第二章-离子交换树脂案例
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② 结构与分类
5Hale Waihona Puke Baidu
表1 离子交换树脂的种类
代号
分类名称
功能基
说明
0
1 2 3 4 5 6
强酸
弱酸 强碱 弱碱 螯合 两性 氧化还原
-SO3H
磺酸基
膦酸基 季铵基 伯，仲，叔 氨基 胺羧酸 强碱弱酸型 硫醇基
OH
-COOH,-PO3H3
(CH3)2 -N+(CH3)3 , -N+ CH2CH2OH
-NH2,-NHR,-NR2
离子交换树脂
软水（含NaCl等）
② 水的脱盐（去除Na+)
所用离子交换树脂——H型强酸阳离子树脂 RSO3-H+ 磺酸型 脱除的离子：Na+，Mg2+等（使NaCl盐脱除）
反应式：
19
Ca 2RSO3-H+
2+ 2+
2HCO3SO422Cl
-
Ca2+ 2RSO3 Mg2+ 2Na+
2H2O + 2CO2 H2SO4 2HCl 2H2SiO3
CH2COOH H2C N CH2COOH
(-N+(CH3)3 ,
(-CH2SH) HO
-COOH)
对苯二酚基
骨架分类代号 0—苯乙烯，1—丙烯酸，2—酚醛，3—环氧，4—乙烯吡啶，5—脲醛，6—氯乙烯 6
③ 常用离子交换树脂的化学结构
a. 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂
CH2 H C CH2 H C
CH2 HO OH
含COOH，酚 + 甲醛
CH2 COOH
14
1.3 离子交换树脂的性能
① 粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm ② 含水量（凝胶树脂）：30%-80% ③ 密度：ρa（表观密度）=干态质量/树脂体积,g/ml
(g/ml)
（骨架+孔） （骨架）
ρT（骨架密度）=干态质量/干态体积,g/ml ④ 交换容量：QT =
H2N(CH2CH2NH)nH
多胺
NH(CH2CH2NH)H
③ 缩聚型
i. 阳离子型 苯酚
磺化 醛
交联
磺化酚醛缩合物（1935）
ii. 阴离子型（芳胺+醛）
13
NH2 HCHO NH2
NH2
H N CH2
CH2 NH CH2
NH
CH2
间苯二胺
（醛与苯环、氨基均可缩合成交联结构）
iii. 弱酸阳离子型
(CH3)2N CH2
C H
CH2
8
1.2 离子交换树脂的合成
① 苯乙烯型
a. 交联PS 共聚物凝胶树脂制备
苯乙烯 + 二乙烯基苯(DVB) 交联PS
b. 功能基化：（磺化，羧酸，季铵化）
CH2 CH
磺化：
H2SO4
CH2
CH
SO3H
9
氯甲基化： （作前体）
CH2
CH
ClCH2OCH3 ZnCl2
通过Na型阳离子交换柱使水中Ca2+，Mg2+与 Na+交换保留在树脂上。
Ca2+ 2RSO3-Na+ + Mg2+ 2HCO3SO422Cl2RSO3Mg2+ Ca2+ 2NaHCO3 Na2SO4 2NaCl
18
硬水（含Ca2+等）
再生处理：用8%-10%工业NaCl使柱 再生（交换其Ca2+，Mg2+ 离子）
（m1正常圆球质量， m2破损粒子质量）
（ρa为表观密度， ρT为骨架密度）
ii. 孔度 P（孔容体积/树脂总体积）
ρa P = ρaVp = 1 ρT
孔体积 骨架体积
17
iii. 比表面积
S=
4 x 104Vp
(Vp 孔总体积，d 孔径）m2 /g
d
1.4 应用 ① 水的软化（去除水中Ca2+，Mg2+离子）
3
1.1 概述 ① 发展史 1935年英国Adams
缩聚 甲醛 + 苯酚
OH
H2SO4
离子交换树脂
OH
HCHO C6H5OH
OH H2C CH2
OH CH2
SO3H
SO3H
CH2
特点：i. 带有可离子化的基团SO3ii. 是三维网状交联聚合物（酚醛缩聚树脂） 应用：水的脱盐
4
★ 由离子交换树脂引伸的功能高分子：吸 附树脂、螯合树脂、高分子试剂、固化 酶（固相多肽合成）聚合物固载催化。 1944年 D’Aeelio合成磺化苯乙烯-二乙烯基 苯树脂奠定现代离子交换树脂基 础。 1950年 大孔离子交换树脂：强度高，交换 速率快。
单位体积的离子基团的量 单位质量£(体积)树脂
, mmol/g
⑤ 离子交换选择性：
对不同离子的选择性，例
15
苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性） Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Na+ 依价数高优先 Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ …… > Mn2+ 同价位时，依半径大优先
CH2
CH
CH2Cl
氧 HNO3 化
CH2 CH
再羧酸化：
COOH
10
季铵化：
CH2 CH
(CH3)3N
CH2 CH
三甲胺
CH2N+(CH3)3Cl-
叔胺
CH2 CH2Cl CH
(CH3)2NC2H5OH
N,N-二甲基乙醇胺
CH2N+(CH3)2ClCH2CH2OH
11
② 丙烯酸型
i. 丙烯酸酯 + DVB 共聚交联
HC
水解
弱酸性阳离子交换
H2C
CH C OCH3 O
CH2 CH2
H C C OCH3
CH2
CH
BPO
自由基悬浮共聚
CH CH2 H C C OH CH CH2 O
CH
CH2
1.H2O/NaOH 2.H+ 水解
CH2 O
CH2
CH
（弱酸性阳离子型）
12
ii. 弱碱阴离子型交换树脂
CH2 CH C OCH3 O CH2 CH C O
第二章 离子交换树脂及高 分子试剂
1. 离子交换树脂 2. 高分子试剂
1
1.1 概述 1）发展史 2）结构与分类 3）常用离子交换树脂的化学结构 1.2 合成 1）苯乙烯型 2）丙烯酸型 3）缩聚型 1.3 性能
2
1.4 应用
1）水的软化
2）水的脱盐 3）废水处理 4）食品工业 5）高分子催化剂 6）其他
⑥ 热稳定性，最高使用温度，如
苯乙烯强酸阳离子 120 ℃ 丙烯酸弱酸阳离子 200 ℃
⑦ 机械强度：耐压强度；滚磨强度；渗磨强度
(渗磨强度为交换渗透过程引起球的破碎率）用树脂 的渗磨圆球率 S描述
16
m1 S =
m1 + m2 ⑧ 比表面；孔容（孔度）；孔径；孔径分布
i. 孔容（Vp)：1g物质中孔体积 Vp = 1 ρa 1 ρT
SO3-Na+
C H
CH2
强酸与阳离子交换，交联
b. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂
CH2 H C CH2 H C
COOH
CH
CH2
7
c. 苯乙烯系强碱性I型阴离子交换树脂
CH2 CH CH2 H C
Cl-(CH3)3N+ CH2
C H
CH2
d. 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂
CH2 CH CH2 H C
5Hale Waihona Puke Baidu
表1 离子交换树脂的种类
代号
分类名称
功能基
说明
0
1 2 3 4 5 6
强酸
弱酸 强碱 弱碱 螯合 两性 氧化还原
-SO3H
磺酸基
膦酸基 季铵基 伯，仲，叔 氨基 胺羧酸 强碱弱酸型 硫醇基
OH
-COOH,-PO3H3
(CH3)2 -N+(CH3)3 , -N+ CH2CH2OH
-NH2,-NHR,-NR2
离子交换树脂
软水（含NaCl等）
② 水的脱盐（去除Na+)
所用离子交换树脂——H型强酸阳离子树脂 RSO3-H+ 磺酸型 脱除的离子：Na+，Mg2+等（使NaCl盐脱除）
反应式：
19
Ca 2RSO3-H+
2+ 2+
2HCO3SO422Cl
-
Ca2+ 2RSO3 Mg2+ 2Na+
2H2O + 2CO2 H2SO4 2HCl 2H2SiO3
CH2COOH H2C N CH2COOH
(-N+(CH3)3 ,
(-CH2SH) HO
-COOH)
对苯二酚基
骨架分类代号 0—苯乙烯，1—丙烯酸，2—酚醛，3—环氧，4—乙烯吡啶，5—脲醛，6—氯乙烯 6
③ 常用离子交换树脂的化学结构
a. 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂
CH2 H C CH2 H C
CH2 HO OH
含COOH，酚 + 甲醛
CH2 COOH
14
1.3 离子交换树脂的性能
① 粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm ② 含水量（凝胶树脂）：30%-80% ③ 密度：ρa（表观密度）=干态质量/树脂体积,g/ml
(g/ml)
（骨架+孔） （骨架）
ρT（骨架密度）=干态质量/干态体积,g/ml ④ 交换容量：QT =
H2N(CH2CH2NH)nH
多胺
NH(CH2CH2NH)H
③ 缩聚型
i. 阳离子型 苯酚
磺化 醛
交联
磺化酚醛缩合物（1935）
ii. 阴离子型（芳胺+醛）
13
NH2 HCHO NH2
NH2
H N CH2
CH2 NH CH2
NH
CH2
间苯二胺
（醛与苯环、氨基均可缩合成交联结构）
iii. 弱酸阳离子型
(CH3)2N CH2
C H
CH2
8
1.2 离子交换树脂的合成
① 苯乙烯型
a. 交联PS 共聚物凝胶树脂制备
苯乙烯 + 二乙烯基苯(DVB) 交联PS
b. 功能基化：（磺化，羧酸，季铵化）
CH2 CH
磺化：
H2SO4
CH2
CH
SO3H
9
氯甲基化： （作前体）
CH2
CH
ClCH2OCH3 ZnCl2
通过Na型阳离子交换柱使水中Ca2+，Mg2+与 Na+交换保留在树脂上。
Ca2+ 2RSO3-Na+ + Mg2+ 2HCO3SO422Cl2RSO3Mg2+ Ca2+ 2NaHCO3 Na2SO4 2NaCl
18
硬水（含Ca2+等）
再生处理：用8%-10%工业NaCl使柱 再生（交换其Ca2+，Mg2+ 离子）
（m1正常圆球质量， m2破损粒子质量）
（ρa为表观密度， ρT为骨架密度）
ii. 孔度 P（孔容体积/树脂总体积）
ρa P = ρaVp = 1 ρT
孔体积 骨架体积
17
iii. 比表面积
S=
4 x 104Vp
(Vp 孔总体积，d 孔径）m2 /g
d
1.4 应用 ① 水的软化（去除水中Ca2+，Mg2+离子）
3
1.1 概述 ① 发展史 1935年英国Adams
缩聚 甲醛 + 苯酚
OH
H2SO4
离子交换树脂
OH
HCHO C6H5OH
OH H2C CH2
OH CH2
SO3H
SO3H
CH2
特点：i. 带有可离子化的基团SO3ii. 是三维网状交联聚合物（酚醛缩聚树脂） 应用：水的脱盐
4
★ 由离子交换树脂引伸的功能高分子：吸 附树脂、螯合树脂、高分子试剂、固化 酶（固相多肽合成）聚合物固载催化。 1944年 D’Aeelio合成磺化苯乙烯-二乙烯基 苯树脂奠定现代离子交换树脂基 础。 1950年 大孔离子交换树脂：强度高，交换 速率快。
单位体积的离子基团的量 单位质量£(体积)树脂
, mmol/g
⑤ 离子交换选择性：
对不同离子的选择性，例
15
苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性） Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Na+ 依价数高优先 Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ …… > Mn2+ 同价位时，依半径大优先
CH2
CH
CH2Cl
氧 HNO3 化
CH2 CH
再羧酸化：
COOH
10
季铵化：
CH2 CH
(CH3)3N
CH2 CH
三甲胺
CH2N+(CH3)3Cl-
叔胺
CH2 CH2Cl CH
(CH3)2NC2H5OH
N,N-二甲基乙醇胺
CH2N+(CH3)2ClCH2CH2OH
11
② 丙烯酸型
i. 丙烯酸酯 + DVB 共聚交联
HC
水解
弱酸性阳离子交换
H2C
CH C OCH3 O
CH2 CH2
H C C OCH3
CH2
CH
BPO
自由基悬浮共聚
CH CH2 H C C OH CH CH2 O
CH
CH2
1.H2O/NaOH 2.H+ 水解
CH2 O
CH2
CH
（弱酸性阳离子型）
12
ii. 弱碱阴离子型交换树脂
CH2 CH C OCH3 O CH2 CH C O
第二章 离子交换树脂及高 分子试剂
1. 离子交换树脂 2. 高分子试剂
1
1.1 概述 1）发展史 2）结构与分类 3）常用离子交换树脂的化学结构 1.2 合成 1）苯乙烯型 2）丙烯酸型 3）缩聚型 1.3 性能
2
1.4 应用
1）水的软化
2）水的脱盐 3）废水处理 4）食品工业 5）高分子催化剂 6）其他
⑥ 热稳定性，最高使用温度，如
苯乙烯强酸阳离子 120 ℃ 丙烯酸弱酸阳离子 200 ℃
⑦ 机械强度：耐压强度；滚磨强度；渗磨强度
(渗磨强度为交换渗透过程引起球的破碎率）用树脂 的渗磨圆球率 S描述
16
m1 S =
m1 + m2 ⑧ 比表面；孔容（孔度）；孔径；孔径分布
i. 孔容（Vp)：1g物质中孔体积 Vp = 1 ρa 1 ρT
SO3-Na+
C H
CH2
强酸与阳离子交换，交联
b. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂
CH2 H C CH2 H C
COOH
CH
CH2
7
c. 苯乙烯系强碱性I型阴离子交换树脂
CH2 CH CH2 H C
Cl-(CH3)3N+ CH2
C H
CH2
d. 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂
CH2 CH CH2 H C