表1 离子交换树脂的种类 分类名称 强酸 弱酸 强碱 弱碱 螯合 两性 磺酸基(-SO3H) 羧酸基(-COOH)、磷酸基(-PO3H2)等 季铵基(-N+(CH3)3、-N+(CH3)2(CH2 CH2OH))等 伯、仲、叔胺基(-NH2、-NHR、-NR2)等 胺羧基(-CH2-N(CH2COOH)2、-CH2N(CH3)(C6H8(OH)5)) 强碱-弱酸(-N(CH3)3+、-COOH)、弱碱-弱酸(-NH2、-COOH) 功能基 氧化还原 硫醇基(-CH2SH)、对苯二酚基(HO-C6H3-OH)等 对离子交换树脂的命名做了如下规定:
离子交换树脂的全名由分类名称、骨架(或集团)名称、基本名称排列组成。
离子交换树脂的型态分为凝胶型和大孔型两种。凡具有物理孔结构的称为大孔型树脂,在全名前加“大孔”两字以示区别。
由于氧化还原树脂与离子交换树脂的特性不同,故在命名的排列上也有不同,其命名原则由基团的名称、骨架名称、分类名称和树脂两字排列组成。 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,应在基本名称前加一“阳”字;凡分类中属碱性的,在基本名称前加一“阴”字。为了区别离子交换树脂产品中的不同品种,在全名前必须有型号。
离子交换树脂产品的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类,第二位数字代表骨架结构的差异(代号可见表2、3),第三位数字
为顺序号,用以区别基团、交联剂等。 表2 离子交换树脂产品分类
代号 0 1 2 3 4 5 6 表3 离子交换树脂骨架分类 代号 0 1 2 3 4 5 6 分类名称 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系 分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性 两性 氧化还原 凡大孔型离子交换树脂,在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”表示之。凝胶型离子交换树脂,在型号后面用“×”号连接阿拉伯数字,表示交联度。遇到二次聚合或其交联度不清楚时,可以采用近似值表示或不给
予表示,见图1。
. . . × .
交联度数值 连接符号
顺序号
骨架代号
分类代号
0 0 1 × 7
交联度数值 、交联度为7 连接符号
顺序号
骨架代号、苯乙烯系
分类代号、强酸性
2 0 1 × 7
交联度数值 、交联度为7 连接符号
顺序号
骨架代号 、苯乙烯系
分类代号、强碱性
D × × ×
顺序号
骨架代号
分类代号
大孔型代号
图1 离子交换树脂型号图解
D 1 1 3
顺序号
骨架代号 、丙烯酸系
分类代号 、弱酸性
大孔型代号
五、离子交换树脂的作用原理
离子交换树脂的交换反应与溶液中的置换反应相似,例如 NaCL + AgNO3 AgCL + Na NO3
这个反应可以看作是银离子交换了氯化钠中的钠离子。利用固载在聚合物骨架上的功能基所带的可交换的离子在水溶液中能发生离解,如磺酸树脂上可离解出氢离子,这种离子可在较大的范围内自由移动,扩散到溶液中。同时,在溶液中的同类型离子,如钠离子,也能从溶液中扩散到聚合物网络和孔内。当这两种离子的浓度差较大时,就产生一种交换的推动力使他们之间发生交换作用,浓度差越大,交换速度越快。利用这种浓度差的推动力关系使树脂上可交换离子发生可逆交换反应,如,当溶液中的钠离子浓度较大时,就可把磺酸树脂上的氢离子交换下来。当全部氢离子被钠离子交换后,这时就称
树脂为钠离子所饱和。然后,如果把溶液变为浓度较高的酸时,溶液中的氢离子又能把树脂上的钠离子置换下来,这时树脂就“再生”为H+型。通过这种可逆交换作用原理,加上树脂上固载的功能基对不同离子具有不同的亲和性,使离子交换树脂能应用于离子的分离、置换、浓缩、杂质的去除和催化反应等。
阴离子交换树脂骨架上带的是各种碱性不同的功能基(RN(CH3)3OH、RN(CH3)2HOH、RNH2HOH),能离解出与溶液里的阴离子进行交换的阴离子(OH-)。交换以后,用强碱,如氢氧化钠水溶液(5%)再生,反复使用,但由于胺基容易氧化降解,使用寿命比阳树脂稍短。它的作用原理与阳树脂相似,可用方程表示如下:
ROH + NaCL RCL + Na OH
根据阴、阳离子交换树脂的作用原理,可将两种树脂配合使用,就可以把溶液里的离子几乎全部交换出来。
RH + NaCL + R’OH RNa + R’ CL + H2O 六、离子交换树脂的应用概述 1、水处理
用于水处理的量很大,占离子交换树脂的产量的90%以上。工业用水里存在两价的钙、镁离子和三价的铁离子,易使管道及锅炉结垢,出去这些金属离子的过程,称为水的软化。早期水的软化是使用沸石及磺化煤。现在多用聚苯乙烯-二乙烯苯磺化阳离子交换树脂,它在除去锅炉进料水的阳离子方面,具有稳定、高效率与高交换能力的优点。强碱性季胺阴离子交换树脂是第一个能除去含硅化物的离子交换树脂,它的发展使得水处理原先普遍使