離子交換樹脂的原理與應(yīng)用

分類：行業(yè)新聞
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發(fā)布時(shí)間：2020-03-16
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【概要描述】離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。?離子交換樹脂的原理與應(yīng)用離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工

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離子交換樹脂的原理與應(yīng)用

【概要描述】離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。?離子交換樹脂的原理與應(yīng)用離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工

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離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。

離子交換樹脂的原理與應(yīng)用

離子交換樹脂是一類用途很廣的功能性高分子材料，利用其選擇性交換、吸附原理可以進(jìn)行脫鹽、脫色、分離、精制等，應(yīng)用領(lǐng)域涉及水處理、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保等，滲透在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，對現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展起著重要作用。

一、離子交換樹脂外觀與結(jié)構(gòu)

離子交換樹脂外觀為固體球形顆粒，粒徑為0.3-1.2mm，呈乳白、淡黃或棕褐色不透明或半透明球狀，不溶于水。

離子交換樹脂是一類帶有功能基的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)由三部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的活性基團(tuán)?；钚曰鶊F(tuán)包括固定離子和帶相反電荷的可交換活動離子。

網(wǎng)狀骨架不溶于一般的酸、堿溶液及各種有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮及烴等。功能基（活性基團(tuán)）固定在網(wǎng)絡(luò)骨架上不能自由移動。功能基所帶的可以離解的離子卻能自由移動，可以與周圍的外來離子互相交換。隨著使用或再生時(shí)，在不同的外界條件下，與周圍的同類型其他離子相互交換。以聚苯乙烯型離子交換樹脂為例，其母體為苯乙烯單體與二苯乙烯交聯(lián)劑共聚成的網(wǎng)狀骨架，功能基團(tuán)為磺酸基，可交換離子為氫離子或鈉離子。

人們就是通過控制樹脂上的可交換離子，創(chuàng)造適宜條件，如改變濃度差、利用親合力差別等，使它與相近的同類型離子進(jìn)行反復(fù)交換，以達(dá)到不同的使用目的，如濃縮、分離、提純、凈化等。

二、離子交換樹脂的國內(nèi)現(xiàn)狀

我國自20世紀(jì)50年代以來開始生產(chǎn)和應(yīng)用離子交換樹脂。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，國內(nèi)常規(guī)離子交換樹脂的產(chǎn)量不斷增加，品種不斷豐富，制造和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，先后發(fā)展了凝膠樹脂、大孔樹脂、超高交聯(lián)樹脂、復(fù)合功能樹脂及樹脂基復(fù)合吸附劑等五代樹脂。

近年來，國內(nèi)離子交換樹脂產(chǎn)量不斷擴(kuò)大，技術(shù)不斷提升，已成為世界最大的生產(chǎn)國，2018年我國離子交換樹脂行業(yè)產(chǎn)能規(guī)模在42.7萬噸左右，產(chǎn)量也由2008年的16.35萬噸增長至2018年的30.44萬噸。需求方面，據(jù)測算2017年我國離子交換樹脂需求量為20.38萬噸，2018年我國離子交換樹脂需求量增長至21.56萬噸。我國離子交換樹脂除供應(yīng)國內(nèi)市場外，還出口到全世界50多個(gè)國家，出口量約占產(chǎn)量的30 %，成為世界離子交換樹脂出口大國。2016年出口量增加到約9萬噸， 2018年我國離子交換樹脂出口數(shù)量為10.33萬噸，預(yù)測今后幾年，我國離子交換樹脂產(chǎn)銷形勢將繼續(xù)向好，前景樂觀。

三、離子交換的分類

根據(jù)離子交換樹脂的孔徑，可分為凝膠型和大孔型。凝膠型交換容量大，但孔徑小，易堵塞污染；大孔型具有抗有機(jī)物污染的能力。目前，我國生產(chǎn)的離子交換樹脂以凝膠型為主。

根據(jù)合成離子交換樹脂單體的不同，可分為苯乙烯系、丙烯酸系、環(huán)氧系、酚醛系及脲醛系等。其中生產(chǎn)數(shù)量最多、應(yīng)用最為廣泛的為苯乙烯系離子交換樹脂。

根據(jù)離子交換樹脂所帶活性基團(tuán)的性質(zhì)，可分為強(qiáng)酸陽離子、弱酸陽離子、強(qiáng)堿陰離子、弱堿陰離子、鰲合性、兩性及氧化還原樹脂。從世界樹脂的生產(chǎn)情況看，強(qiáng)酸性樹脂占總產(chǎn)量的50％～60％，強(qiáng)堿性樹脂占25％～30％。而我國離子交換樹脂的生產(chǎn)情況則是強(qiáng)酸性樹脂占有更大的比重，約占總產(chǎn)量的80％，而強(qiáng)堿性樹脂只占總產(chǎn)量的15％左右。

四、交換原理

離子交換樹脂是通過其可交換的活性離子A+與溶液中的自由離子B+交換完成對B+去除的。

4.1 離子交換過程

離子交換過程包含五個(gè)步驟：1B+自溶液擴(kuò)散至樹脂表面；2B+自樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心；3B+與RA在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)；4A+離子自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散到樹脂表面；5A+離子從樹脂表面擴(kuò)散至溶液中。如圖所示：

4.2 影響因素

影響交換速度的因素主要有以下幾方面：

1）顆粒大小：顆粒越小，有利于提高交換速度

2）交聯(lián)度：交聯(lián)度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內(nèi)部擴(kuò)散就越容易

3）離子化合價(jià)：離子在樹脂中擴(kuò)散時(shí)，和樹脂骨架間存在庫倫引力。離子化合價(jià)越高，這種引力越大，因此擴(kuò)散速率就越小。

4）離子的大?。盒‰x子的交換速度比較快，大分子會和樹脂骨架碰撞，速度較慢

5）攪拌速率：當(dāng)液膜控制時(shí)，增加攪拌速率會使交換速度增加。但增大到一定程度后再繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，對交換速度影響就比較小。

6）溶液濃度：

4.3 選擇吸附順序

根據(jù)以上影響交換速度的因素，可以推斷：

1）在常溫、稀溶液中離子價(jià)數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。

Cr3+ > Ca2+ > Na+ PO43 -> SO42-> Cl-

2）稀溶液中，同價(jià)離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大；稀土元素相反。

K+ > Na+> H+

3）在高濃度的溶液中，由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對減小，與固定離子的靜電引力越小。

五、應(yīng)用

離子交換樹脂具有交換、選擇、吸附和催化等功能，可以去除干擾組分、富集微量組分，在工業(yè)高純水制備、醫(yī)藥衛(wèi)生、冶金行業(yè)、生物工程、食品加工等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

5.1 水處理

離子交換樹脂最突出的應(yīng)用是在水處理領(lǐng)域。其中，在電力行業(yè)的應(yīng)用比例最大，主要是用在火力發(fā)電廠給水處理和凝結(jié)水精處理上，少部分用于循環(huán)水和發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水的處理。

水處理工藝中，離子交換樹脂的用途十分廣泛。在給水處理中，用于水質(zhì)軟化和除鹽，制取軟化水、純水和超純水；在廢水處理中，用于處理含汞、含銅、含鉬、含鋅、含鈾、含鎘等重金屬工業(yè)廢水。

離子交換樹脂不僅可以用于工業(yè)用水的處理，而且可用于飲用水的凈化處理，由于它可以有效去除飲用水中過量的硝酸鹽、氟及微量重金屬等雜質(zhì)，因此在飲用水的凈化中也發(fā)揮著舉足輕重的作用。

5.2 食品工業(yè)

在食品工業(yè)領(lǐng)域，離子交換樹脂的消耗量僅次于水處理，可用于制糖、制味精等，起著提純、脫色、去味、分離催化等方面的作用。例如針對制糖業(yè)中糖漿色素多、鹽分含量大等特點(diǎn)，用于木糖醇等糖類制品的脫色、提純等；去除飲料、果汁中的鹽類和酸性物質(zhì)等。

5.3 醫(yī)藥衛(wèi)生

離子交換樹脂應(yīng)用于醫(yī)藥和生物化工方面，最早是用于抗生素的提取、分離，維生素濃縮、天然藥物提取和純化等，70年代以來逐漸應(yīng)用于藥物傳遞系統(tǒng)的研究和開發(fā)，可用于緩控釋給藥系統(tǒng)和靶向給藥系統(tǒng)。如胃腸道中控制藥物釋放和作為載體用于靶向釋放系統(tǒng)。

5.4 試劑的制備和提純

如試劑級的亞硝酸鉀，只含KNO294%，而其中大量的雜質(zhì)是KNO3，使用結(jié)晶法不能除去KNO3。將試劑級的亞硝酸鉀溶液1mol/L通過NO2-式的陰離子交換樹脂柱，由于NO2-的離子交換親和力比NO3-小，NO3-完全定量地交換到樹脂上，并將樹脂上的NO2交換下來，流出液中的KNO2的純度最少達(dá)99.9%。交換柱可用純NaNO2再生后重復(fù)使用。

5.5 催化作用

在有機(jī)合成中常用酸和堿做催化劑進(jìn)行酯化、水解、酯交換、水合等反應(yīng)。用離子交換樹脂代替無機(jī)酸、堿同樣可以進(jìn)行上述反應(yīng)，且優(yōu)點(diǎn)更多。如，樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器不易腐蝕，不污染環(huán)境，反應(yīng)易控制等。甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂做催化劑，由異丁烯與甲醇反應(yīng)而成，代替了原油的可對環(huán)境造成污染的四乙基鉛。

5.6 環(huán)境保護(hù)

許多水溶液或非水溶液中含有的有毒離子或非離子物質(zhì)，都可以用數(shù)值進(jìn)行回收使用，如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影制片廢液里的有用物質(zhì)等。

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