离子交换树脂综合知识.docx

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（一COOH）阴离子型 强碱性I型 {-N（-CH3）3} OHII型 {一 n（ch3）2}oh弱碱性 （一（NH3）OH、（=nh2） oh或三NH） OH其他一氧化还原型、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一SO3H外，还有一些煤质本身原有的基团（如一COOH 和一OH）以及因硫酸氧化作用生成的羧酸（一COOH）,所以它实质上是一种混合型离子交换剂磺化煤的价格比较便宜，是过去水处理系统中广泛应用的交换剂，但由于它有以下的缺点，所以 现在大都为合成离子交换树脂所替代：1. 化学稳定性较差，特别是对于碱性强的水，抵抗力很差；2. 机械强度不好，易碎；3•交换容量小，小于合成离子交换树脂的1/3；4.性能随原煤的品种而异，难保持稳定的产品质量。

二、 离子交换树脂高分子化合物一般是由许多低分子化合物头尾相结合、连成一大串而形成的这些低分子化合物 称为单体，此化合过程称为聚合或缩合离子交换树脂，根据其单体的种类，可分为苯乙烯系、酚 醛系和丙烯酸系等1 苯乙烯系离子交换树脂苯乙烯系是现在我国电厂用得最广泛的一种，其制造工艺的第一步是用苯乙烯和二乙烯苯进行共 聚工业用二乙烯苯常常是它的各种异构体（约40%〜55% ）和乙基乙烯的混合物所以在聚合时， 实际上这些组成物均聚合在高分子内由于在一个二乙烯苯的分子上有两个可以聚合的乙烯基，它可以将两个苯乙烯聚合键交联起来， 所以二乙烯苯称为架桥物质在市场上买到的离子交换树脂所标称的交联度（简写为DVB）,就是 指聚合时所用二乙烯苯的质量占苯乙烯总质量的百分率交联度的大小对聚合体的性能有很大的影 响最显著的影响是它的机械强度和密度是随交联度的增大而加大的现在，由于水处理工艺的需要，常在合成离子交换树脂时直接制成小球状这种小球是将单体放 在水溶液中，使其在悬浮状态下聚合而成由苯乙烯和二乙烯苯制得的是高分子化合物聚苯乙烯， 还没有可交换离子的基团，是半成品，称为白球当将还些白球作进一步处理，引入带有可交换离 子的基团后，即可得阴、阳离子交换树脂。

⑴ 苯乙烯系磺酸型阳离子交换树脂如将白球用浓硫酸处理，引入活性基团-so3h,则可制得 磺酸型阳离子交换树脂⑵ 苯乙烯系阴离子交换树脂它的制造方法是先将聚苯乙烯氯甲基化，然后胺化氯甲基化的 方法为用无水氯化铝或氧化锌为催化剂，用氯甲醚处理（称为傅氏反应）如用叔胺处理此反应产物， 即得季铵型强碱性阴离子交换剂，如用仲胺或伯胺处理，则生成的是弱碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换剂分I型和II型I型是用三甲胺｛ （ch3）3n｝胺化而得，II型则是用二甲基 乙醇基胺＜（ch3）2nc2h4oh｝胺化而得I型的碱性比II型强，11型的交换容量比I型的大在进行傅氏反应时，实际上还有生成亚甲基桥的副反应，此种副反应会使苯乙烯链之间的交联增 多，结果使产品更趋紧密，而且结构不均匀为此，还可以采用以下的合成路线：先制成氯甲基苯 乙烯单体，然后将它和二乙烯苯共聚，最后再用三甲胺胺化用这种方法制得的离子交换树脂，有 交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点2. 丙烯酸系离子交换树脂 丙烯酸系树脂的基体是由丙烯酸甲酯（或甲基丙烯酸甲酯）和二乙烯苯共聚而成⑴ 丙烯酸系羧酸树脂当将上述基体进行水解时，就可获得丙烯酸系羧树脂。

羧酸型树脂是弱 酸性阳离子交换剂⑵ 丙烯酸系阴离子交换树脂当将上述基体用多胺进行胺化时，就可获得丙烯酸系阴离子交换 树脂这样制得的产品是弱碱性因为它的每一个活性基团中有一个仲胺基和一个伯胺基，故其交换容 量很大除了以上两种树脂外，基于基体组成的不同，还有酚醛型和环氧型等多种离子交换树脂3. 树脂的结构类型用普通聚合法制成的离子树脂都是由许多不规则的网状高分子构成的，类似凝胶，故称凝胶型树 脂这种树脂的缺点是，抗氧化性和机械强度差，易受有机物污染等，所以后来又发展了许多其他 类型的离子交换树脂，现分述如下：⑴ 大孔型树脂（MR型树脂）大孔型树脂是在本世纪50年代末制成的因其孔眼比凝胶型的 大得多而得名普通凝胶型树脂的孔眼孔径平均为1〜2nm，而大孔型的孔径在20〜100nm以上 凝胶型树脂的孔眼由高分子链和交联剂相键合而形成，这些孔眼不是其原有的，而是当它浸入水中 时，由于活性基团发生水化而显示出来的大孔型树脂实际上由许多小块凝胶型树脂所构成，孔眼 存在于这些小块凝胶之间不论是干的或湿的树脂，这些孔眼都可用电子显微镜看到大孔树脂的交联度通常要比凝胶型树脂的大，因为这样可制得抗氧化性好和机械强度高的树脂。

至于凝胶型树脂，如果其交联度太大，则由于树脂孔眼过小和反应缓慢等原因，就失掉实用价值 对于大孔树脂来说，由于其大孔中有大量的表面积，离子很容易到达这里，所以可以补偿凝胶相中 反应缓慢的过程实际上，由于大孔型树脂中的孔大，离子交换反应的速度加快，而且能抗有机物的污染（因为被 截留的有机物容易在再生时通过这些孔道除去）大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱 的用量较大和售价较贵等⑵ 第二代大孔型树脂这是在上述第一代大孔树脂基础上发展起来的新品种它是由小块凝胶 型树脂构成的大孔型树脂，但在其制造过程中，孔眼的大小和孔隙度的多少都加以控制，使它们更 符合实际应用的要求它的孔径比第一代大孔型树脂的小，孔隙率也较小（为 1%〜20%），第一代 大孔型树脂的孔隙率通常为30%）这种新树脂的优点是与凝胶型树脂有相近的交换容量，有较快的 反应速度，有比第一代大孔型树脂更好的物理性能、抗污染性能和抗渗透冲击性能等⑶ 超凝胶型树脂普通凝胶型树脂有机械强度较差的缺点，其原因是苯乙烯和二乙烯苯进行聚 合反应时，通常是二乙烯苯首先反应完了，随后进行单独的苯乙烯分子间的聚合此时，聚合成的 是线型高分子，机械强度较差，这是凝胶型树脂的薄弱环节。

在超凝胶型树脂的制造过程中，设法 控制好苯乙烯和二乙烯苯之间的反应速度，不使产生单独由苯乙烯本身分子间产生聚合反应这样 制得的树脂机械强度较好，可以与大孔树脂相比，价格和凝胶型树脂相近或相同⑷ 均孔型强碱性阴树脂此种树脂可防止有机物中毒，它是基于以下原理制取：树脂的有机物 中毒原因之一是交联得不均匀，如果使交联均匀，所有孔眼的大小相近，在树脂内部不再有紧密区 树脂就不会中毒，但用二乙烯苯作交联剂时，由于苯乙烯和二乙烯苯是两种不同单体，所以聚合引 起的不均匀性是不可避免的因此，在制取均孔型树脂时不用二乙烯苯作交联剂，而是在引入氯甲 基时，利用傅氏反应的副反应，使树脂骨架上的氯甲基和邻近的苯环间和忝亚甲基桥这种交联不 会集拢在一起，网孔较均匀，故称均孔型（也可称为等孔型）均孔型树脂对有机物的吸着是可逆的， 所以不会被污染第二节 离 子 交 换 树 脂 的 命 名一、 全称有机合成离子交换树脂的全名称，由分类名称、骨架名称、基本名称三部分按顺序依次排序组成⑴ 分类名称按有机合成离子交换树脂本体的微孔形态分类，分为凝胶型、大孔型等⑵ 骨架名称按有机合成离子交换树脂骨架材料命名，分为苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环 氧系等。

⑶ 基本名称基本名称为“离子交换树脂”凡属酸性反应的在基本名称前冠以“阳”字凡属碱性反应的在基本名称前冠以“阴”字按有机合成离子交换树脂的活性基团性质，分类强酸性、弱酸性、强碱性、弱碱性、螯合性等， 分别在基本名称前冠以“强酸”、“弱酸”、“强碱”、“弱碱”、“螯合”等字样⑷ 全名称举例微孔形态为凝胶型；骨架材料为“ 苯乙烯－二乙烯苯” 共聚体；活性基团为“ 强酸” 性磺酸基团（SO尹）的阳离子交换树脂，全名称为“凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂”二、型号⑴ 有机合成离子交换树脂产品型号的命名原则有机合成离子交换树脂产品型号，以三位阿拉 伯数字表示，凝胶型树脂的交联度值，用联接符号所联系的第四位阿拉伯数字表示凡属大孔型树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”凡属凝胶型树脂，在型号前不加任何字母⑵ 各位数字所代表的意义各位数字所代表的意义如下：第一位数字代表活性基团代号第二位数字代表骨架代号第三位数字代表顺序代号x 联接符号第四位数字代表交联度（％）1） 第一位数字活性基团代号见下表 第一位数字活性基团代号代号0123456活性基团强酸性弱酸性强碱性弱碱性螯合性两性氧化还原性2） 第二位数字骨架代号见下表。

第二位数字骨架代号代号0123456活性基团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3）产品型号举例：001x7 凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7%,产品旧型号 732”；D311 大孔型丙烯酸系弱碱阴离子交换树脂，产品旧型号为“703”第三节 离 子 交 换 原 理关于离子交换过程的机理很多，其中，最适于水处理工艺的，是将离子交换树脂看作具有胶体型 结构的物质，这种上观点认为，在离子交换树脂的高分子表面上有许多和胶体表面相似的双电层 也就是说这里有两层离子，紧邻高分子表面的一层离子称为内层离子，在其外面是一层符号相反的 离子层与胶体的命名法相似，我们常把和内层离子符号相同的离子称作同离子，符号相反的称反 离子所以离子交换就是树脂中原有反离子和溶液中它种反离子相互交换位置根据胶体结构的概念，双电层中的反离子按其活动性的大小可划分为固定层和扩散层那些活动 性能差，紧紧地被吸附在高分子表面的离子层，称为固定层，在其外侧，那些活动性较大，向溶液 中逐渐扩散的反离子层，称为扩散层，因为这些反离子像地球上的大气一样，笼罩在高分子表面上 故又称为离子氛内层离子依靠化学键结合在高分子的骨架上，固定层中的反离子依靠异电荷的吸引力被固定着。

而在扩散层中的反离子，由于受到异电荷的吸引力较小，热运动比较显著，所以这些反。