第三章 离子交换树脂及吸附树脂(1)

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1、第三章第三章 离子交换树离子交换树脂吸附树脂脂吸附树脂吸附分离功能高分子的发展简史吸附分离功能高分子的发展简史 吸附分离功能高分子主要包括吸附分离功能高分子主要包括离子交离子交换树脂换树脂和和吸附树脂吸附树脂。从广义上讲，吸附分。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括离功能高分子还应该包括高分子分离膜材高分子分离膜材料料。但由于高分子分离膜在材料形式、分。但由于高分子分离膜在材料形式、分离原理和应用领域有其特殊性，因此将在离原理和应用领域有其特殊性，因此将在第四章中详细介绍。第四章中详细介绍。概述概述 离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物化合

2、物。它具有一般聚合物所没有的新功能。它具有一般聚合物所没有的新功能离子换功能，本质上属于反应性聚合物。离子换功能，本质上属于反应性聚合物。吸附树吸附树脂是指有特殊吸附功能的一类树脂脂是指有特殊吸附功能的一类树脂。 离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，历史可追溯到上一世纪历史可追溯到上一世纪30年代。年代。1935年英国的年英国的dams和和Holmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂的离交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂领域，时也开创了功能高分子领域脂领域，时也开创了功能高分

3、子领域。 离子交换树脂可以使水不经过蒸馏而脱盐，既离子交换树脂可以使水不经过蒸馏而脱盐，既简便又节约能源。因此根据简便又节约能源。因此根据Adams和和Holmes的发的发明，带有明，带有磺酸基和氨基的酚醛树脂磺酸基和氨基的酚醛树脂很快就实现了很快就实现了工业化生产并在水的脱盐中得到了应用。工业化生产并在水的脱盐中得到了应用。 1944年年 DAlelio 合成了具有优良物理和化学性合成了具有优良物理和化学性能的能的磺化苯乙烯磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂二乙烯苯共聚物离子交换树脂及及交联聚丙烯酸树脂交联聚丙烯酸树脂，奠定了现代离子交换树脂的，奠定了现代离子交换树脂的基础。基础。 此后

4、，此后，Dow化学公司的化学公司的 Bauman 等人开发了等人开发了苯苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业并实现了工业化；化；Rohm & Hass公司的公司的Kunin等人则进一步研等人则进一步研制了制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和和弱酸性丙弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂烯酸系阳离子交换树脂。这些离子交换树脂除应。这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。色等。 离子

5、交换树脂发展史上的另一个重大成果是离子交换树脂发展史上的另一个重大成果是大大孔型树脂孔型树脂的开发。的开发。20世纪世纪50年代末，国内外包括年代末，国内外包括我国的南开大学化学系在内的诸多单位几乎同时我国的南开大学化学系在内的诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换树脂。与凝胶型离子交换合成出大孔型离子交换树脂。与凝胶型离子交换树脂相比，大孔型离子交换树脂具有机械强度高、树脂相比，大孔型离子交换树脂具有机械强度高、交换速度快和抗有机污染的优点，因此很快得到交换速度快和抗有机污染的优点，因此很快得到广泛的应用。广泛的应用。 60年代后期，离子交换树脂除了在品种和性能年代后期，离子交换树脂除了在品种

6、和性能等方面得到了进一步的发展，更为突出的是应用等方面得到了进一步的发展，更为突出的是应用得到迅速的发展。除了传统的得到迅速的发展。除了传统的水的脱盐、软化水的脱盐、软化外，外，在在分离、纯化、脱色、催化分离、纯化、脱色、催化等方面得到广泛的应等方面得到广泛的应用。用。 例如离子交换树脂在水处理以外的应用例如离子交换树脂在水处理以外的应用由由80年代以前占离子交换树脂总用量的不足年代以前占离子交换树脂总用量的不足10增加到目前的增加到目前的30左右。左右。 从离子交换树脂出发，还引申发展了一些很重从离子交换树脂出发，还引申发展了一些很重要的功能高分子材料。如要的功能高分子材料。如离子交换纤维、

7、吸附树离子交换纤维、吸附树脂、螯合树脂、聚合物固载催化剂、高分子试剂、脂、螯合树脂、聚合物固载催化剂、高分子试剂、固定化酶固定化酶等。这一最传统的功能高分子材料正以等。这一最传统的功能高分子材料正以崭新的姿态在崭新的姿态在21世纪发挥重要的作用。世纪发挥重要的作用。 离子交换纤维离子交换纤维是在离子交换树脂基础上发展起是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型材料。其基本特点与离子交换树脂来的一类新型材料。其基本特点与离子交换树脂相同，但外观为纤维状，并还可以不同的织物形相同，但外观为纤维状，并还可以不同的织物形式出现，如中空纤维、纱线、布、无纺布、毡、式出现，如中空纤维、纱线、布、无纺布、毡、

8、纸等。纸等。 吸附树脂吸附树脂也是在离子交换树脂基础上发展起来的也是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型树脂，是指一类多孔性的、高度交联的高分一类新型树脂，是指一类多孔性的、高度交联的高分子共聚物，又称为高分子吸附剂。这类高分子材料具子共聚物，又称为高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和适当的孔径，可从气相或溶液中有较大的比表面积和适当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。吸附某些物质。 在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、分子筛、活性炭等。而

9、分子筛、活性炭等。而吸附树脂是吸附剂中的一大分吸附树脂是吸附剂中的一大分支，是吸附剂中品种最多、应用最晚的一个类别支，是吸附剂中品种最多、应用最晚的一个类别。 吸附树脂出现于吸附树脂出现于上一世纪上一世纪60年代年代，我国于，我国于1980年年以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂的应用已遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技的应用已遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的途进行选择或设计，因此发展了许多有

10、针对性用途的特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的。也正是由特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的。也正是由于这种原因，吸附树脂的发展速度很快，新品种，新于这种原因，吸附树脂的发展速度很快，新品种，新用途不断出现。吸附树脂及其吸附分离技术在各个领用途不断出现。吸附树脂及其吸附分离技术在各个领域中的重要性越来越突出。域中的重要性越来越突出。3.1.1 离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料的三维网状高分子材料，其外形一般为颗，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于

11、普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类于普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2nm。一些特殊用途的离子交换树脂的粒。一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大于或小于这一范围。径可能大于或小于这一范围。 图图31 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图 从图中可见，树脂由三部分组成：从图中可见，树脂由三部分组成：三维空间结三维空间结构的网络骨架；骨架上连接的可离子化的功能基构的网络骨架；骨架上连接的可离子化的功能基团；功能基团上吸附的可交换的离子团；功能基团上吸附的可交换的离子。 强酸型阳离子交换树脂的功