离子交换树脂的种类

2019-01-10

  离子交换树脂是带有官能团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物,无毒无害,在电力、石化、电子、食品、医药及污水处理等系统有分离、回收、纯化和提纯的作用,业内资深工程师杨工精通离子交换树脂行业,认为正确理解离子交换树脂的种类,是为了更好的掌握离子交换树脂使用,为此提出了离子交换树脂的种类四种分类型式。

         
           
  一、根据外观形状及物理性质的分类
     
   离子交换树脂是一种透明或半透明的球状物质,因其组成不同,颜色各异,如苯乙烯树脂呈黄色,也有呈黑色和赤褐色的,一般情况下,原料杂质多或交联剂多,树脂的颜色稍深,根据离子交换树脂的外观形状及物理性质,如孔度、孔度分布、比表面、孔径等,将其分类为凝胶((干态无孔,吸水后产生微孔))、大孔(树脂内部无论干、湿或收缩、溶胀都存在着比凝胶型树脂更大、更多的孔)和离子交换膜等种类树脂。
  凝胶型树脂是指经由纯单体混合物聚合或缩合而成,外观呈透明状的均相凝胶结构离子交换树脂,其骨架结构为微孔状,离子通过由交联大分子链间距离而形成的微孔(孔隙)扩散到交换基团附近而进行离子交换反应。凝胶树脂中只有很小的化学结构孔而不存在物理孔(毛细孔),平均孔径约1-2nm,且大小不一,是连续无间隔的产胶结构。这里的微孔会随着交联度的提高而减小,随着凝胶体的溶胀而增大。极端的来看,处于干燥状态的树脂实际上是没有孔隙的。 
  凝胶树脂的主要优点有交换容量高于大孔型树脂,合成工艺也更简单,缺点是易于受到有机物的污染,这是因为孔径小不利于离子运动,直径较大的分子通过时容易堵塞网孔,再生时也不易洗脱。所以,常用合成方法是先采用悬浮共聚合或共缩聚工艺合成球状基体,再经化学反应活化处理之,最后导入离子交换基团。目前,除高速流水处理系统外,一般的水处理大多采用凝胶型离子交换树脂。
  大孔树脂是指由单体聚合制造树脂时,因掺入溶剂或其他致孔剂,聚合后又脱去溶剂或致孔剂,进而使骨架中留下许多永久性孔道的一类树脂。因使用的溶剂或致孔剂不同,有的树脂比表面积大,孔径却较小;反之,有的树脂孔径大,比表面积却较小。这类树脂与定义有差异,但一般不做严格的区分,统称为大孔树脂。
  大孔树脂的孔径一般能达到20-500nm,外观呈半透明或不透明状。提供了良好的通道,易于进行磺化或结合其他官能团,也允许较大的离子进入孔道。如在冶金过程中,会遇到聚合的大离子,此时相较于凝胶树脂,大孔树脂的交换速度和容量都高很多。大孔树脂的比表面积可达1002/mg,相较于凝胶树脂的12/mg大了很多。这使得大孔型交换树脂的交换速度明显高于凝胶型,且其耐渗 透压冲击能力也大得多。因大孔型的交联度比凝胶型高,故其理化性质也较好,在耐有机物的污染、耐温度冲击甚至耐磨方面都优于凝胶型。

       
  二、按离子交换树脂按作用和功能用途划分种类
   
  离子交换树脂作用和用途于水处理、电解质溶液的分离及精制、生化、药物的提取、浓缩、分离、糖液脱盐、脱色、湿法冶金中的提取及分离,所以按离子交换树脂按作用和功能用途分类为交换用、脱色用、吸着用、电子交换(氧化还原)用等离子交换树脂,其中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。 
   
   三、根据母体的化学结构分类
    
  离子交换树脂母体的化学结构是空间网状结构骨架,据其可分为苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛类系列等离子交换树脂。
    
  四、按离子交换树脂中活性基团的性质分类:   
  树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类,所以根据离子交换树脂中活性基团的性质可分为:强酸性、中等酸性、弱酸性;强碱性、中等碱性、弱碱性;氧化还原性等类型的离子交换树脂。其中,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(阳离子树脂又细分为钠型和氢型);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(阴离子树脂又细分为氯型和钠型);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。
       
  
  离子交换树脂使用
  业内常用的是根据离子交换树脂中活性基团的性质分类,即强酸性、中等酸性、弱酸性;强碱性、中等碱性、弱碱性;氧化还原性,其使用如下:

  1、强酸性阳离子交换树脂
  强酸性阳离子交换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,如强酸性阳离子交换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、弱酸性阳离子交换树脂 
  弱酸性阳离子交换树脂含弱酸性基团,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。
  弱酸性阳离子交换树脂离解性较弱,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、强碱性阴离子交换树脂 
  强碱性阴离子交换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。 
  强碱性阴离子交换树脂的离解性很强,在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如NaOH)进行再生。 

  4、弱碱性阴离子交换树脂 
  弱碱性阴离子交换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。
  弱碱性阴离子交换树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附,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种类,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,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。


     
   
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