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詳細(xì)介紹
樹脂
離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號(hào)離子進(jìn)行交換。按交換基團(tuán)性質(zhì)的不同，離子交換樹脂可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩類。最主要的離子交換反應(yīng)有：
   ①陽離子交換樹脂的交換反應(yīng)：R^-－H⁺＋Na⁺Cl^-↔R^-－Na⁺＋H⁺Cl^-R為高分子強(qiáng)酸基，如結(jié)構(gòu)式a、b。
 
   ②陰離子交換樹脂的交換反應(yīng)：R⁺OH^-＋Na⁺Cl^-↔R⁺Cl^-＋Na⁺OH^-R為高分子強(qiáng)堿基，如結(jié)構(gòu)式c。
 
    按外觀形狀及物理性質(zhì)（孔度及分布、比表面、孔徑等）分為凝膠、大孔和離子交換膜；按用途有選擇交換用、脫色用、吸著用、電子交換（氧化還原）用等；根據(jù)母體的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛類系列等；根據(jù)離子交換樹脂中活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為強(qiáng)酸性、中等酸性、弱酸性、強(qiáng)堿性、中等堿性、弱堿性和氧化還原性等。含酸性基團(tuán)的離子交換樹脂，能同溶液里的陽離子起交換反應(yīng)，稱陽離子交換樹脂；含堿性基團(tuán)的則稱為陰離子交換樹脂。若同時(shí)含酸性和堿性基團(tuán)的，稱為兩性樹脂；若樹脂與溶液里的高價(jià)陽離子作用后，能形成鉗環(huán)形的絡(luò)合物，則稱為螯合樹脂。
   離子交換樹脂的主要應(yīng)用為：①水處理，除去水中的鈣、鎂和鐵離子以使工業(yè)用水軟化及獲得電子、半導(dǎo)體、原子能工業(yè)用的無離子水。②分離、濃縮、提純和回收鈾、稀土元素、貴金屬及鉻、銅等。③醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥上的回收、分離和提純。④作為有機(jī)合成中的固體酸堿催化劑。⑤食品及生物制品的脫色。⑥作化學(xué)試劑用于外消旋物拆分、固相合成。

一、基本類型
（1）強(qiáng)酸性陽離子樹脂

這類樹脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基－so₃h，容易在溶液中離解出h⁺，故呈強(qiáng)酸性。樹脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如so₃^－，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽離子。這兩個(gè)反應(yīng)使樹脂中的h⁺與溶液中的陽離子互相交換。強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用。

樹脂在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進(jìn)行，使樹脂的官能基團(tuán)回復(fù)原來狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹脂放出被吸附的陽離子，再與h⁺結(jié)合而恢復(fù)原來的組成。
（2）弱酸性陽離子樹脂
   這類樹脂含弱酸性基團(tuán)，如羧基－cooh，能在水中離解出h⁺ 而呈酸性。樹脂離解后余下的負(fù)電基團(tuán)，如r-coo^－(r為碳?xì)浠鶊F(tuán))，能與溶液中的其他陽離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低ph下難以離解和進(jìn)行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如ph5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進(jìn)行再生(比強(qiáng)酸性樹脂較易再生)。
（3）強(qiáng)堿性陰離子樹脂
   這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季胺基(亦稱四級(jí)胺基)－nr₃oh(r為碳?xì)浠鶊F(tuán))，能在水中離解出oh^－而呈強(qiáng)堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。
   這種樹脂的離解性很強(qiáng)，在不同ph下都能正常工作。它用強(qiáng)堿(如naoh)進(jìn)行再生。
（4）弱堿性陰離子樹脂
  這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基(亦稱一級(jí)胺基)-nh₂、仲胺基(二級(jí)胺基)-nhr、或叔胺基(三級(jí)胺基)-nr₂，它們?cè)谒�中能離解出oh^－而呈弱堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如ph1～9)下工作。它可用na₂co₃、nh₄oh進(jìn)行再生。
（5） 離子樹脂的轉(zhuǎn)型
   以上是樹脂的四種基本類型。在實(shí)際使用上，常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌�離子型式運(yùn)行，以適應(yīng)各種需要。例如常將強(qiáng)酸性陽離子樹脂與nacl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。工作時(shí)鈉型樹脂放出na⁺與溶液中的ca²⁺、mg²⁺等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應(yīng)時(shí)沒有放出h⁺，可避免溶液ph下降和由此產(chǎn)生的副作用(如蔗糖轉(zhuǎn)化和設(shè)備腐蝕等)。這種樹脂以鈉型運(yùn)行使用后，可用鹽水再生(不用強(qiáng)酸)。又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂茫�工作時(shí)放出cl^－而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?hco₃^－)運(yùn)行。強(qiáng)酸性樹脂及強(qiáng)堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性，但它們?nèi)匀挥羞@些樹脂的其他典型性能，如離解性強(qiáng)和工作的ph范圍寬廣等。
    國外一些產(chǎn)品用字母c代表陽離子樹脂(c為cation的第一個(gè)字母)，a代表陰離子樹脂(a為anion的第一個(gè)字母)，如amberlite的irc和ira分別為陽樹脂和陰樹脂，亦分別代表陽樹脂和陰樹脂。
  我國化工部規(guī)定(hg2-884-76)，離子交換樹脂的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類：0 代表強(qiáng)酸性，1代表弱酸性，2代表強(qiáng)堿性，3代表弱堿性，4代表螯合性，5代表兩性，6代表氧化還原。第二位數(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu)：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表環(huán)氧系等。第三位數(shù)字為順序號(hào)，用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異。 此外大孔型樹脂在數(shù)字前加字母d。因此，d001是大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系樹脂。

二、新樹脂預(yù)處理
    工業(yè)級(jí)的離子交換樹脂中，常含有少量低聚物和未參加聚合反應(yīng)的單體等有機(jī)雜質(zhì)和其他諸如鐵、鋁、銅等無機(jī)雜質(zhì)。當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時(shí)，上述可溶性雜質(zhì)就會(huì)轉(zhuǎn)入溶液而影響水質(zhì)，所以新樹脂在使用前要進(jìn)行處理。樹脂經(jīng)預(yù)處理轉(zhuǎn)成所需離子型能起到活化樹脂的作用。
  1﹑樹脂裝柱后，以約10米/小時(shí)流速自下而上，使樹脂體積膨脹，（注：視交換器留有體積空間而定控制流速），除去懸浮雜質(zhì)、機(jī)械雜質(zhì)、細(xì)碎樹脂和氣泡，切勿將樹脂沖出柱外，以免損失，當(dāng)上部流出水清澈、透明，樹脂層無氣泡即可結(jié)束。一般操作時(shí)間在30分鐘左右。
  2﹑用食鹽水處理
用約2倍樹脂體積，10%的食鹽水溶液浸泡20小時(shí)以上，然后用清水漂凈。
  3﹑稀鹽酸處理
用約2倍樹脂體積，2%—5%濃度的鹽酸溶液。浸泡4-8個(gè)小時(shí)后，再用水洗約至PH=6。
  4﹑稀氫氧化鈉溶液處理
用約2倍樹脂體積，2%—5%濃度的氫氧化鈉溶液。浸泡4-8個(gè)小時(shí)后，再用水洗至中性。
  注：陰樹脂先用酸溶液處理后用堿溶液處理，
      陽樹脂先用堿溶液處理后用酸溶液處理。
三、再生
    離子交換樹脂使用一段時(shí)間后，吸附的雜質(zhì)接近飽和狀態(tài)，就要進(jìn)行再生處理，用化學(xué)藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質(zhì)洗脫除去，使之恢復(fù)原來的組成和性能。在實(shí)際運(yùn)用中，為降低再生費(fèi)用，要適當(dāng)控制再生劑用量，使樹脂的性能恢復(fù)到最經(jīng)濟(jì)合理的再生水平，通常控制性能恢復(fù)程度為 70～80% 。如果要達(dá)到更高的再生水平，則再生劑量要大量增加，再生劑的利用率則下降。
　　樹脂的再生應(yīng)當(dāng)根據(jù)樹脂的種類、特性，以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，選擇適當(dāng)?shù)脑偕�藥劑和工作條件。
　　樹脂的再生特性與它的類型和結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性樹脂的再生比較困難，需用再生劑量比理論值高相當(dāng)多；而弱酸性或弱堿性樹脂則較易再生，所用再生劑量只需稍多于理論值。此外，大孔型和交聯(lián)度低的樹脂較易再生，而凝膠型和交聯(lián)度高的樹脂則要較長的再生反應(yīng)時(shí)間。
　　再生劑的種類應(yīng)根據(jù)樹脂的離子類型來選用，并適當(dāng)?shù)剡x擇價(jià)格較低的酸、堿或鹽。例如：鈉型強(qiáng)酸性陽樹脂可用10%NaCl溶液再生，用藥量為其交換容量的2倍(用NaCl量為117g/l樹脂)；氫型強(qiáng)酸性樹脂用強(qiáng)酸再生，用硫酸時(shí)要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應(yīng)生成硫酸鈣沉淀物。為此，宜先通入1～2% 的稀硫酸再生。
　　氯型強(qiáng)堿性樹脂，主要以NaCl溶液來再生，但加入少量堿有助于將樹脂吸附的色素和有機(jī)物溶解洗出，故通常使用含10%NaCl+0.2%NaOH的堿鹽液再生，常規(guī)用量為每升樹脂用150～200gNaCl，及3～4gNaOH。OH型強(qiáng)堿陰樹脂則用4%NaOH溶液再生。
　　樹脂再生時(shí)的化學(xué)反應(yīng)是樹脂原先的交換吸附的逆反應(yīng)。按化學(xué)反應(yīng)平衡原理，提高化學(xué)反應(yīng)某一方物質(zhì)的濃度，可促進(jìn)反應(yīng)向另一方進(jìn)行，故提高再生液濃度可加速再生反應(yīng)，并達(dá)到較高的再生水平。
　　為加速再生化學(xué)反應(yīng)，通常先將再生液加熱至70～80℃。它通過樹脂的流速一般為1～2BV/h 。也可采用先快后慢的方法，以充分發(fā)揮再生劑的效能。再生時(shí)間約為一小時(shí)。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時(shí)(水量約4BV) ，待洗水排清之后，再用水反洗，至洗出液無色、無混濁為止。
　　一些樹脂在再生和反洗之后，要調(diào)校pH值。因?yàn)樵偕�液常含有堿，樹脂再生后即使經(jīng)水洗，也常帶堿性。而一些脫色樹脂(特別是弱堿性樹脂)宜在微酸性下工作。此時(shí)可通入稀鹽酸，使樹脂pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。
　 　樹脂在使用較長時(shí)間后，由于它所吸附的一部分雜質(zhì)(特別是大分子有機(jī)膠體物質(zhì))不易被常規(guī)的再生處理所洗脫，逐漸積累而將樹脂污染，使樹脂效能降低。此時(shí)要用特殊的方法處理。例如：陽離子樹脂受含氮的兩性化合物污染，可用4%NaOH溶液處理，將它溶解而排掉；陰離子樹脂受有機(jī)物污染，可提高堿鹽溶液中的NaOH濃度至0.5～1.0%，以溶解有機(jī)物。
四、應(yīng)用范圍
    在工業(yè)上，離子交換樹脂主要用于水的凈化處理，貴重或有用的物質(zhì)的回收，離子的分離等，為了在工業(yè)上更有效地應(yīng)用離子交換樹脂，必須認(rèn)真考慮以下問題：
（1）確定采用連續(xù)或還是不連續(xù)的工藝；
（2）樹脂和再生劑的選擇；
（3）確定離子交換裝置設(shè)備及最佳工藝操作參數(shù)。
1、離子交換樹脂應(yīng)用工藝的分類
離子交換過程通常包括離子交換、飽和后的離子樹脂的再生和含再生廢液樹脂的清洗三個(gè)步驟。根據(jù)進(jìn)行這些步驟的方式不同，工業(yè)離子交換過程可分為間歇式工藝、固定床工藝及連續(xù)式工藝三類。
2、離子交換樹脂在工業(yè)上的應(yīng)用
（1）離子交換樹脂處理水包括水的軟化（水的一般軟化、脫堿軟化、水的脫鹽、凝結(jié)水處理及超純水制備等）。
（2）離子交換樹脂在發(fā)哮行業(yè)如糖、檸檬酸、味精等脫色。
（3）離子交換樹脂處理工業(yè)廢水。
（4）離子交換樹脂在石油、化工行業(yè)中的使用。
（5）離子交換樹脂在制藥工業(yè)中的應(yīng)用。
（6）離子交換樹脂在電子工業(yè)、核工業(yè)等行業(yè)的應(yīng)用。
（7）離子交換樹脂在濕法冶金中的運(yùn)用。

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