一、離子交換樹脂基礎(chǔ)介紹
離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架(或基因)名稱、基本名稱組成.孔隙結(jié)構(gòu)分凝膠型和大孔型兩種,凡具有物理孔結(jié)構(gòu)的稱大孔型樹脂,在全名稱前加“大孔”.分類屬酸性的應(yīng)在名稱前加“陽(yáng)”,分類屬堿性的,在名稱前加“陰”.如:大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂.
離子交換樹脂還可以根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂.樹脂中化學(xué)活性基團(tuán)的種類決定了樹脂的主要性質(zhì)和類別.首先區(qū)分為陽(yáng)離子樹脂和陰離子樹脂兩大類,它們可分別與溶液中的陽(yáng)離子和陰離子進(jìn)行離子交換.陽(yáng)離子樹脂又分為強(qiáng)酸性和弱酸性兩類,陰離子樹脂又分為強(qiáng)堿性和弱堿性兩類(或再分出中強(qiáng)酸和中強(qiáng)堿性類).
離子交換樹脂的命名方式:
離子交換產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成,第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類,第二位數(shù)字代表骨架的差異,第三位數(shù)字為順序號(hào)用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異.第一、第二位數(shù)字的意義,見表8-1.
表8-1樹脂型號(hào)中的一、二位數(shù)字的意義
代號(hào)0123 456
分類名稱 強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性螫合性兩性 氧化還原性
骨架名稱 苯乙烯系丙烯酸系 醋酸系環(huán)氧系乙烯吡啶系 脲醛系氯乙烯系
大孔樹脂在型號(hào)前加“D”,凝膠型樹脂的交聯(lián)度值可在型號(hào)后用“×”號(hào)連接阿拉伯?dāng)?shù)字表示.如D011×7,表示大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹脂,其交聯(lián)度為7.
離子交換樹脂在國(guó)內(nèi)外都有很多制造廠家和很多品種.國(guó)內(nèi)制造廠有數(shù)十家,主要的有上海樹脂有限公司、南開化工廠、晨光化工研究院樹脂廠、江蘇色可賽思樹脂有限公司、等;國(guó)外較著名的如美國(guó)Rohm & Hass公司生產(chǎn)的Amberlite系列、Success公司生產(chǎn)Ionresin系列、Dow化學(xué)公司的Dowex系列、法國(guó)Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列,還有Ionac系列、Allassion系列等.樹脂的牌號(hào)多數(shù)由各制造廠或所在國(guó)自行規(guī)定.國(guó)外一些產(chǎn)品用字母C代表陽(yáng)離子樹脂(C為cation的第一個(gè)字母),A代表陰離子樹脂(A為Anion的第一個(gè)字母),如Amberlite的IRC和IRA分別為陽(yáng)樹脂和陰樹脂,亦分別代表陽(yáng)樹脂和陰樹脂.我國(guó)化工部規(guī)定(HG2-884-76),離子交換樹脂的型號(hào)由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成.第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類:0 代表強(qiáng)酸性,1代表弱酸性,2代表強(qiáng)堿性,3代表弱堿性,4代表螯合性,5代表兩性,6代表氧化還原.第二位數(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu):0代表苯乙烯系,1代表丙烯酸系,2代表酚醛系,3代表環(huán)氧系等.第三位數(shù)字為順序號(hào),用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異. 此外大孔型樹脂在數(shù)字前加字母D.因此,D001是大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系樹脂.
二、離子交換樹脂的基本類型
(1) 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹脂
這類樹脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán),如磺酸基-SO3H,容易在溶液中離解出H+,故呈強(qiáng)酸性.樹脂離解后,本體所含的負(fù)電基團(tuán),如SO3-,能吸附結(jié)合溶液中的其他陽(yáng)離子.這兩個(gè)反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽(yáng)離子互相交換.強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng),在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用.
樹脂在使用一段時(shí)間后,要進(jìn)行再生處理,即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進(jìn)行,使樹脂的官能基團(tuán)回復(fù)原來(lái)狀態(tài),以供再次使用.如上述的陽(yáng)離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理,此時(shí)樹脂放出被吸附的陽(yáng)離子,再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來(lái)的組成.
(2)弱酸性陽(yáng)離子樹脂
這類樹脂含弱酸性基團(tuán),如羧基-COOH,能在水中離解出H+ 而呈酸性.樹脂離解后余下的負(fù)電基團(tuán),如R-COO-(R為碳?xì)浠鶊F(tuán)),能與溶液中的其他陽(yáng)離子吸附結(jié)合,從而產(chǎn)生陽(yáng)離子交換作用.這種樹脂的酸性即離解性較弱,在低pH下難以離解和進(jìn)行離子交換,只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH5~14)起作用.這類樹脂亦是用酸進(jìn)行再生(比強(qiáng)酸性樹脂較易再生).
(3) 強(qiáng)堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán),如季胺基(亦稱四級(jí)胺基)-NR3OH(R為碳?xì)浠鶊F(tuán)),能在水中離解出OH-而呈強(qiáng)堿性.這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合,從而產(chǎn)生陰離子交換作用.
這種樹脂的離解性很強(qiáng),在不同pH下都能正常工作.它用強(qiáng)堿(如NaOH)進(jìn)行再生.
(4) 弱堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有弱堿性基團(tuán),如伯胺基(亦稱一級(jí)胺基)-NH2、仲胺基(二級(jí)胺基)-NHR、或叔胺基(三級(jí)胺基)-NR2,它們?cè)谒心茈x解出OH-而呈弱堿性.這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合,從而產(chǎn)生陰離子交換作用.這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附.它只能在中性或酸性條件(如pH1~9)下工作.它可用Na2CO3、NH4OH進(jìn)行再生.
(5)離子樹脂的轉(zhuǎn)型
以上是樹脂的四種基本類型.在實(shí)際使用上,常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子型式運(yùn)行,以適應(yīng)各種需要.例如常將強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹脂與NaCl作用,轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用.工作時(shí)鈉型樹脂放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子交換吸附,除去這些離子.反應(yīng)時(shí)沒(méi)有放出H+,可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用(如蔗糖轉(zhuǎn)化和設(shè)備腐蝕等).這種樹脂以鈉型運(yùn)行使用后,可用鹽水再生(不用強(qiáng)酸).又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?工作時(shí)放出Cl-而吸附交換其他陰離子,它的再生只需用食鹽水溶液.氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3-)運(yùn)行.強(qiáng)酸性樹脂及強(qiáng)堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后,就不再具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性,但它們?nèi)匀挥羞@些樹脂的其他典型性能,如離解性強(qiáng)和工作的pH范圍寬廣等.
三、離子交換樹脂基體的組成
離子交換樹脂(ionresin)的基體(matrix),制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)兩大類,它們分別與交聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應(yīng),形成具有長(zhǎng)分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的聚合物.苯乙烯系樹脂是先使用的,丙烯酸系樹脂則用得較后.
這兩類樹脂的吸附性能都很好,但有不同特點(diǎn).丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素,脫色容量大,而且吸附物較易洗脫,便于再生,在糖廠中可用作主要的脫色樹脂.苯乙烯系樹脂擅長(zhǎng)吸附芳香族物質(zhì),善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負(fù)電的或不帶電的);但在再生時(shí)較難洗脫.因此,糖液先用丙烯酸樹脂進(jìn)行粗脫色,再用苯乙烯樹脂進(jìn)行精脫色,可充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處.
樹脂的交聯(lián)度,即樹脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù),對(duì)樹脂的性質(zhì)有很大影響.通常,交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密,堅(jiān)牢而耐用,密度較高,內(nèi)部空隙較少,對(duì)離子的選擇性較強(qiáng);而交聯(lián)度低的樹脂孔隙較大,脫色能力較強(qiáng),反應(yīng)速度較快,但在工作時(shí)的膨脹性較大,機(jī)械強(qiáng)度稍低,比較脆而易碎.工業(yè)應(yīng)用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%;用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%;單純用于吸附無(wú)機(jī)離子的樹脂,其交聯(lián)度可較高.
除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外,離子交換樹脂還可由其他有機(jī)單體聚合制成.如酚醛系(FP)、環(huán)氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等.
18.離子交換樹脂包括那些類型,在化學(xué)成分分離方面有何特點(diǎn)
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