第二章-离子交换树脂
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为了除去水中离子态杂质,现在采用得最普遍的方法是离子交换。
这种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底,因而能制得很纯的水。
所以,在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中,它是一个必要的步骤。
离子交换处理,必须用一种称做离子交换剂的物质(简称交换剂)来进行。
这种物质遇水时,可以将其本身所具有的某种离子和水中同符号的离子相互交换,离子交换剂的种类很多,有天然和人造、有机和无机、阳离子型和阴离子型等之分,大概情况如表所示。
此外,按结构特征来分,还有大孔型和凝胶型等。
离子交换剂的分类无机离子交换剂:天然海绿砂人造合成沸石有机离子交换剂碳质磺化煤有机质阳离子型强酸性磺酸基(-SO3H)弱酸性羧酸基(-COOH)阴离子型强碱性Ⅰ型{-N(-CH3)3}OHⅡ型{-N(CH3)2}OH弱碱性(-(NH3)OH、(=NH2)OH或≡NH)OH其他-氧化还原型、有机物清除除型等在离子交换技术被发现和应用的初期,采用的只有天然的无机离子交换剂,如海绿砂。
然而这类物质不能用于酸性介质而且其交换容量较小,所以现已被人造离子交换剂所替代,特别是由于合成离子交换树脂的制造成功,交换剂的品种不断增加,应用更为广泛。
第一节离子交换剂的结构离子交换树脂属于高分子化合物,结构比较复杂.离子交换剂的结构可以被区分为两个部分:一部分具有高分子的结构形式,称为离子交换剂的骨架;另一部分是带有可交换离子的基团(称为活性集团),它们化合在高分子骨架上.所谓“骨架”,是因为它具有庞大的空间结构,支持着整个化合物,正象动物的骨架支持着肌体一样,从化学的观点来说,它是一种不溶于水的高分子化合物,现将常用离子交换剂的结构简单介绍如下。
一、磺化煤磺化煤是一种半化合成的离子交换剂,它利用煤质本身的空间结构作为高分子骨架,用浓硫酸处理的方法(称磺化)引入活性基团而制成。
磺化煤的活性基团,除了有由于磺化而引入的-SO3H外,还有一些煤质本身原有的基团(如-COOH 和-OH)以及因硫酸氧化作用生成的羧酸(-COOH),所以它实质上是一种混合型离子交换剂。
离子交换树脂的原理
离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。
在溶液中它能将本身的离子与
溶液中的同号离子进行交换。
按交换基团性质的不同,离子交换树脂可分为阳离子交换树
脂和阴离子交换树脂两类。
阳离子交换树脂大都含有磺酸基(—so3h)、羧基(—cooh)或苯酚基(—c6h4oh)
等酸性基团,其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。
例如苯乙烯和
二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂,其结构式可简单表示为r—
so3h,式中r代表树脂母体,其交换原理为2r—so3h+ca—(r—so3)2ca+2h这也是硬
水软化的原理。
阴离子互换树脂所含季胺基[-n(ch3)3oh]、胺基(—nh2)或亚胺基为(—nh2)等
碱性基团。
它们在水中能够分解成oh-离子,可以与各种阴离子起至互换促进作用,其互
换原理为r—n(ch3)3oh+cl-r—n(ch3)3cl+oh
由于离子交换作用是可逆的,因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱
进行洗涤,可恢复到原状态而重复使用,这一过程称为再生。
阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗;阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理,进行再生。
色谱法树脂的用途很广,主要用作拆分和纯化。
比如用作硬水软化和制备去离子水、
废旧工业废水中的金属、拆分稀有金属和贵金属、拆分和纯化抗生素等。
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离子交换树脂求助编辑百科名片离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。
通常是球形颗粒物。
离子交换树脂形态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。
编辑本段基本分类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)。
离子交换树脂基本形态编辑本段命名方式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、第二位湿离子交换树脂数字的意义,见表8-1。
表8-1 树脂型号中的一、二位数字的意义代号0 1 2 3 4 5 6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,表示大孔强酸性丙烯酸系阳离子交换树脂,其交联度为7。
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。
编辑本段制造厂家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、安徽皖东化工有限人司,浙江争光实业股份有限公司、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。
1、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pH 1~9)下工作。
它可用Na2CO3、NH4OH进行再生。
2、离子交换树脂基体的组成离子交换树脂的基体(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。