具有选择分离功能的高分子材料
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具有选择分离功能的高分子材料
物质的分离是化学、化工的一个重要课题。
化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤
和蒸馏等，然而具有高层次的分离则难以达到
精度。
具有选择分离功能的高分子材料的出现则有效
地解决了以上的问题。
具有选择分离功能的高分子材料有树脂型、膜型和生物
分离介质三种类型。
离子交换树脂的模型图
1.1离子交换树脂的分类
离子交换树脂是一类能显示离子交换功
能的高分子材料。
在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，
这些化学基团由两种带有相反电荷的离子组 成，
一种是以化学键结合在主链上的固定离子， 另一种是以离子键与固定离子相结合的反离子。
反离子可以被离解成为能自由移动的离
保证它在受热或介质中正常工作。
离子交换树脂的交联度通常以交联剂在
整个单体中的百分含量来表示。
离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一,根据离子交 换树脂交换基团的性质进行划分。
带有酸性基团（即可解离的反离子是H＋
或金属阳离子）能与阳离子进行交换反 应的称作阳离子交换树脂；
带有碱性基团（即可解离的反离子是OH－
树脂型主要是指离子交换树脂和大孔吸附树脂； 膜型包括各种功能膜； 生物分离介质是近年来发展起来的新型分离材料，用
于分离蛋白质及干扰素等生物大分子。
第一节离子交换树脂
在100多年前英国人Thompson和Way就发现了土壤中的 离子交换过程，从而引起人们极大的注意。 1935年Adams和Holmes研究合成了具有离子交换功能的 高分子材料――酚醛型离子交换树脂， 后来各种类型的离子交换树脂相继出现，应用技术不 断改善，应用范围也日益扩大。 现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功 能高分子材料。
或其它酸根离子）能与阴离子进行交换 反应的称作阴离子交换树脂。
因此离子交换树脂实际上是不溶不熔的高分子酸、碱或盐，根据
解离程度的不同，它们中又有:
强酸性、
弱酸性、
强碱性
弱碱性
通常可将离子交换树脂的种类分类于下：
1）强酸性阳离子交换树脂
这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（－SO3H）， 如以R代表高分子骨架，这种树脂可用R－SO3H来表 示，它在水溶液中可如下式解离：
这种树脂的两种交换基团可以互相接近，几乎
相互吸引中和。
与普通的两性树脂不同，后者是将两种性质相
反的阴、阳离子交换功能基以共价键连接在同 一高分子骨架上，而前者则是两种不同聚合物 静电相吸及机械缠绕的混合物。
在处理盐溶液时，“蛇笼树脂”可以吸附与交
换基团相反电荷的离子，使溶液脱盐，使用后 只需用大量水洗即可恢复交换能力。
这些功能基酸性弱，因而只能在中性或碱性溶
液中才能解离而显示离子交换功能，其解离反 应用下式表示：R－COOH R－COO－＋H＋
3）强碱性阴离子交换树脂
交换基团为季胺基（－NR3OH）的离子交换树脂
属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解离 为
R－N＋R’3O-H
R－N＋R’3 + OH-
5）其它离子交换树脂
a.
螯合树脂。
在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作
螯合离子交换树脂。它对特定离子具有特殊 的选择能力。目前真正商品化的螯合树脂还 不太多，其中主要是亚胺羧酸类树脂。
它的特点是对铜离子的选择吸附性强。
其它如肟类树脂对Ni2－等金属离子有特 殊的选择性，氨基磷酸树脂则对Ca2+、 Mg2+选择性很高，此外，各种多胺类弱碱 性离子交换树脂也可与铜、锌等许多金 属离子络合，因此也可作为螯合树脂使 用。
b.
两性树脂。 将阳离子交换基团和 阴离子交换基团连接 在同一高分子骨架上 就构成两性树脂。
两性树脂中最有意思的是“蛇笼树脂”
（ Snake-cage resin ）。“蛇笼树脂” 是在同一树脂颗粒中包含各带有阴、阳 两种离子交换树脂的两种聚合物，一种 是交联的阴树脂（或阳树脂）为“笼”， 另一种是线型的阳树脂（或阴树脂）为 “蛇”，其分子结构恰似笼中之蛇而得 名。
c.
热再生树脂。
这类树脂是具有特殊结构的弱酸性和弱
碱性离子交换树脂的复合物。它在室温 下能交换、吸附NaCl等盐类，交换后用 热水而勿需用酸、碱即可使其再生。
离子交换树脂还可根据物理结构划分为
凝胶型、大孔型及载体型三类树脂。 （1）凝胶型离子交换树脂。外观透明 的均相高分子凝胶结构的离子交换Βιβλιοθήκη Baidu 脂统称为凝胶型树脂。
C6H4
C6H4
-CH2-CH-
CH2－NC(CH3）2Cl
CH2CH2OH
Ⅱ型树脂
这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚
至碱性溶液中进行离子交换反应。
4）弱碱性阴离子交换树脂
这类树脂的交换基团是伯胺（－NH2）、仲胺
（－NHR’）或叔胺（－NR’2）。它们在水中解 离程度较小，只能在中性及酸性溶液中进行离 子交换反应。它的解离反应如下式： RNH2 + H2O RN-H3 + OH-
子，并在一定条件下可与周围的其它同
类型离子进行交换。
离子交换反应一般是可逆的，在一定条
件下被交换上的离子可以解吸，使离子 交换树脂再生，因而可反复利用。
目前使用的离子交换树脂绝大多数是以
苯乙烯－二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其 衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二 乙烯苯起了交联剂的作用。
树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，
R－SO3H R－SO3－＋H＋ 例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结构 式为：
其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、
中性甚至酸性溶液中都能解离。
2）弱酸性阳离子交换树脂
带有羧酸基（－COOH）、磷酸基（－PO3H2）、
酚基的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂， 其中以含羧酸基的树脂用途最广。
在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲
基胺[－N（CH3）3]的称作Ⅰ型树脂，把带二甲 基乙醇基胺[－(CH3)2C2H4OH]的称作Ⅱ型树脂。 其结构式分别是：
---CH2---CH---CH2---CH--
C6H4 -CH2-CHⅠ型树脂
C6H4 CH2－N（CH3）3Cl
---CH2---CH---CH2---CH--
物质的分离是化学、化工的一个重要课题。
化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤
和蒸馏等，然而具有高层次的分离则难以达到
精度。
具有选择分离功能的高分子材料的出现则有效
地解决了以上的问题。
具有选择分离功能的高分子材料有树脂型、膜型和生物
分离介质三种类型。
离子交换树脂的模型图
1.1离子交换树脂的分类
离子交换树脂是一类能显示离子交换功
能的高分子材料。
在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，
这些化学基团由两种带有相反电荷的离子组 成，
一种是以化学键结合在主链上的固定离子， 另一种是以离子键与固定离子相结合的反离子。
反离子可以被离解成为能自由移动的离
保证它在受热或介质中正常工作。
离子交换树脂的交联度通常以交联剂在
整个单体中的百分含量来表示。
离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一,根据离子交 换树脂交换基团的性质进行划分。
带有酸性基团（即可解离的反离子是H＋
或金属阳离子）能与阳离子进行交换反 应的称作阳离子交换树脂；
带有碱性基团（即可解离的反离子是OH－
树脂型主要是指离子交换树脂和大孔吸附树脂； 膜型包括各种功能膜； 生物分离介质是近年来发展起来的新型分离材料，用
于分离蛋白质及干扰素等生物大分子。
第一节离子交换树脂
在100多年前英国人Thompson和Way就发现了土壤中的 离子交换过程，从而引起人们极大的注意。 1935年Adams和Holmes研究合成了具有离子交换功能的 高分子材料――酚醛型离子交换树脂， 后来各种类型的离子交换树脂相继出现，应用技术不 断改善，应用范围也日益扩大。 现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功 能高分子材料。
或其它酸根离子）能与阴离子进行交换 反应的称作阴离子交换树脂。
因此离子交换树脂实际上是不溶不熔的高分子酸、碱或盐，根据
解离程度的不同，它们中又有:
强酸性、
弱酸性、
强碱性
弱碱性
通常可将离子交换树脂的种类分类于下：
1）强酸性阳离子交换树脂
这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（－SO3H）， 如以R代表高分子骨架，这种树脂可用R－SO3H来表 示，它在水溶液中可如下式解离：
这种树脂的两种交换基团可以互相接近，几乎
相互吸引中和。
与普通的两性树脂不同，后者是将两种性质相
反的阴、阳离子交换功能基以共价键连接在同 一高分子骨架上，而前者则是两种不同聚合物 静电相吸及机械缠绕的混合物。
在处理盐溶液时，“蛇笼树脂”可以吸附与交
换基团相反电荷的离子，使溶液脱盐，使用后 只需用大量水洗即可恢复交换能力。
这些功能基酸性弱，因而只能在中性或碱性溶
液中才能解离而显示离子交换功能，其解离反 应用下式表示：R－COOH R－COO－＋H＋
3）强碱性阴离子交换树脂
交换基团为季胺基（－NR3OH）的离子交换树脂
属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解离 为
R－N＋R’3O-H
R－N＋R’3 + OH-
5）其它离子交换树脂
a.
螯合树脂。
在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作
螯合离子交换树脂。它对特定离子具有特殊 的选择能力。目前真正商品化的螯合树脂还 不太多，其中主要是亚胺羧酸类树脂。
它的特点是对铜离子的选择吸附性强。
其它如肟类树脂对Ni2－等金属离子有特 殊的选择性，氨基磷酸树脂则对Ca2+、 Mg2+选择性很高，此外，各种多胺类弱碱 性离子交换树脂也可与铜、锌等许多金 属离子络合，因此也可作为螯合树脂使 用。
b.
两性树脂。 将阳离子交换基团和 阴离子交换基团连接 在同一高分子骨架上 就构成两性树脂。
两性树脂中最有意思的是“蛇笼树脂”
（ Snake-cage resin ）。“蛇笼树脂” 是在同一树脂颗粒中包含各带有阴、阳 两种离子交换树脂的两种聚合物，一种 是交联的阴树脂（或阳树脂）为“笼”， 另一种是线型的阳树脂（或阴树脂）为 “蛇”，其分子结构恰似笼中之蛇而得 名。
c.
热再生树脂。
这类树脂是具有特殊结构的弱酸性和弱
碱性离子交换树脂的复合物。它在室温 下能交换、吸附NaCl等盐类，交换后用 热水而勿需用酸、碱即可使其再生。
离子交换树脂还可根据物理结构划分为
凝胶型、大孔型及载体型三类树脂。 （1）凝胶型离子交换树脂。外观透明 的均相高分子凝胶结构的离子交换Βιβλιοθήκη Baidu 脂统称为凝胶型树脂。
C6H4
C6H4
-CH2-CH-
CH2－NC(CH3）2Cl
CH2CH2OH
Ⅱ型树脂
这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚
至碱性溶液中进行离子交换反应。
4）弱碱性阴离子交换树脂
这类树脂的交换基团是伯胺（－NH2）、仲胺
（－NHR’）或叔胺（－NR’2）。它们在水中解 离程度较小，只能在中性及酸性溶液中进行离 子交换反应。它的解离反应如下式： RNH2 + H2O RN-H3 + OH-
子，并在一定条件下可与周围的其它同
类型离子进行交换。
离子交换反应一般是可逆的，在一定条
件下被交换上的离子可以解吸，使离子 交换树脂再生，因而可反复利用。
目前使用的离子交换树脂绝大多数是以
苯乙烯－二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其 衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二 乙烯苯起了交联剂的作用。
树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，
R－SO3H R－SO3－＋H＋ 例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结构 式为：
其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、
中性甚至酸性溶液中都能解离。
2）弱酸性阳离子交换树脂
带有羧酸基（－COOH）、磷酸基（－PO3H2）、
酚基的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂， 其中以含羧酸基的树脂用途最广。
在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲
基胺[－N（CH3）3]的称作Ⅰ型树脂，把带二甲 基乙醇基胺[－(CH3)2C2H4OH]的称作Ⅱ型树脂。 其结构式分别是：
---CH2---CH---CH2---CH--
C6H4 -CH2-CHⅠ型树脂
C6H4 CH2－N（CH3）3Cl
---CH2---CH---CH2---CH--