离子交换树脂的研究现状与应用

离子交换树脂

摘要：本文综述了离子交换树脂的发展历史、分类；在各领域的应用、树脂的使用和保管方法及其发展前景等。

关键词：离子交换树脂；分类；应用；保管

1 引言

离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的分子结构中，一部分为树脂的基体骨架，另一部分为由固定离子和可交换离子组成的活性基团。离子交换树脂具有交换、选择、吸附和催化等功能，在工业高纯水制备、医药卫生、冶金行业、生物工程等领域都得到了广泛的应用。近年来，离子交换树脂无论是从种类、结构还是性能上都出现了很大的变化，其生产和应用也都得到了很大的发展。

我国自20世纪50年代以来开始生产和应用离子交换树脂。经过半个多世纪的发展，国内常规离子交换树脂的制备和应用技术已经较为成熟，水平与国外相当。离子交换树脂主要应用于电力、食品、医药、电子和冶金等行业，随着锅炉给水、饮用水和电子用水等对离子交换出水的纯度要求日益提高，促使常规的离子交换树脂生产和应用技术不断完善，同时催生了许多新型的生产工艺不断涌现，使得离子交换树脂产品升级和技术进步的步伐也日益加快。

2 离子树脂的分类

依据离子交换树脂所带活性基团的性质，离子交换树脂课分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。能与水中阳离子进行交换反应的称为阳离子交换树脂;能与水中的阴离子进行交换反应的称为阴离子交换树脂。根据活性基团上Hˉ和OHˉ电离的强弱程度，又可以分为强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂，以及强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。

2.1强酸性阳离子树脂

这类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SO3ˉ，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。如上述的阳离子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。

2.2 弱酸性阳离子树脂

这类树脂含弱酸性基团，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。这种树脂的酸性即离解性较弱，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)。

2.3强碱性阴离子树脂

这类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。

这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如NaOH)进行再生。

2.4弱碱性阴离子树脂

这类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OHˉ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。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它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。

2.5 离子树脂的转型

以上是树脂的四种基本类型。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。例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。

3 离子交换树脂的应用

3.1水处理

水处理工艺中，离子交换树脂的用途十分广泛。在给水处理中，可用于水质软化和脱盐，制取软化水、纯水和超纯水；李为兵等研究了一种新型的MIEX®磁性离子交换树脂对南方地区水源的处理情况，发现其对藻类的去除有良好的效果。在废水处理中，离子交换树脂广泛应用于处理含汞、含铜、含钼以及含锌、铀、镉等含重金属工业废水[4]。

3.2食品工业

离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

3.3制药行业

离子交换树脂在医学方面最早是用于抗生素提取、分离，维生素浓缩、天然药物提取和纯化等，70年代以来逐渐应用于药物传递系统的研究和开发。离子交换树脂在药学中可用于缓控释给药系统和靶向给药系统。控释应用主要是在胃肠道中控制药物释放和作为载体用于靶向释放系统。由于离子交换的可逆性，药物树脂口服进入胃肠道后，与胃肠道中的生理性离子发生反向离子交换而持续释放药物，发挥疗效。靶向给药系统是将药物选择性地输送到特定部位以提高局部药物浓度、减少全身毒副作用，此项研究以越来越受到重视。

3.4合成化学和石油化学工业

在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可

反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE）的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。

3.5催化酯化应用

离子交换树脂催化剂是一种典型的有机固体催化剂。与无机固体催化剂相比，虽然化学组成、物理性质和使用方法均有很大不同，但在催化反应方面也有许多共同的地方。例如，它们都可用于石油裂解、酯化、烷基化、异构化、加成、聚合等反应。近年来，随着离子交换树脂的进一步开发，其作为固体酸碱催化剂在醚化和醚键裂解反应、水合反应、酯化反应、缩合和环化反应等领域中的应用也得到不断地发展。

3.6环境保护

离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。

4 离子交换树脂的使用与保管

综上所述，离子交换树脂在多方面得到了广泛的应用，为保证交换树脂长期保持较高的工作交换能力，离子交换树脂的使用及保存都要特别注意。

4.1离子交换树脂的使用

新树脂中往往残存有单体、各种添加剂及低聚物等，还含有Fe、Cu、Pb等无机杂质，在使用之前要用盐、酸、碱溶液进行预处理，除去树脂中的可溶性杂质，以免影响水质。具体处理方法包括食盐水处理、稀盐酸处理、稀氢氧化钠溶液处理等。使用中应注意保持树脂的强度和稳定性，尽量避免或减少机械的、物理的或化学的损伤以及有机物、油脂、悬浮物、胶体物质、高价金属离子及再生剂中杂质等对树脂的污染。

树脂在使用过程中，可能受到各种污染而使树脂的动力学性质及离子活性明显改变，交换容量降低、离子泄漏量增加、运行周期缩短、水质下降。为此可通过树脂层的灭菌，有机物的消除，铁、铝及其氧化物的去除，树脂中沉淀物的去除，油脂污染的去除等途径进行处理。