離子交換樹脂的原理與應用
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- 發布時間：2020-03-16
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【概要描述】離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工業生產的各個環節，對現代化工業的發展起著重要作用。?離子交換樹脂的原理與應用離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工
離子交換樹脂的原理與應用
【概要描述】離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工業生產的各個環節，對現代化工業的發展起著重要作用。?離子交換樹脂的原理與應用離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工
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離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工業生產的各個環節，對現代化工業的發展起著重要作用。
離子交換樹脂的原理與應用
離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進行脫鹽、脫色、分離、精制等，應用領域涉及水處理、食品加工、醫藥衛生、環保等，滲透在工業生產的各個環節，對現代化工業的發展起著重要作用。
一、離子交換樹脂外觀與結構
離子交換樹脂外觀為固體球形顆粒，粒徑為0.3-1.2mm，呈乳白、淡黃或棕褐色不透明或半透明球狀，不溶于水。
離子交換樹脂是一類帶有功能基的網狀結構的高分子化合物，其結構由三部分組成：不溶性的三維空間網狀骨架、連接在骨架上的活性基團?；钚曰鶊F包括固定離子和帶相反電荷的可交換活動離子。
網狀骨架不溶于一般的酸、堿溶液及各種有機溶劑，如乙醇、丙酮及烴等。功能基（活性基團）固定在網絡骨架上不能自由移動。功能基所帶的可以離解的離子卻能自由移動，可以與周圍的外來離子互相交換。隨著使用或再生時，在不同的外界條件下，與周圍的同類型其他離子相互交換。以聚苯乙烯型離子交換樹脂為例，其母體為苯乙烯單體與二苯乙烯交聯劑共聚成的網狀骨架，功能基團為磺酸基，可交換離子為氫離子或鈉離子。
人們就是通過控制樹脂上的可交換離子，創造適宜條件，如改變濃度差、利用親合力差別等，使它與相近的同類型離子進行反復交換，以達到不同的使用目的，如濃縮、分離、提純、凈化等。
二、離子交換樹脂的國內現狀
我國自20世紀50年代以來開始生產和應用離子交換樹脂。經過半個多世紀的發展，國內常規離子交換樹脂的產量不斷增加，品種不斷豐富，制造和應用技術已經較為成熟，先后發展了凝膠樹脂、大孔樹脂、超高交聯樹脂、復合功能樹脂及樹脂基復合吸附劑等五代樹脂。
近年來，國內離子交換樹脂產量不斷擴大，技術不斷提升，已成為世界最大的生產國，2018年我國離子交換樹脂行業產能規模在42.7萬噸左右，產量也由2008年的16.35萬噸增長至2018年的30.44萬噸。需求方面，據測算2017年我國離子交換樹脂需求量為20.38萬噸，2018年我國離子交換樹脂需求量增長至21.56萬噸。我國離子交換樹脂除供應國內市場外，還出口到全世界50多個國家，出口量約占產量的30 %，成為世界離子交換樹脂出口大國。2016年出口量增加到約9萬噸， 2018年我國離子交換樹脂出口數量為10.33萬噸，預測今后幾年，我國離子交換樹脂產銷形勢將繼續向好，前景樂觀。
三、離子交換的分類
根據離子交換樹脂的孔徑，可分為凝膠型和大孔型。凝膠型交換容量大，但孔徑小，易堵塞污染；大孔型具有抗有機物污染的能力。目前，我國生產的離子交換樹脂以凝膠型為主。
根據合成離子交換樹脂單體的不同，可分為苯乙烯系、丙烯酸系、環氧系、酚醛系及脲醛系等。其中生產數量最多、應用最為廣泛的為苯乙烯系離子交換樹脂。
根據離子交換樹脂所帶活性基團的性質，可分為強酸陽離子、弱酸陽離子、強堿陰離子、弱堿陰離子、鰲合性、兩性及氧化還原樹脂。從世界樹脂的生產情況看，強酸性樹脂占總產量的50％～60％，強堿性樹脂占25％～30％。而我國離子交換樹脂的生產情況則是強酸性樹脂占有更大的比重，約占總產量的80％，而強堿性樹脂只占總產量的15％左右。
四、交換原理
離子交換樹脂是通過其可交換的活性離子A+與溶液中的自由離子B+交換完成對B+去除的。
4.1 離子交換過程
離子交換過程包含五個步驟：1B+自溶液擴散至樹脂表面；2B+自樹脂表面進入樹脂內部的活性中心；3B+與RA在活性中心上發生復分解反應；4A+離子自樹脂內部擴散到樹脂表面；5A+離子從樹脂表面擴散至溶液中。如圖所示：
4.2 影響因素
影響交換速度的因素主要有以下幾方面：
1）顆粒大?。侯w粒越小，有利于提高交換速度
2）交聯度：交聯度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內部擴散就越容易
3）離子化合價：離子在樹脂中擴散時，和樹脂骨架間存在庫倫引力。離子化合價越高，這種引力越大，因此擴散速率就越小。
4）離子的大?。盒‰x子的交換速度比較快，大分子會和樹脂骨架碰撞，速度較慢
5）攪拌速率：當液膜控制時，增加攪拌速率會使交換速度增加。但增大到一定程度后再繼續增加轉速，對交換速度影響就比較小。
6）溶液濃度：
4.3 選擇吸附順序
根據以上影響交換速度的因素，可以推斷：
1）在常溫、稀溶液中離子價數越高，與固定離子的靜電引力越大，越優先交換。
Cr3+ > Ca2+ > Na+ PO43 -> SO42-> Cl-
2）稀溶液中，同價離子原子序數越大，與固定離子的靜電引力越大；稀土元素相反。
K+ > Na+> H+
3）在高濃度的溶液中，由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對減小，與固定離子的靜電引力越小。
五、應用
離子交換樹脂具有交換、選擇、吸附和催化等功能，可以去除干擾組分、富集微量組分，在工業高純水制備、醫藥衛生、冶金行業、生物工程、食品加工等領域都得到了廣泛的應用。
5.1 水處理
離子交換樹脂最突出的應用是在水處理領域。其中，在電力行業的應用比例最大，主要是用在火力發電廠給水處理和凝結水精處理上，少部分用于循環水和發電機內冷水的處理。
水處理工藝中，離子交換樹脂的用途十分廣泛。在給水處理中，用于水質軟化和除鹽，制取軟化水、純水和超純水；在廢水處理中，用于處理含汞、含銅、含鉬、含鋅、含鈾、含鎘等重金屬工業廢水。
離子交換樹脂不僅可以用于工業用水的處理，而且可用于飲用水的凈化處理，由于它可以有效去除飲用水中過量的硝酸鹽、氟及微量重金屬等雜質，因此在飲用水的凈化中也發揮著舉足輕重的作用。
5.2 食品工業
在食品工業領域，離子交換樹脂的消耗量僅次于水處理，可用于制糖、制味精等，起著提純、脫色、去味、分離催化等方面的作用。例如針對制糖業中糖漿色素多、鹽分含量大等特點，用于木糖醇等糖類制品的脫色、提純等；去除飲料、果汁中的鹽類和酸性物質等。
5.3 醫藥衛生
離子交換樹脂應用于醫藥和生物化工方面，最早是用于抗生素的提取、分離，維生素濃縮、天然藥物提取和純化等，70年代以來逐漸應用于藥物傳遞系統的研究和開發，可用于緩控釋給藥系統和靶向給藥系統。如胃腸道中控制藥物釋放和作為載體用于靶向釋放系統。
5.4 試劑的制備和提純
如試劑級的亞硝酸鉀，只含KNO294%，而其中大量的雜質是KNO3，使用結晶法不能除去KNO3。將試劑級的亞硝酸鉀溶液1mol/L通過NO2-式的陰離子交換樹脂柱，由于NO2-的離子交換親和力比NO3-小，NO3-完全定量地交換到樹脂上，并將樹脂上的NO2交換下來，流出液中的KNO2的純度最少達99.9%。交換柱可用純NaNO2再生后重復使用。
5.5 催化作用
在有機合成中常用酸和堿做催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、堿同樣可以進行上述反應，且優點更多。如，樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不易腐蝕，不污染環境，反應易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂做催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原油的可對環境造成污染的四乙基鉛。
5.6 環境保護
許多水溶液或非水溶液中含有的有毒離子或非離子物質，都可以用數值進行回收使用，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等。
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