離子交換樹脂的物理結(jié)構(gòu)

        離子交換樹脂進行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/g(干)或 meq/mL(濕)；當(dāng)離子為一價時，毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對二價或多價離子，前者為后者乘離子價數(shù))。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。

        １、總交換容量，表示每單位數(shù)量(重量或體積)樹脂能進行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團的總量。

        ２、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。

        ３、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學(xué)基團再生復(fù)原的程度。    

        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%(對再生樹脂而言)，后一比率亦稱為樹脂的利用率。

        在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異?，F(xiàn)仍未能分別進行計算，在具體設(shè)計中，需憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修正，并在實際運行時復(fù)核之。

        離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團起反應(yīng)。而在實際應(yīng)用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低于用無機離子測出的數(shù)值。這種情況與樹脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。

離子交換樹脂的吸附選擇性

        離子交換樹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。各種離子受樹脂交換吸附作用的強弱程度有一般的規(guī)律，但不同的樹脂可能略有差異。主要規(guī)律如下：

(１) 對陽離子的吸附

        高價離子通常被優(yōu)先吸附，而低價離子的吸附較弱。在同價的同類離子中，直徑較大的離子的被吸附較強。一些陽離子被吸附的順序如下：

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

(２) 對陰離子的吸附

        強堿性陰離子樹脂對無機酸根的吸附的一般順序為：

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

        弱堿性陰離子樹脂對陰離子的吸附的一般順序如下：

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

(３) 對有色物的吸附

        糖液脫色常使用強堿性陰離子樹脂，它對擬黑色素(還原糖與氨基酸反應(yīng)產(chǎn)物)和還原糖的堿性分解產(chǎn)物的吸附較強，而對焦糖色素的吸附較弱。這被認(rèn)為是由于前兩者通常帶負(fù)電，而焦糖的電荷很弱。

        通常，交聯(lián)度高的樹脂對離子的選擇性較強，大孔結(jié)構(gòu)樹脂的選擇性小于凝膠型樹脂。這種選擇性在稀溶液中較大，在濃溶液中較小。

離子交換樹脂的物理性質(zhì)

        離子交換樹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。

(１) 樹脂顆粒尺寸

        離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹脂顆粒較細者，反應(yīng)速度較大，但細顆粒對液體通過的阻力較大，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。因此，樹脂顆粒的大小應(yīng)選擇適當(dāng)。如果樹脂粒徑在0.2mm(約為70目)以下，會明顯增大流體通過的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。

        樹脂顆粒大小的測定通常用濕篩法，將樹脂在充分吸水膨脹后進行篩分，累計其在20、30、40、50……目篩網(wǎng)上的留存量，以90%粒子可以通過其相對應(yīng)的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效粒徑”。多數(shù)通用的樹脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。

        樹脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測定樹脂的“有效粒徑”坐標(biāo)圖上取累計留存量為40%粒子，相對應(yīng)的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹脂(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(shù)為2.0。

(２) 樹脂的密度

        樹脂在干燥時的密度稱為真密度。濕樹脂每單位體積(連顆粒間空隙)的重量稱為視密度。樹脂的密度與它的交聯(lián)度和交換基團的性質(zhì)有關(guān)。通常，交聯(lián)度高的樹脂的密度較高，強酸性或強堿性樹脂的密度高于弱酸或弱堿性者，而大孔型樹脂的密度則較低。江蘇色可賽思樹脂有限公司整理例如，苯乙烯系凝膠型強酸陽離子樹脂的真密度為1.26g/mL，視密度為0.85g/mL；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽離子樹脂的真密度為1.19g/mL，視密度為0.75g/mL。

(３) 樹脂的溶解性

        離子交換樹脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹脂分解生成的物質(zhì)，會在工作運行時溶解出來。交聯(lián)度較低和含活性基團多的樹脂，溶解傾向較大 。

(４) 膨脹度

        離子交換樹脂含有大量親水基團，與水接觸即吸水膨脹。當(dāng)樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂由H+轉(zhuǎn)為Na+，陰樹脂由Cl－轉(zhuǎn)為OH－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大。在設(shè)計離子交換裝置時，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運行時樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化。

(５) 耐用性

        樹脂顆粒使用時有轉(zhuǎn)移、摩擦、膨脹和收縮等變化，長期使用后會有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機械強度和耐磨性。通常，交聯(lián)度低的樹脂較易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強度。如大孔樹脂，具有較高的交聯(lián)度者，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐反復(fù)再生 。

離子交換樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域：

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，離子交換樹脂的主要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。離子交換樹脂在食品工業(yè)中的消耗量僅次于水處理。

3）制藥行業(yè)

        制藥工業(yè)離子交換樹脂對發(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酸、堿，同樣可進行上述反應(yīng)，且優(yōu)點更多。如樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器不會被腐蝕，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，由異丁烯與甲醇反應(yīng)而成，代替了原有的可對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的四乙基鉛。

5）環(huán)境保護

        離子交換樹脂已應(yīng)用在許多非常受關(guān)注的環(huán)境保護問題上。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)，這些可用樹脂進行回收使用。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

        離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

其他補充：

        離子交換技術(shù)有相當(dāng)長的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)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)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應(yīng)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(yīng)用。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。

        在工業(yè)應(yīng)用中，離子交換樹脂的優(yōu)點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復(fù)再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)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)的開發(fā)和應(yīng)用還在迅速發(fā)展之中。

        離子交換樹脂的應(yīng)用，是近年國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點研究課題，是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應(yīng)用也受到廣泛的研究。

        離子交換樹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)，通過聚合反應(yīng)生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的骨架，再在骨架上導(dǎo)入不同類型的化學(xué)活性基團(通常為酸性或堿性基團)而制成。

        離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑。大多數(shù)制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內(nèi)，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(wěn)定，在正常情況下有較長的使用壽命。

        離子交換樹脂中含有一種(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離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH－或Cl－)，同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹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。

        離子交換樹脂的品種很多，因化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同而具有不同的功能和特性，適應(yīng)于不同的用途。應(yīng)用樹脂要根據(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)念愋秃推贩N。

注意事項：

        1、離子交換樹脂含有一定水份，不宜露天存放，儲運過程中應(yīng)保持濕潤，以免風(fēng)干脫水，使樹脂破碎，如貯存過程中樹脂脫水了，應(yīng)先用濃食鹽水（10%）浸泡，再逐漸稀釋，不得直接放入水中，以免樹脂急劇膨脹而破碎。

        2、冬季儲運使用中，應(yīng)保持在5-40℃的溫度環(huán)境中，避免過冷或過熱，影響質(zhì)量，若冬季沒有保溫設(shè)備時，可將樹脂貯存在食鹽水中，食鹽水濃度可根據(jù)氣溫而定。

        3、離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚合物和未參加反應(yīng)的單體，還含有鐵、鉛、銅等無機雜質(zhì)，當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時，上述物質(zhì)就會轉(zhuǎn)入溶液中，影響出水質(zhì)量，因此，新樹脂在使用前必須進行預(yù)處理，一般先用水使樹脂充分膨脹，然后，對其中的無機雜質(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(yī)藥制備中使用，須用乙醇浸泡處理。

        4、樹脂在使用中，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(jù)情況對樹脂進行不定期的活化處理，活化方法可根據(jù)污染情況和條件而定，一般陽樹脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡，然后逐步稀釋，陰樹脂易受有機物污染，可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗，必要時可用1%雙氧水溶液泡數(shù)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、新樹脂的預(yù)處理：離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚物和未參加反應(yīng)的單體，還含有鐵、鉛、銅等無機雜質(zhì)。當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時，上述物質(zhì)就會轉(zhuǎn)入溶液中，影響出水質(zhì)量。因此，新樹脂在使用前必須進行預(yù)處理。一般先用水使樹脂膨脹，然后，對其中的無機雜質(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。

離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。

        凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒有毛細孔。它在吸水時潤脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細的孔隙，通常稱為顯微孔(micro-pore)。濕潤樹脂的平均孔徑為2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。

        這類樹脂較適合用于吸附無機離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進入這類樹脂的顯微孔隙中。

        大孔型樹脂是在聚合反應(yīng)時加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量永久性的微孔，再導(dǎo)入交換基團制成。它并存有微細孔和大網(wǎng)孔(macro-pore)，潤濕樹脂的孔徑達100～500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時控制。孔道的表面積可以增大到超過1000m2/g。江蘇色可賽思樹脂有限公司整理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(jié)活性中心，通過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脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠廢水中的酚類物。

        大孔樹脂內(nèi)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，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時的作用快、效率高，所需處理時間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點：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。

離子交換樹脂的離子交換容量