离子交换树脂及其目前的应用领域及发展前景

离子交换树脂及其目前的应用领域及发展前景

摘要：本文主要针对离子交换树脂及其目前的应用领域和基本情况进行简要介绍，着重对离子交换树脂在一些方面的应用做了综述，在医药卫生、水处理、食品工业、冶金工业、催化领域、化学化工等几个方面各举了一些简单的例子简述了离子交换树脂在该领域的基本应用的操作方法、操作条件和分离效果。最后通过这些重要应用，对离子交换树脂未来的发展前景提出了展望。

关键词：离子交换树脂；应用；发展前景

1 引言

离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由两部分构成：一是由不溶性的三维空间网状结构组成的骨架。骨架部分一般与酸、碱和一般的溶剂都不起作用，化学性质非常稳定；二是连接在骨架上可以电离的、可被交换的活性基团（交换基团）[1]。活性基团对离子交换剂的交换性质起着决定性作用，可与溶液中的离子进行离子交换反应。

离子交换树脂用途非常广泛，很多方面都能用到离子交换树脂，如分析化学中的富集、纯化，工业中的回收、分离、纯化和催化等等。近年来，我国平均每年生产离子交换树脂的量约为27.0万吨，约占世界总产量的三分之一，且产量还在逐年增加[2]。其应用方面也有很大发展，2016年，我国离子交换树脂的表观消费量达19.2万吨，主要应用于水处理、吸附工艺、催化剂这三个领域，消费结构占比见图1[2]。

2 离子交换树脂在化学分离中的应用

2.1 离子交换树脂在水处理中的应用

从上一节中对离子交换树脂的应用基本情况的阐述中可见，离子交换树脂的众多应用中，水处理方面的应用是我国离子交换树脂消费结构中最多的部分。其中水处理方面的应用又可细分为三个重要领域：给水处理、废水处理和废液中某些物质的提取、分离和回收。在给水处理这个领域中，离子交换树脂可用于制备软化水、纯水和超纯水，尤其超纯水在微电子工业、半导体工业以及原子能工业、医疗卫生等方面有着重要的作用。在废水处理中，可用于去除废水中的某些如汞等有害物质，回收有价值的化学品等。

2.1.1 纯水的制备

张晓滨等[3]对如何用离子交换树脂制备纯水进行了研究。他选了两种制备纯水用的国产的离子交换树脂，一种是732型聚苯乙烯强酸型阳离子交换树脂；另一种是717或711型聚苯乙烯强碱型阴离子交换树脂。选好后进行新树脂的处理，将树脂进行浸泡、酸碱反复处理、用酸碱分别转成H+、OH-后即可装入柱中待用。

他采用了复合式（串联在一起的两个以上的阳、阴离子交换柱）和混合式（将阴、阳两种树脂均匀地混合装入一个或多个交换柱内）组装在一起的联合式工艺流程，此种工艺既有复合式的优点也有混合式的优点，即交换能力强，出水质量高，交换容量大，使用时间长，是制备纯水较常用的组合形式。进行完准备工作后，将待纯化的水依次通过强酸型树脂柱、强碱型树脂柱、强碱型树脂柱、强碱强酸型树脂混合柱，即可得到质量较高的纯水[3]。

孙惠国等[4]研究了在电子工业有着重要作用的超纯水的制备工艺。超纯水的制备工艺一般有三道流程，在这三道工序中，后处理工序是关键部分，主要采用“一次性”使用的混合型离子交换树脂（一般由凝胶强碱阴离子交换树脂（OH-型）和凝胶强酸阳离子交换树脂（H+型）按一定比例高度均匀混合而成）作为工序中“精制混床”的核心，主要用于精脱盐及脱除经紫外光谱的紫外线分解有机物的产物。做完准备后，经图2的超纯水制备工艺流程可进行超纯水的制备[4]。

2.1.2 废水处理

2.1.2.1 废水中硒的去除

硒在生产生活中如电子工业、玻璃工业、颜料、冶金、农业等有着重要作用，在人及动植物体中也是不可或缺的微量元素之一，但硒的过度摄入也会发生硒中毒。针对我国某些地区水体中硒含量超标的问题，昆明理工大学的毛云等人对离子交换法去除水中的硒进行了研究。

由于地下水和废水中亚硒酸根离子较为普遍，毒性也较大，所以毛云等[5]的研究主要针对含硒超标废水中亚硒酸根离子的去除。实验采用的树脂为201×7型强碱性阴离子交换树脂，以R代表201×7型强碱性阴离子树脂的骨架，则此实验依据的原理为：

SeO32-（水溶液）+2（RCl）=R2SeO3+2Cl-

实验的流程为：

原水池→微型泵→高位恒水位箱→离子交换柱→出水

实验方法：将201×7型强碱性阴离子交换树脂经处理后装入柱中，再将原水经泵进入高水位箱，流入离子交换柱进行试验。

最后，他们的实验结果显示：在搅拌时间为一个小时以上、原水浊度在00～930之间、原水温度在10～30℃、PH=7～13范围内、树脂用量在4.00g/l左右时水中硒的去除率可达95%以上[5][6]。

此研究表明，使用离子交换树脂在除去废水中的硒时操作简易、选择性好、工作效率高，而且除硒效果较好，能使水中硒的含量降低到可排放标准以下。2.1.2.2 废水中痕量放射性核素的去除

近年来，随着化石燃料资源的枯竭，越来越多的国家开始使用核能，由此产生了很多含有放射性物质的废水，若废水处理不当，将会导致生态系统和人的健康受到极大的危害。基于此，唐熹霖等对弱碱性阴离子交换树脂去除低浓度放射性废水中的痕量放射性核素进行了研究，在比较了不同含量废水中几种不同类型的离子交换树脂的去除能力后，得出了结论：A847型弱碱性阴离子交换树脂能够有效的吸附低浓度废水中的放射性核素（Sr2+、Co2+、Cs+）。并且，采用弱碱性阴离子树脂除去水中极少量的重金属具有良好效果，出水水质能达到国家饮用水的标准[7]。

2.1.2.3 含汞废水的处理

一般来说，自然界的水中本就含有汞，淡水鱼体内汞含量可高达0.2ppm[8]。这种情形下，如果含汞废水不经过严格的处理便排放的话，很容易在鱼体内富集，从而使食用了污染水或者水中的鱼类后发生汞中毒。

以Hg2+形式存在的酸性废水，通常用如001×7、SG-1型的阳离子交换树脂；可用如KB-4P-2型的弱酸性阳离子交换树脂来去除碱性废水中的Hg2+，其对汞的交换容量可达9mmol/g。某些如AT21类的强碱性阴离子交换树脂对含[HgCl4]2-废水的处理能力很强[9]。

还可将含微量汞的废水进行处理，生成复盐或络合物（HgCl2+2NaCl→

Na2HgCl2），再使其经过Cl-型强碱性阴离子交换树脂生成HgCl3-、HgCl42-（2R-Cl+Na2HgCl2→R2-HgCl4+2NaCl）、然后被MR型强碱性阴离子交换树脂吸附。此时流出的液体中汞含量下降到0.01～0.05ppm，再用亚氨基二乙酸螯合树脂处理，流出液的含汞量下降到0.001～0.002ppm，达到排放标准[10]。2.1.2.4 含酚废水的处理

酚是一种较贵重且用途广泛的有机试剂，但同时又是一种对人和动植物都有害的有毒物质。随着煤加工业、石油工业和化学工业的发展，产生的含酚废水会对环境造成污染，因此处理含酚废水对环境保护和贵重原料的回收具有重要意义。