18．离子交换树脂包括那些类型,在化学成分分离方面有何特点

一、离子交换树脂基础介绍

离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成.孔隙结构分凝胶型和大孔型两种,凡具有物理孔结构的称大孔型树脂,在全名称前加“大孔”.分类属酸性的应在名称前加“阳”,分类属碱性的,在名称前加“阴”.如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂.
离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂.树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别.首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类,它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换.阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类,阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类(或再分出中强酸和中强碱性类).
离子交换树脂的命名方式：
离子交换产品的型号以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的差异,第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异.第一、第二位数字的意义,见表8-1.

表8-1树脂型号中的一、二位数字的意义
代号0123 456
分类名称 强酸性弱酸性强碱性弱碱性螫合性两性 氧化还原性
骨架名称 苯乙烯系丙烯酸系 醋酸系环氧系乙烯吡啶系 脲醛系氯乙烯系
大孔树脂在型号前加“D”,凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“×”号连接阿拉伯数字表示.如D011×7,表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂,其交联度为7.
离子交换树脂在国内外都有很多制造厂家和很多品种.国内制造厂有数十家,主要的有上海树脂有限公司、南开化工厂、晨光化工研究院树脂厂、江苏色可赛思树脂有限公司、等；国外较著名的如美国Rohm & Hass公司生产的Amberlite系列、Success公司生产Ionresin系列、Dow化学公司的Dowex系列、法国Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列,还有Ionac系列、Allassion系列等.树脂的牌号多数由各制造厂或所在国自行规定.国外一些产品用字母C代表阳离子树脂(C为cation的第一个字母),A代表阴离子树脂(A为Anion的第一个字母),如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂,亦分别代表阳树脂和阴树脂.我国化工部规定(HG2-884-76),离子交换树脂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：0 代表强酸性,1代表弱酸性,2代表强碱性,3代表弱碱性,4代表螯合性,5代表两性,6代表氧化还原.第二位数字代表不同的骨架结构：0代表苯乙烯系,1代表丙烯酸系,2代表酚醛系,3代表环氧系等.第三位数字为顺序号,用以区别基体、交联基等的差异. 此外大孔型树脂在数字前加字母D.因此,D001是大孔强酸性苯乙烯系树脂.
二、离子交换树脂的基本类型
(1) 强酸性阳离子树脂
这类树脂含有大量的强酸性基团,如磺酸基－SO3H,容易在溶液中离解出H+,故呈强酸性.树脂离解后,本体所含的负电基团,如SO3－,能吸附结合溶液中的其他阳离子.这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换.强酸性树脂的离解能力很强,在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用.
树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用.如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理,此时树脂放出被吸附的阳离子,再与H+结合而恢复原来的组成.
(2)弱酸性阳离子树脂
这类树脂含弱酸性基团,如羧基－COOH,能在水中离解出H+ 而呈酸性.树脂离解后余下的负电基团,如R-COO－(R为碳氢基团),能与溶液中的其他阳离子吸附结合,从而产生阳离子交换作用.这种树脂的酸性即离解性较弱,在低pH下难以离解和进行离子交换,只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用.这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生).
(3) 强碱性阴离子树脂
这类树脂含有强碱性基团,如季胺基(亦称四级胺基)－NR3OH(R为碳氢基团),能在水中离解出OH－而呈强碱性.这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴离子交换作用.
这种树脂的离解性很强,在不同pH下都能正常工作.它用强碱(如NaOH)进行再生.
(4) 弱碱性阴离子树脂
这类树脂含有弱碱性基团,如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2,它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性.这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴离子交换作用.这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附.它只能在中性或酸性条件(如pH1～9)下工作.它可用Na2CO3、NH4OH进行再生.
(5)离子树脂的转型
以上是树脂的四种基本类型.在实际使用上,常将这些树脂转变为其他离子型式运行,以适应各种需要.例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用,转变为钠型树脂再使用.工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附,除去这些离子.反应时没有放出H+,可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等).这种树脂以钠型运行使用后,可用盐水再生(不用强酸).又如阴离子树脂可转变为氯型再使用,工作时放出Cl－而吸附交换其他阴离子,它的再生只需用食盐水溶液.氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3－)运行.强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后,就不再具有强酸性及强碱性,但它们仍然有这些树脂的其他典型性能,如离解性强和工作的pH范围宽广等.
三、离子交换树脂基体的组成
离子交换树脂(ionresin)的基体(matrix),制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类,它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应,形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物.苯乙烯系树脂是先使用的,丙烯酸系树脂则用得较后.

这两类树脂的吸附性能都很好,但有不同特点.丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素,脱色容量大,而且吸附物较易洗脱,便于再生,在糖厂中可用作主要的脱色树脂.苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质,善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的)；但在再生时较难洗脱.因此,糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色,再用苯乙烯树脂进行精脱色,可充分发挥两者的长处.
树脂的交联度,即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数,对树脂的性质有很大影响.通常,交联度高的树脂聚合得比较紧密,坚牢而耐用,密度较高,内部空隙较少,对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大,脱色能力较强,反应速度较快,但在工作时的膨胀性较大,机械强度稍低,比较脆而易碎.工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用于吸附无机离子的树脂,其交联度可较高.
除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外,离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成.如酚醛系(FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等.