù)脂再使用。工作時(shí)鈉型樹(shù)脂放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子交換吸附，除去這些離子。反應時(shí)沒(méi)有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用（如蔗糖轉化和設備腐蝕等）。這種樹(shù)脂以鈉型運行使用后，可用鹽水再生（不用強酸）。又如陰離子樹(shù)脂可轉變?yōu)槁刃驮偈褂茫ぷ鲿r(shí)放出Cl－而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹(shù)脂也可轉變?yōu)樘妓釟湫停℉CO3－）運行。強酸性樹(shù)脂及強堿性樹(shù)脂在轉變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強酸性及強堿性，但它們仍然有這些樹(shù)脂的其他典型性能，如離解性強和工作的pH范圍寬廣等。
基體組成
離子交換樹(shù)脂
這兩類(lèi)樹(shù)脂的吸附性能都很好，但有不同特點(diǎn)。丙烯酸系樹(shù)脂能交換吸附大多數離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠(chǎng)中可用作主要的脫色樹(shù)脂。苯乙烯系樹(shù)脂擅長(cháng)吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類(lèi)色素（包括帶負電的或不帶電的）；但在再生時(shí)較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹(shù)脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹(shù)脂進(jìn)行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長(cháng)處。
樹(shù)脂的交聯(lián)度，即樹(shù)脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分數，對樹(shù)脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹(shù)脂聚合得比較緊密，堅牢而耐用，密度較高，內部空隙較少，對離子的選擇性較強；而交聯(lián)度低的樹(shù)脂孔隙較大，脫色能力較強，反應速度較快，但在工作時(shí)的膨脹性較大，機械強度稍低，比較脆而易碎。工業(yè)應用的離子樹(shù)脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹(shù)脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無(wú)機離子的樹(shù)脂，其交聯(lián)度可較高。
物理結構
離子樹(shù)脂常分為凝膠型和大孔型兩類(lèi)。
離子交換樹(shù)脂
大孔型樹(shù)脂是在聚合反應時(shí)加入致孔劑，形成多孔海綿狀構造的骨架，內部有大量永久性的微孔，再導入交換基團制成。它并存有微細孔和大網(wǎng)孔（macro-pore），潤濕樹(shù)脂的孔徑達100～500nm，其大小和數量都可以在制造時(shí)控制。孔道的表面積可以增大到超過(guò)1000m2/g。這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴散的路程，還增加了許多鏈節活性中心，通過(guò)分子間的范德華引力（van de Waals force）產(chǎn)生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴大它的功能。一些不帶交換功能團的大孔型樹(shù)脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠(chǎng)廢水中的酚類(lèi)物。
大孔樹(shù)脂內部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹(shù)脂快約十倍。使用時(shí)的作用快、效率高，所需處理時(shí)間縮短。大孔樹(shù)脂還有多種優(yōu)點(diǎn)：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對有機大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強，并較容易再生。
交換容量
離子交換樹(shù)脂進(jìn)行離子交換反應的性能，表現在它的“離子交換容量”，即每克干樹(shù)脂或每毫升濕樹(shù)脂所能交換的離子的毫克當量數，meq/g（干）或 meq/mL（濕）；當離子為一價(jià)時(shí)，毫克當量數即是毫克分子數（對二價(jià)或多價(jià)離子，前者為后者乘離子價(jià)數）。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。
離子交換樹(shù)脂塔
通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%（一般控制70～80%），而工作交換容量為再生交換容量的30～90%（對再生樹(shù)脂而言），后一比率亦稱(chēng)為樹(shù)脂的利用率。
在實(shí)際使用中，離子交換樹(shù)脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹(shù)脂結構不同而異。現仍未能分別進(jìn)行計算，在具體設計中，需憑經(jīng)驗數據進(jìn)行修正，并在實(shí)際運行時(shí)復核之。
離子樹(shù)脂交換容量的測定一般以無(wú)機離子進(jìn)行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹(shù)脂體內，與它內部的全部交換基團起反應。而在實(shí)際應用時(shí)，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進(jìn)入樹(shù)脂的顯微孔中，因而實(shí)際的交換容量會(huì )低于用無(wú)機離子測出的數值。這種情況與樹(shù)脂的類(lèi)型、孔的結構尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。
吸附選擇
離子交換樹(shù)脂對溶液中的不同離子有不同的親和力，對它們的吸附有選擇性。各種離子受樹(shù)脂交換吸附作用的強弱程度有一般的規律，但不同的樹(shù)脂可能略有差異。主要規律如下：
對陽(yáng)離子的吸附
高價(jià)離子通常被優(yōu)先吸附，而低價(jià)離子的吸附較弱。在同價(jià)的同類(lèi)離子中，直徑較大的離子的被吸附較強。一些陽(yáng)離子被吸附的順序如下：
Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+
物理性質(zhì)
離子交換樹(shù)脂的顆粒尺寸和有關(guān)的物理性質(zhì)對它的工作和性能有很大影響。
樹(shù)脂顆粒尺寸
離子交換樹(shù)脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹(shù)脂顆粒較細者，反應速度較大，但細顆粒對液體通過(guò)的阻力較大，需要較高的工作壓力；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著(zhù)。因此，樹(shù)脂顆粒的大小應選擇適當。如果樹(shù)脂粒徑在0.2mm（約為70目）以下，會(huì )明顯增大流體通過(guò)的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。
樹(shù)脂顆粒大小的測定通常用濕篩法，將樹(shù)脂在充分吸水膨脹后進(jìn)行篩分，累計其在20、30、40、50……目篩網(wǎng)上的留存量，以90%粒子可以通過(guò)其相對應的篩孔直徑，稱(chēng)為樹(shù)脂的“有效粒徑”。多數通用的樹(shù)脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。
樹(shù)脂顆粒是否均勻以均勻系數表示。它是在測定樹(shù)脂的“有效粒徑”坐標圖上取累計留存量為40%粒子，相對應的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹(shù)脂（IR-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得均勻系數為2.0。
樹(shù)脂的密度
樹(shù)脂的溶解性
離子交換樹(shù)脂應為不溶性物質(zhì)。但樹(shù)脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹(shù)脂分解生成的物質(zhì)，會(huì )在工作運行時(shí)溶解出來(lái)。交聯(lián)度較低和含活性基團多的樹(shù)脂，溶解傾向較大。
膨脹度
離子交換樹(shù)脂含有大量親水基團，與水接觸即吸水膨脹。當樹(shù)脂中的離子變換時(shí)，如陽(yáng)離子樹(shù)脂由H+轉為Na+，陰樹(shù)脂由Cl－轉為OH－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹(shù)脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹(shù)脂的膨脹度較大。在設計離子交換裝置時(shí)，必須考慮樹(shù)脂的膨脹度，以適應生產(chǎn)運行時(shí)樹(shù)脂中的離子轉換發(fā)生的樹(shù)脂體積變化。
耐用性
樹(shù)脂顆粒使用時(shí)有轉移、摩擦、膨脹和收縮等變化，長(cháng)期使用后會(huì )有少量損耗和破碎，故樹(shù)脂要有較高的機械強度和耐磨性。通常，交聯(lián)度低的樹(shù)脂較易碎裂，但樹(shù)脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結構的均勻程度及其強度。如大孔樹(shù)脂，具有較高的交聯(lián)度者，結構穩定，能耐反復再生。
應用領(lǐng)域
1）水處理
水處理領(lǐng)域離子交換樹(shù)脂的需求量很大，約占離子交換樹(shù)脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽(yáng)離子的去除。目前，離子交換樹(shù)脂的最大消耗量是用在火力發(fā)電廠(chǎng)的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業(yè)等。
2）食品工業(yè)
離子交換樹(shù)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，產(chǎn)生葡萄糖與果糖，而后經(jīng)離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹(shù)脂在食品工業(yè)中的消耗量?jì)H次于水處理。
3）制藥行業(yè)
制藥工業(yè)離子交換樹(shù)脂對發(fā)展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質(zhì)量改良具有重要作用。鏈霉素的開(kāi)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。用離子交換樹(shù)脂代替無(wú)機酸、堿，同樣可進(jìn)行上述反應，且優(yōu)點(diǎn)更多。如樹(shù)脂可反復使用，產(chǎn)品容易分離，反應器不會(huì )被腐蝕，不污染環(huán)境，反應容易控制等。
5）環(huán)境保護
離子交換樹(shù)脂已應用在許多非常受關(guān)注的環(huán)境保護問(wèn)題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質(zhì)，這些可用樹(shù)脂進(jìn)行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影制片廢液里的有用物質(zhì)等。
6）濕法冶金及其他
其他補充
離子交換技術(shù)有相當長(cháng)的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過(guò)磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著(zhù)現代有機合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹(shù)脂，并開(kāi)發(fā)了多種新的應用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應用。近年國內外生產(chǎn)的樹(shù)脂品種達數百種，年產(chǎn)量數十萬(wàn)噸。
在工業(yè)應用中，離子交換樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復再生使用，工作壽命長(cháng)，運行費用較低（雖然一次投入費用較大）。以離子交換樹(shù)脂為基礎的多種新技術(shù)，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進(jìn)行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應用還在迅速發(fā)展之中。
離子交換樹(shù)脂的應用，是近年國內外制糖工業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)研究課題，是糖業(yè)現代化的重要標志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應用也受到廣泛的研究。
離子交換樹(shù)脂都是用有機合成方法制成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸（酯），通過(guò)聚合反應生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò )結構的骨架，再在骨架上導入不同類(lèi)型的化學(xué)活性基團（通常為酸性或堿性基團）而制成。
離子交換樹(shù)脂不溶于水和一般溶劑。大多數制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹(shù)脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度（堅牢性），化學(xué)性質(zhì)也很穩定，在正常情況下有較長(cháng)的使用壽命。
離子交換樹(shù)脂中含有一種（或幾種）化學(xué)活性基團，它即是交換官能團，在水溶液中能離解出某些陽(yáng)離子（如H+或Na+）或陰離子（如OH－或Cl－），同時(shí)吸附溶液中原來(lái)存有的其他陽(yáng)離子或陰離子。即樹(shù)脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來(lái)。
離子交換樹(shù)脂的品種很多，因化學(xué)組成和結構不同而具有不同的功能和特性，適應于不同的用途。應用樹(shù)脂要根據工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當的類(lèi)型和品種。
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離子交換樹(shù)脂再生
離子交換樹(shù)脂預處理
注意事項：
1、離子交換樹(shù)脂含有一定水份，不宜露天存放，儲運過(guò)程中應保持濕潤，以免風(fēng)干脫水，使樹(shù)脂破碎，如貯存過(guò)程中樹(shù)脂脫水了，應先用濃食鹽水（10%）浸泡，再逐漸稀釋?zhuān)坏弥苯臃湃胨校悦鈽?shù)脂急劇膨脹而破碎。
2、冬季儲運使用中，應保持在5-40℃的溫度環(huán)境中，避免過(guò)冷或過(guò)熱，影響質(zhì)量，若冬季沒(méi)有保溫設備時(shí)，可將樹(shù)脂貯存在食鹽水中，食鹽水濃度可根據氣溫而定。
3、離子交換樹(shù)脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚合物和未參加反應的單體，還含有鐵、鉛、銅等無(wú)機雜質(zhì)，當樹(shù)脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時(shí)，上述物質(zhì)就會(huì )轉入溶液中，影響出水質(zhì)量，因此，新樹(shù)脂在使用前必須進(jìn)行預處理，一般先用水使樹(shù)脂充分膨脹，然后，對其中的無(wú)機雜質(zhì)（主要是鐵的化合物）可用4-5%的稀鹽酸除去，有機雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去，洗到近中性即可。如在醫藥制備中使用，須用乙醇浸泡處理。
4、樹(shù)脂在使用中，防止與金屬（如鐵、銅等）油污、有機分子微生物、強氧化劑等接觸，免使離子交換能力降低，甚至失去功能，因此，須根據情況對樹(shù)脂進(jìn)行不定期的活化處理，活化方法可根據污染情況和條件而定，一般陽(yáng)樹(shù)脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡，然后逐步稀釋?zhuān)帢?shù)脂易受有機物污染，可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗，必要時(shí)可用1%雙氧水溶液泡數分鐘，其它，也可采用酸堿交替處理法，漂白處理法，酒精處理及各種滅菌法等等。
5、新樹(shù)脂的預處理：離子交換樹(shù)脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚物和未參加反應的單體，還含有鐵、鉛、銅等無(wú)機雜質(zhì)。當樹(shù)脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時(shí)，上述物質(zhì)就會(huì )轉入溶液中，影響出水質(zhì)量。因此，新樹(shù)脂在使用前必須進(jìn)行預處理。一般先用水使樹(shù)脂膨脹，然后，對其中的無(wú)機雜質(zhì)（主要是鐵的化合物）可用4-5%的稀鹽酸除去，有機雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去洗到近中性即可。
保存方法
離子交換樹(shù)脂不能露天存放，存放處的溫度為0-40℃，當存放處溫度稍低于0℃時(shí)，應向包裝袋內加入澄清的飽和食鹽水、浸泡樹(shù)脂。此外，當存放處溫度過(guò)高時(shí)，不但使樹(shù)脂易于脫水，還會(huì )加速陰樹(shù)脂的降解。一旦樹(shù)脂失水，使用時(shí)不能直接加水，可用澄清的飽和食鹽水浸泡，然后再逐步加水稀釋?zhuān)慈}分，貯存期間應使其保持濕潤。
物化信息
中文名稱(chēng)：離子交換樹(shù)脂
英文名稱(chēng)：Amberlite XAD-16
英文別名：Amberlite(r) xad-16; amberlite(r) xad-16 nonionic polymeric adsorbent; supelclean envi-chrom p, 50 grams; amberchrom 161c, 50gm; amberchrom 161c 100ml; amberlite xad-16, -7, -4 resin; amberlite xad-15 nonionic polymeric adsorbent; amberlitet la-2, ion exchange resin, liquid grade; amberlite la-2; ion exchange resin
CAS：104219-63-8;11128-96-4
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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