离子交换层析技术的研究及应用进展
摘要：本文综述了离子交换层析技术的基本理论、、常见的离子交换剂和l离子交换剂的处理、再生和转型；在各领域的应用、树脂使用和保管方法及其发展前景等。
关键词：离子交换树脂基本理论；分类；应用进展；保管
前言：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。 1 基本理论 1.1 离子交换树脂的概念
离子交换树脂是一类带有功能基团的可以再生、反复使用且不溶性惰性高分子材料，不为生物体吸收。整个分子由三部分组成[1]：具有三维空间立体结构的网状骨架；与网状骨架载体以共价键连接不能移动的活性基团，亦称功能基团；与活性基团以离子键结合，电荷与活性基团相反的活性离子，亦称平衡离子。如聚苯乙烯磺酸型树脂，其骨架是聚苯乙烯高分子，活性基团是磺酸基，平衡离子是钠离子。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 1.2 离子交换的原理
氨基酸、蛋白质、核酸等大多是两性物质，在水溶液中带有电荷。由于生物分子自身的性质差异，造成了在特定的介质中所带的电荷种类和密度不同，这就是离子交换的理论依据。 离子交换现象可用下面的方程式表示： 阳离子交换反应：
++
Resin-SO3H + Na = Resin-SO3 Na + H
++
Resin-SO3Na + H = Resin-SO3 H + Na 阴离子交换反应：
1.3 离子交换的分类 1.3.1 分类
按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳和强阴、弱阴。
（1）强酸性阳离子交换剂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）； （2）弱酸性阳离子交换剂：活性基团有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH等弱酸性基团；
（3）强碱性阴离子交换剂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-?-羟基乙基胺基； （4）弱碱性阴离子交换剂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；
强离子交换剂的电离率基本不受pH值影响，离子交换作用的pH范围宽，而弱离子交换剂的电离率受pH影响很大，离子交换作用的pH范围小。
1.3.2常见离子交换树脂的鉴定
在树枝的使用过程中，由于保管不善或其他的偶然因素，即将树脂搞混。而各类树脂的形状和颜色又无统一的规定，故单从外观很难识别阴阳。
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彦文斌等建立了简便的方法，利用CuSO4、HCl、NaOH、NH3.H2O、酚酞和甲基红等试剂鉴定四类常见树脂 2离子交换剂的处理、再生和转型 2.1 处理
由于新树脂在生产和运输途中会引入一些中间体和一些杂质,所以应用前要处理。首先要去杂、过筛，粒度过大时可稍加粉碎，对于粉碎后或粒度不均匀的树脂应进行筛选和浮选处理，以保证树脂粒度均匀。用蒸馏水、乙醇浸泡（去除残存的少量有机杂质）后,再用约1mol/L的NaOH和1mol/L的HCl反复冲洗。可用十倍树脂量的液体,各3次,每次酸和碱处理转换时用
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水洗至中性,最后用水洗至中性，经缓冲液平衡后即可使用或装柱。 2.2 再生
树脂可以重复使用,使用其吸附有效成分后,将有效成分洗脱下来,可以再利用,需要用酸碱转型,用水洗至中性,但是用的次数多了,会有一些杂质在上面影响效率,需要彻底再生或换新树脂,一般树脂可以使用20次以上。再生方法:用氢氧化钠处理、浸泡(阴树脂),或用盐酸处理、浸泡(阳树脂),也可以用饱和盐水浸泡。动态再生方法比一般再生方法优越。被铁离子污染的
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阴离子交换树脂用亚硫酸钠去除较彻底。
近年，清华大学报道了利用水代替酸碱作为再生剂再生失效离子交换树脂的体外电再生工艺,使离子交换水处理变为一种绿
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色环保水处理技术。 2.3 转型
转型是为了发挥树脂的交换性能，按照使用要求人为地赋予平衡离子的过程。对于弱酸或弱碱型树脂须用碱（NaOH）或酸（HCl）转型，对于强酸或强碱型树脂除使用酸碱外还可以用相应的盐溶液转型。
总之，对离子交换剂的处理、再生和转型的目的是一致的，即要求其带上使用时所期望的离子或基团。 3应用进展
离子交换树脂不溶于一般的酸、碱溶液及许多有机溶剂。它以交换、选择、吸收和催化等功能来实现除盐、分离、精制、脱色和催化等应用效果。它广泛应用于电力、化工、冶金、医药、食品和原子能等部门,主要是制取软水和纯水三废处理及分
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离精制药品等。
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许多研究者不断尝试将该技术应用于多种物质的分离纯化。如府静燕等研究了丝胶蛋白质对阴离子交换纤维的吸附性能以
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及从阴离子交换纤维上解析丝胶蛋白质的最佳条件。喇文军等离子交换层析法对玉米蛋白酶解液进行了分离纯化，得到降血压肽并研究了离子强度、离子强度梯度以及上样量对分离效果的影响,得到最佳分离条件。
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新型离子交换剂也是研究开发的重点，如施扬等以甲基丙烯酸缩水甘油酯为单体，三聚异氰尿酸三烯丙酯和二乙烯基苯为交联剂，甲苯和正庚烷为有机致孔剂，用原位聚合的方法合成亲水性高分子载体。胺化反应后，得到含二乙胺基羟丙基的阴离子交换剂新型双孔蛋白质离子交换剂的制备及性能研究。在此基础上，采用固体颗粒与有机溶剂联合致孔模式，以硫酸钠颗粒为固体致孔剂，制备新型双孔离子交换剂并比较了两种树脂的孔结构及其对牛血清白蛋白的吸附行为。
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此外，离子交换层析与其他技术的联合应用也在发展之中。马晓轩等研究了利用批量离子交换层析与凝胶过滤层析相结合的方法纯化类人胶原蛋白I的最佳条件并分别考察了不同离子交换树脂、缓冲溶液pH、离子强度、进料蛋白浓度对批量离子
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交换的影响，以及不同凝胶过滤介质对凝胶过滤层析的影响。赵荣乐等以离子交换层析和凝胶过滤成功地从盐源山蛭头部分离纯化了抗凝血多肽 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[10]。
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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。
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[12]。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[13,14]。
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[15]。
4.2离子交换树脂的保管
树脂在使用前和长时间停止使用，都存在着如何保管的问题，如果管理不善，就会直接影响树脂的使用寿命和交换能力，
甚至造成树脂报废。
新购入的树脂，在没有投入使用之前，应当注意以下问题：（1）保持树脂的水分：树脂在出厂时含水率是饱和的，因此在运输中要注意包装的密封和完整，防止树脂因失水而风干。（2）防止受热和受冻：树脂不宜放在高温设备附近和阳光直接照射的地方，最好环境温度在5～20℃，不要低于0℃，以防止树脂内的水分因冻结而造成树脂涨裂。（3）防止树脂污染。
树脂在使用中如有较长时间停用时，如备用设备中的树脂和采暖锅炉水处理设备中的树脂等，在停用中要注意以下事项：（1）树脂转型：对长期停用的树脂以转成盐基式的树脂为好，即将阳离子交换树脂转成钠型的，将阴离子交换树脂转成氯型的。（2）湿法存放，停用的树脂可以继续存放在交换器内。（3）防止发霉：交换器内树脂表面容易有微生物繁殖，使树脂发霉而结块，尤其在温度高的条件下，为防止树脂发霉、结块，除定期更换交换器内清水外，也可以用1%～1.5%的甲醛溶液消毒。
5 离子交换树脂的发展前景
离子交换树脂作为一种具备选择吸附和交换功能的特殊的高分子化合物，已经在工业、农业、加工制造业等各个领域发挥了重要的作用。可以预见，随着各行业不断发展和科技水平的不断进步，离子交换树脂将在未来发挥更加重要的作用。
目前国内树脂总产能已能满足国内市场，而在未来需要更多的国内厂家积极开拓并占领国际市场。与此同时，来自国外树脂生产商的压力将迫使国内厂家提高生产效率和产品质量，这种良性竞争将给离子交换树脂市场注入新的活力和生机。因此，可以预见离子交换树脂的市场前景将会很广阔，未来的3～5年将是世界离子交换树脂行业又一个巨变的时期。 5.结论
离子交换法也有不足，如一次性投资高，操作要求及管理严格，有的还存在再生问题、树脂的中毒和老化问题等。但有的问题已有相应的解决办法，提高也是可以做到的。充分发挥离子交换法的回收功能，不仅能保护环境，而且在经济效益方面极有优势。因此，离子交换树脂在水处理领域具有广阔的发展空间，应加以重视。 参考文献：
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