离子交换树脂

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离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。
凡分类中属酸性的,在基本名称前加“阳”字; 凡分类中属碱性的,在基本名称前加“阴”字。
此外,为了区别离子交换树脂产品中同一类中
的不同品种,在全名前必须加型号。
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离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。
第一位数字代表分类代号;
第二位数字代表骨架代号; 第三位数字为顺序号,用于区别离子交换树脂树脂中 基团、交联剂、致孔剂等的不同,由各生产厂自行 掌握和制定。
“黄球”。
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H2SO4, C2H4Cl2 H2O HSO3Cl, C2H4Cl2
SO3H
SO2H
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含有-SO3H交换基团的离子交换树脂称为氢 型阳离子交换树脂,其中H+为可自由活动的离子。
由于它们的贮存稳定性不好,且有较强的腐蚀性,
因此常将它们与NaOH反应而转化为Na型离子交换 树脂。Na型树脂有较好的贮存稳定性。
H
Ⅱ型强碱型阴离子交换树脂
CH2N+(CH3)2(C2H4OH)Cl-
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Ⅰ型与Ⅱ型季胺类强碱树脂的性质略有不同。
Ⅰ型的碱性很强,对OH-离子的亲合力小。当用NaOH
再生时,效率很低,但其耐氧化性和热稳定性较好。
Ⅱ型引入了带羟基的烷基,利用羟基吸电子的特性,降 低了胺基的碱性,再生效率提高。但其耐氧化性和热稳定性 相对较差。 由于氯甲基化毒性很大,故树脂的生产过程中的劳动保
001×10树脂则是指交联度为10%的强酸型苯
乙烯系阳离子交换树脂。
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我国有些生产厂在部颁标准制定前已开始生产
离子交换树脂,它们自己有一套编号,已经为人们
所熟悉和接受。因此,至今尚未改名。例如上海树
脂厂的735树脂,相当于命名规定中的001树脂;724
树脂相当于命名规定中的110树脂;717树脂相当于
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(1)强酸型阳离子交换树脂的制备
强酸型阳离子交换树脂绝大多数为聚苯乙烯系
骨架,通常采用悬浮聚合法合成树脂,然后磺化接
上交换基团。
由上述反应获得的球状共聚物称为“白球”。
将白球洗净干燥后,即可进行连接交换基团的磺化
反应。
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将干燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、 甲苯等有机溶剂溶胀,然后用浓硫酸或氯磺 酸等磺化。通常称磺化后的球状共聚物为
第六章
离子交换树脂
一、发展概述
二、结构与分类
三、合成工艺
四、性能 五、应用
1
一、发展概述
1935年英国的Adams和Holmes发表了关于酚 醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告, 开创了离子交换树脂领域,同时也开创了功能高分 子领域。 离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料。
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因此根据Adams和Holmes的发明,带有
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一般无机小分子的半径在1nm以下,因 此可自由地通过离子交换树脂内大分子链的 间隙。在无水状态下,凝胶型离子交换树脂 的分子链紧缩,体积缩小,无机小分子无法 通过。 所以,这类离子交换树脂在干燥条件下
或油类中将丧失离子交换功能。
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2)大孔型离子交换树脂
大孔型离子交换树脂外观不透明,表面粗糙,
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树脂由三部分组成: 三维空间结构的网络骨架;骨架上 连接的可离子化的功能基团;功能基团 上吸附的可交换的离子。
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图 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图
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CH CH2
CH CH2
m
SO3H CH

n
SO3H CH CH2
CH2
CH
CH2
CH
CH2
SO3H SO3H CH CH2 CH CH2 SO3H CH
强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子
交换基团,以聚苯乙烯作骨架。
制备方法是:将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化,
然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯,定量地与
各种胺进行胺基化反应。
苯环可在路易氏酸如ZnCl2,AlCl3,SnCl4等催
化下,与氯甲醚氯甲基化。
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CH2
CH
CH2
CH CH3OCH2Cl ZnCl2
制备中有两个最大的不同之处:一是二乙烯基苯含量大大增
加,一般达85%以上;二是在制备中加入致孔剂。
致孔剂可分为两大类:一类为聚合物的良溶剂,又称溶
胀剂;另一类为聚合物的不良溶剂,即单体的溶剂,聚合物 的沉淀剂。
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良溶剂如甲苯,共聚物的链节在甲苯中伸展。 随交联程度提高,共聚物逐渐固化,聚合物和良溶 剂开始出现相分离。聚合完成后,抽提去除溶剂, 则在聚合物骨架上留下多孔结构。
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对凝胶型离子交换树脂,往往在型号后面用
“×”和一个阿拉伯数字相连,以表示树脂的
交联度(质量百分数),而对大孔型树脂, 则在型号前冠以字母“D”。
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各类离子交换树脂的具体编号为:
001—099
100—199
强酸型阳离子交换树脂
弱酸型阳离子交换树脂
200—299
300—399 400—499 500—599 600—699
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强酸型阳离子交换树脂的制备实例: 将1 g BPO(过氧化二苯甲酰)溶于80 g苯乙 烯与20 g二乙烯基苯(纯度50%)的混合单体中。 搅拌下加入含有5 g明胶的500 mL去离子水中,分 散至所预计的粒度。从70℃逐步升温至95℃,反 应8~10 h,得球状共聚物。过滤、水洗后于
100~120℃下烘干。即成“白球”。
于60℃下保温反应5~10 h。反应结束后冷却至室温,
过滤、水洗,于100℃下干燥。
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将经干燥的树脂置于2 L浓度为 l mol/L 的氢氧化钠乙醇溶液中,加热回流约10 h, 然后冷却过滤,用水和稀盐酸洗涤,再用水
洗涤数次,最后在100℃下干燥,即得成品。
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(3)强碱型阴离子交换树脂的制备
碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系阳
离子交换树脂。
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离子交换树脂发展史上的另一个重大成果是大 孔型树脂的开发。 20世纪50年代末,国内外包括我国的南开大学 化学系在内的诸多单位几乎同时合成出大孔型离子 交换树脂。
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从离子交换树脂出发,还引申发展了一些很重 要的功能高分子材料。如离子交换纤维、吸附树脂、 螯合树脂、聚合物固载催化剂、高分子试剂、固定
护是一重大问题。
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(4)弱碱型阴离子交换树脂的制备
用氯球与伯胺、仲胺或叔胺类化合物进行胺化反应,可 得弱碱离子交换树脂。但由于制备氯球过程的毒性较大,现
在生产中已较少采用这种方法。
利用羧酸类基团与胺类化合物进行酰胺化反应,可制得 含酰胺基团的弱碱型阴离子交换树脂。例如将交联的聚丙烯 酸甲酯在二乙烯基苯或苯乙酮中溶胀,然后在130~150℃下 与多乙烯多胺反应,形成多胺树脂。再用甲醛或甲酸进行甲
强碱型阴离子交换树脂
弱碱型阴离子交换树脂 螯合型离子交换树脂 两性型离子交换树脂 氧化还原型离子交换树脂
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表: 离子交换树脂骨架分类代号
编号 0 1 2 3 4 5 6 骨架分类 聚苯乙烯系 聚丙烯酸系 酚醛树脂系 环氧树脂系 聚乙烯吡啶系 脲醛树脂系 聚氯乙稀系
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例如,D113树脂是水处理应用中用量很大的 一种树脂。从命名规定可知,这是一种大孔 型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂;而
SO3H
SO3H
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离子交换树脂的分类:
(1)按交换基团性质的不同,可将离子交 换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树 脂两大类。
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阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、 中酸型和弱酸型三种。
如R—SO3H为强酸型,R—PO(OH)2为中酸
型,R—COOH为弱酸型。习惯上,一般将 中酸型和弱酸型统称为弱酸型。
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将100 g干燥球状共聚物置于二氯乙烷中
溶胀。加入500 g浓硫酸(98%),于95~ 100℃下加热磺化5~10 h。反应结束后,蒸 去溶剂,过剩的硫酸用水慢慢洗去。然后用 氢氧化钠处理,使之转换成Na型树脂,即得 成品。 这种树脂的交换容量约为5 mmol/g。
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(2)弱酸型阳离子交换树脂的制备 弱酸型阳离子交换树脂大多为聚丙烯酸 系骨架,因此可用带有功能基的单体直接聚
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不良溶剂如脂肪醇,它们是单体的溶剂,聚合
物的沉淀剂。共聚物分子随聚合的进行逐渐卷缩,
形成细小的分子圆球,圆球之间通过分子链相互缠
结。因此,这种大孔型树脂仿佛是由一簇葡萄状小 球组成。一般来说,由不良溶剂致孔的大孔型树脂 比良溶剂致孔的大孔型树脂有较大的孔径和较小的 比表面积。
为非均相凝胶结构。即使在干燥状态,内部也存在
不同尺寸的毛细孔,因此可在非水体系中起离子交
换和吸附作用。大孔型离子交换树脂的孔径一般为
几纳米至几百纳米,比表面积可达每克树脂几百平
方米,因此其吸附功能十分显著。
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3)载体型离子交换树脂
载体型离子交换树脂是一种特殊用途树
脂,主要用作液相色谱的固定相。一般是将 离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上 制成。它可经受液相色谱中流动介质的高压, 又具有离子交换功能。
化酶等。这一最传统的功能高分子材料正以崭新的
姿态在21世纪发挥重要的作用。
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二、离子交换树脂的结构与分类
离子交换树脂:是一类带有可离子化基团的三维网 状高分子材料。 其外形一般为颗粒状,常见的离子交换树脂的 粒径为0.3~1.2mm。不溶于水和一般的酸、碱,也 不溶于普通的有机溶剂,如乙醇、丙酮和烃类溶剂。
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阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱 碱型两种。 如R3—NCl为强碱型,R—NH2、R—
NR’H和R—NR”2为弱碱型。
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(2)按树脂的物理结构分类
按其物理结构的不同,可将离子交换树 脂分为凝胶型、大孔型和载体型三类。
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图: 不同物理结构离子交换树脂的模型
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1)凝胶型离子交换树脂 特点:外观透明、表面光滑,球粒内部 没有大的毛细孔。在水中会溶胀成凝胶状, 并呈现大分子链的间隙孔。大分子链之间的 间隙约为2~4 nm。
CH2
CH2
CH
CH2 CH CH2 CH + CH3OH CH2 CH CH2Cl
CH2
CH3OCH2Cl ZnCl2
所得的中间产品通常称为“氯球”。用氯球可 十分容易地进行胺基化反应。
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Ⅰ型强碱型阴离子交换树脂
) N(CH 3
CH2N+(CH3)3Cl-
N(CH 3 )C
CH2Cl
2 H4 O
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此外,为了特殊的需要,已研制成多
种具有特殊功能的离子交换树脂。如螯合
树脂、氧化还原树脂、两性树脂等。
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离子交换树脂的命名
我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁 布了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76《离 子交换树脂产品分类、命名及型号》。 这套标准中规定,离子交换树脂的全名由分类 名称、骨架(或基团)名称和基本名称排列组成。
COOCH3 CH2 CH
NaOH H2O
CH3 CH2 C CH2 CH + CH3OH
COOH CH2 CH
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弱酸型阳离子交换树脂的制备实例:
将1 g BPO 溶于90 g 丙烯酸甲酯和10 g 二乙烯
基苯的混合物中。搅拌下加入含有0.05%~0.1%聚
乙烯醇的500 mL去离子水中,分散成所需的粒度。
基化反应,可获得性能良好的叔胺树脂。
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CH2
CH
CH2
CH COOCH3
NH2(C2H4NH)nH 二乙苯
CH2
CH
CH2
CH CONH(C2H4NH)nH
CH2
CH
CH2
CH
CH2ห้องสมุดไป่ตู้CH2O CH2
CH
CH2
CH CONH(C2H4N)n CH3
CH
CH3
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2、大孔型离子交换树脂
大孔型树脂的制备方法与凝胶型离子交换树脂基本相同。 重要的大孔型树脂仍以苯乙烯类为主。与离子交换树脂相比,
命名规定中的201树脂等等。
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三、离子交换树脂的制备方法
1、凝胶型离子交换树脂 凝胶型离子交换树脂的制备过程主要包 括两大部分:合成一种三维网状结构的大 分子和连接上离子交换基团。
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具体方法,可先合成网状结构大分子,然后
使之溶胀,通过化学反应将交换基团连接到大分
子上。也可先将交换基团连接到单体上,或直接 采用带有交换基团的单体聚合成网状结构大分子 的方法。
合而成。
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CH CH2 CH COOH CH +
CH2
CH2
CH
CH2
CH
COOH CH2 CH2 CH
其中,-COOH即为交换基团。
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丙烯酸的水溶性较大,聚合不易进行,故常采 用其酯类单体进行聚合后再进行水解的方法来制备。
CH3 CH2 C COOCH3 + CH CH2 CH CH2 CH3 CH2 C CH2 CH
磺酸基和氨基的酚醛树脂很快就实现了工
业化生产并在水的脱盐中得到了应用。
3
1944年 D’Alelio 合成了具有优良物理和化 学性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换 树脂及交联聚丙烯酸树脂,奠定了现代离子交
换树脂的基础。
4
此后,Dow化学公司的 Bauman 等人开发了苯
乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业化; Rohm & Hass公司的Kunin等人则进一步研制了强
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