离子交换树脂基础知识

离子交换树脂基础知识

离子交换树脂的基础知识

一、离子交换树脂发展简史

离子交换剂是一类能发生离子交换的物质，分为无机离子交换剂和有机离子交换剂。有机离子交换剂又称离子交换树脂。无机离子交换剂（如沸石）早在一百多年前就已发现并应用，人类就已经会利用沙砾净水。而有机离子交换树脂是在1933年由英国人亚当斯（Hdams）和霍姆斯（Holms）首先用人工方法制造酚醛类型的阳、阴离子交换树脂。

在第二次世界大战期间，德国首先进行工业规模的生产。战后英、美、苏、日等国的发展很快。1945年美国人迪阿莱里坞（D’Alelio）发表了关于聚苯乙烯型强酸性阳离子交换树脂及聚丙烯酸型弱酸性阳离子交换树脂的制备方法。后来聚苯乙烯阴离子交换树脂、氧化还原树脂以及螯合树脂等也相继出现，在应用技术及其范围上也日益广大。到了上世纪五十年代后期，各种大孔型的树脂又相继发展起来，在生产及科学研究中，离子交换树脂起着越来越重要的作用。

解放前，我国的离子交换树脂的科研和生产完全空白，解放后，从五十年代初期开始，我国在北京、上海和天津的一些科研单位和高等学校分别开始了离子交换树脂的研究。1953年酚醛磺化树脂产生，1958年凝胶型苯乙烯树脂投入生产，1959年南开大学何炳林用苯乙烯做致孔剂合成孔径大、强度高和交换速度快的大孔型交联聚苯乙烯离子交换树脂。60年代我国生产了大孔型苯乙烯系、丙烯酸系离子交换树脂。到70年代中、后期又合成了多种吸附树脂、碳化树脂，并已先后投入生产。

经过50年的努力，我国的离子交换树脂的生产和工业应用得到了飞速

也属于功能高分子。

阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸（-SO3H）和羧酸（-COOH）等酸性功能基的聚合物。将此树脂浸渍于水中时，交换基部分可如同普通酸那样发生电离。以R表示树脂的骨架部分，阳离子交换树脂R-SO3H或R-COOH在水中的电离如下：

RSO3H RSO3- + H+

RCOO-+ H+

RSO3H型的树脂易于电离，具有相当于盐酸或硫酸的强酸性，称为强酸性阳离子交换树脂。而RCOOH型的树脂类似有机酸，较难电离。具有弱酸的性质，因此称为弱酸性阳离子交换树脂。

阴离子交换树脂是一类在骨架上结合有季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基的聚合物。其中以季胺基上的羟基为交换基的树脂具有强碱性，称为强碱性阴离子交换树脂。用R表示树脂中的聚合物骨架时，强碱性阴离子交换树脂在水中会发生如下的电离：

R—N+（CH3）3OH-R—N+（CH3）3 + OH--

具有伯胺、仲胺、叔胺基的阴离子交换树脂碱性较弱，称为弱碱性阴离子交换树脂。强碱性阴离子交换树脂一般以化学稳定的CL盐型出售，应用时要用N a OH溶液进行转型。

三、离子交换树脂的分类

按骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶性和大孔型树脂两大类。

由苯乙烯和二乙烯苯混合物在引发剂存在下进行自由基悬浮聚合，得到具有交联网状结构的聚合体。这种聚合体一般是呈透明状态的，无孔的

凝胶型树脂。聚会时增加DVB的加入量，则链的分枝多，成为紧密结构；将DVB量减少，则生成分枝少、网目大的树脂。其中单体DVB称为交联剂，其加入量占单体总量的百分数表示网状结构粗密的尺度，称为交联度。通常8%左右为标准交联度树脂，高于8%的称为高交联度树脂，低于8%的称为低交联度树脂。在得到的苯乙烯-DVB共聚物上导入磺酸基可制的强酸性阳离子交换树脂，将共聚物氯甲基化后与胺反应则可制得强碱性阴离子交换树脂。在功能基导入之前，苯乙烯和二乙烯苯共聚物无吸水性，导入功能基后，树脂会吸水溶胀，交联高的树脂骨架的链难于伸展，吸水量也受到限制，不易溶胀；而交联低的树脂吸水量大，溶胀也大。离子交换树脂吸水后，树脂相内产生微孔，反离子可扩散进由吸水而产生的微孔内进行离子交换，微孔的大小依赖于树脂的交联度。因此交联度是离子交换树脂的重要指标之一。

另一类型的是大孔离子交换树脂，它是60年代在一般凝胶型树脂基础上发展起来的一种新型树脂。它的基本特点是在整个树脂内部无论干、湿或收缩、溶胀（在水中）都存在着比一般凝胶型更多、更大的孔道，因而表面积大，在离子交换过程中，离子容易迁移扩散，交换速度较快，工作效率高。

大孔离子交换树脂的制备，是通过加入适量的致孔剂，使在网状骨架固化和链结结构单元形成的过程中，添加惰性分子，预先留下孔道形成的。在骨架固定后，再抽走致孔剂，便留下不受干湿或缩胀影响的永久性孔道。所用致孔剂一般能与单体混溶，不参加化学反应，对聚合物来说是溶胀剂或沉淀剂的有机溶剂。

按所带的交换功能基的特性，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和其他树脂。带有酸性功能基，能与阳离子进行交换的聚合物叫阳离子交换树脂；带有碱性功能基、能与阴离子交换的聚合物叫阴离子交换树脂。

按功能基上酸或碱的强弱程度又可分为强酸（-SO3H）、中强酸（PO(OH)2）、弱酸（—COOH）阳离子交换树脂；弱碱（—NH2、—NRH、—NR2）及强碱（—N+R3CL）离子交换树脂。强碱型阴离子交换树脂又把带三甲基苄铵基的树脂叫Ⅰ型树脂，带二甲基羟乙基苄铵基【—N—（CH3）2CH2OH】的树脂叫Ⅱ型树脂。带有第三锍基（—S+—）和第四磷基（—P+—）的树脂也列入强碱树脂。

在同一种离子交换树脂中，有时也带有数种不同酸碱性的功能基，所以又有单功能基和多功能基离子交换树脂之分。

对于带氧化还原（—SH，—螯合（—N（CH2COOH）2）、光活性、阴阳两性等功能基的树脂，一般按其特征命名。

从物质的基本组成来分，一般将主链上含有碳、氢，而功能基上带有氧、氮、磷、硫等元素的树脂列为有机离子交换树脂，可算是聚合物的一个分支，而把含有锆、钛、钒、钨、钼等元素为主的无机离子交换剂，当作无机高分子化合物的一个分支。

四、离子交换树脂的名称、牌号及命名方法

为避免分类上的混乱，我国在1958年提出命名草案。为了统一国产离子交换树脂的牌号，石油化学工业部在1977年7月1日制定了《离子交换树脂产品分类、命名及型号》的部颁标准。《标准》根据离子交换树脂功能