离子交换树脂概述
离子交换树脂
3、再生 再生是使用过程中的一个重要步骤，是评价离子 交换树脂的一个重要指标。再生容易好，再生速率 快好。 离子交换树脂的交换过程和再生过程是可逆反应。 以强酸型离子离子交换树脂R-SO3H为例(R为树脂 母体)，存在如下的可逆反应：
离子交换树脂评价指标 机械强度----好 交换容量----适当 交换速度----快 再生速率3 )2
OC2H5
CH2
CH
CH2
CH
CH2 CH C O HNCH2CH2CH2N(CH3)2
CH2
CH
离子交换树脂广泛运用于水处理、食品工业、 合成化学合石油化学工业、环境保护、海洋资源利 用湿法冶金、制药行业等。
抗生素是一类天然抗菌、抗病毒药物, 其分子 中往往含有多种化学集团, 在强酸或强碱条件下 容易发生化学变化, 导致药理活性丧失。提取分 离抗生素所用的离子交换树脂主要为弱酸性阳离 子交换树脂或弱碱性阴离子交换树脂，一般选择 大孔吸附树脂。
20世纪60年代后期，在离子交换树脂发 展的基础上，产生并发展了一些很重要的 功能高分子分支学科，例如吸附树脂、螯 合树脂、高分子催化剂、高分子试剂等。
何炳林：我国“离子交换树脂之父”
广东番禺人，中国科学院院士，南开大学 教授，著名高分子化学家和化学教育家，长期 从事教育工作，为国家培养了大批高分子化学 科技人才，并在功能高分子的研究方面做出了 贡献。 何炳林是中国的离子交换树脂工业的开创者， 发明了大孔离子交换树脂，并对其结构与性能 进行了系统研究。
研究发现，在使苯乙烯、二乙烯苯进行 悬浮共聚时，在共聚单体中加入惰性有机 溶剂或线性聚合物等致孔剂，聚合结束后 再把致孔剂提取出来，得到了多孔性的共 聚物。把这种共聚物进一步制成离子交换 树脂，发现其离子交换速度加快，机械强 度增大，稳定性增强。
离子交换树脂 载量
离子交换树脂载量摘要：1.离子交换树脂的概述2.离子交换树脂的分类与特点3.离子交换树脂的应用领域4.离子交换树脂的载量及其影响因素5.如何选择和使用离子交换树脂6.离子交换树脂的再生与维护正文：离子交换树脂是一种广泛应用于水处理、化工、冶金、食品、制革、制药等领域的材料。
它通过选择、交换、吸附和催化反应，实现净化水、脱盐、脱色、分离、精制等目的。
离子交换树脂主要分为阳离子树脂和阴离子树脂。
阳离子树脂由苯乙烯和二乙烯苯共聚而成，带有磺酸基团，具有良好的交换容量和交换速度。
阴离子树脂则是在苯乙烯-二乙烯苯共聚基体上带有磺酸基团的离子交换树脂，具有高交换容量和快速交换的特点。
离子交换树脂的载量是指树脂中可交换离子的数量，它受到树脂的物理和化学性质、制备工艺、再生方式等因素的影响。
一般来说，载量越高，树脂的性能越好。
但载量并非唯一决定树脂性能的因素，还需考虑树脂的交换速度、机械强度、耐热性等指标。
在使用离子交换树脂时，应根据实际需求选择合适的树脂类型和规格。
对于水处理行业，通常选择强酸性和弱酸性离子交换树脂；在化工领域，可根据需要选择特定功能的离子交换树脂。
此外，在使用过程中，要定期检查树脂的性能，如发现性能下降，应及时进行再生处理。
离子交换树脂的再生主要有两种方法：一种是化学再生，使用酸或碱溶液对树脂进行处理，使其恢复交换能力；另一种是物理再生，通过加热、搅拌、洗涤等方式去除树脂上的吸附物，恢复其交换能力。
无论哪种方法，都需要注意再生剂的浓度、温度、时间等条件，以保证再生效果。
总之，离子交换树脂是一种重要的新型材料，其选择、使用和再生均需要专业知识。
离子交换树脂简介
dq / dt D c1 c2 /
影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表 面积增大，使扩散速度越快。 3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大， 扩散速度越快。 4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜 变薄，这些都有利于离子扩散。 5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快 液膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩 散速度越慢。
化学性能
（一）有效PH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水 的pH值势必对其交换容量产生影响。
表 各种类型树脂有效pH值范围
树脂类型 有效pH值范围 强酸性 0~14 弱酸性 4~14 强碱性 0~14 弱碱性 0~7
化学性能
(二) 交换容量 单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表 示法)可发生交换的活性基团数量。 容量表示法 EV ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg。 Ew = Ev ×[湿比重×(1-含水率)] 全交换容量： 单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。 工作交换容量： 在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层 达到的平均交换容量。
3.1按交换基团的性质分类
单功能机
强酸：-SO3H,-CH2SO3H 中强酸：-PO(OH)2，-SeO2(OH) 弱酸：-COOH 磺酸加羧酸：-SO3H+-COOH 磺酸加酚：-SO3H+PhOH 磺酸加酚加羧酸 羧酸加酚 第I型，季胺-(CH)3N+Cl强碱 第II型，季胺-(CH)2N+(CH2CH2OH)Cl第一胺：-NH2 第二胺：-NRH 第三胺：-NR2 巯基：
什么是离子交换树脂-它有哪些主要性能
什么是离子交换树脂?它有哪些主要性能?
离子交换树脂是一类带有功能基团、网状结构的高分子化合物，主要由单体、交联剂和交换基团组成。
树脂的内部结构可以分为三部分∶高分子骨架、离子交换基团和空穴，其中离子交换基团分为固定部分和活动部分。
交换基团中的固定部分被束缚在高分子骨架上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团中的活动部分是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。
反离子在溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定的条件下，能与符号相同的其他反离子发生交换反应。
离子交换树脂的主要性能分为物理性质和化学性质两大类，物理性质主要有粒径、含水率、密度、机械强度、溶胀性、溶解性和导电性等；化学性质主要有交换容量、酸碱适应性、离子选择性、离子交换速度、热稳定性、抗氧化性等。
离子交换树脂用途
离子交换树脂（Ion Exchange Resin）是一种具有交换离子能力的高分子化合物。
它能吸附和释放特定的离子，实现不同离子之间的互换。
离子交换树脂广泛应用于各种领域，以下是一些常见用途：1. 水处理：离子交换树脂在水处理领域有着广泛应用，用于去除水中的硬度、重金属离子、放射性核素等杂质。
通过使用阳离子交换树脂去除水中的钙、镁等硬度离子，从而实现软化水；而阴离子交换树脂则可以去除水中的硫酸盐、氯化物等。
在反渗透系统前处理中也常使用离子交换树脂。
2. 化学品生产：离子交换树脂常用于有机合成、糖精制、催化剂和药物生产过程中的离子交换。
在生产中，离子交换树脂可以对原料进行去离子处理，净化化学品或萃取有价值的成分。
3. 药物行业：离子交换树脂用于药品的提纯，制备和净化。
离子交换树脂可以作为药物分子的载体，通过交换释放药物分子，实现控制释放药物。
4. 食品和饮料工业：离子交换树脂用于糖厂、果汁厂等食品加工过程中去除色素、嘌呤、有机杂质，保留营养成分，提高产品质量。
5. 电子工业：离子交换树脂用于超纯水的制备，用于制程洗涤和光刻等过程中，降低水中杂质的浓度，从而提高芯片和电子产品的性能。
6. 金属分离与提取：离子交换树脂广泛应用于金属回收、冶炼和提炼。
可以有效地提取稀有金属，如铀、钍等，以及提纯和净化贵金属、稀土等。
在废水处理中，例如电镀废水、酸洗废水等，离子交换树脂可用于回收废水中的有价值金属离子，并降低排放标准。
7. 生物科学：离子交换树脂在生物科学研究和生产中也十分重要，被应用于生物分子、蛋白质、DNA、RNA等生物大分子的富集、分离和纯化。
总之，离子交换树脂在许多领域具有广泛的应用，是一种重要的功能材料。
常用的离子交换树脂
离子交换树脂的理化性能
外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%； 机械强度：>90%； 含水量：0.3~0.7g/g 树脂； 交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换
容量或称表观交换容量（在某一条件下）； 稳定性：化学稳定性、热稳定性； 膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子
的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；
湿真密度：单位体积湿树脂的重量； 孔度、孔径、比表面积
离子交换容量：单 位质量的干离子交 换剂或单位体积的 湿离子交换剂所能 吸附的一价离子的 物质的量(mmol)。
滴定曲线：以单位质量 干离子交换剂加入 NaOH或HCl的量 （mmol）为横坐标，以 平衡值为纵坐标.
弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺， 碱性较弱；
新型离子交换树脂
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同 的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入 致孔剂），再引入化学功能基团，便可得 到大孔离子交换树脂
大孔离子交换树脂的优点
通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝 胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象， 从而强化了离子交换的功能；
弱碱性阴离子交换
常用的离子交换树脂
强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸 基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；
弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团；
强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团， 如三甲胺基(N(CH3)3或二甲基-ß-羟基乙基胺基；
离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号
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 螯合性
离子交换树脂
离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第 一位数字代表产品分类；第二位数字代表骨架结构； 第三位数字为顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中 基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌 握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面 用“×”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度 （质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以 字母“D”。
强碱型阴离子交换树脂制备实例： 将1 g BPO 溶于85 g 苯乙烯与15 g 二乙烯基苯的 混合单体中，在搅拌下加入含有0.05％～0.1％聚乙烯 醇的500 mL去离子水中，分散成所需的粒度。在80℃ 下搅拌反应5～10 h，得球粒聚合物。过滤洗涤后，于 100～125℃下干燥。 将所得聚合物在100 g二氯乙烷中加热溶胀，冷却 后加入200 g 氯甲醚，50 g 无水ZnCl2，50～55 ℃下加 热5 h。冷却后投入水中，分解过剩的氯甲醚，然后过 滤、水洗，并于100℃下干燥。
编号 0 1 2 3 骨架分类 聚苯乙烯系 聚丙烯酸系 酚醛树脂系 环氧树脂系
4
5 6
聚乙烯吡啶系
脲醛树脂系 聚氯乙稀系
例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一种 树脂。从命名规定可知，这是—种大孔型弱酸型丙烯 酸系阳离子交换树脂；而001×10树脂则是指交联度 为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。 我国有些生产厂在部颁标准制定前已开始生产离 子交换树脂，它们自己有一套编号，已经为人们所熟 悉和接受。因此，至今尚未改名。例如上海树脂厂的 735树脂，相当于命名规定中的001树脂；724树脂相 当于命名规定中的110树脂；717树脂相当于命名规定 中的201树脂等等。
COOCH3 CH2 CH
CH3 NaOH H2O CH2 C CH2 CH + CH3OH
离子交换树脂概述
2
强碱性 2
3
弱碱性 3
4
螯合性 4
5
两性 5 脲醛系
6
氧化还原 6 氯乙烯系
骨架类型 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
基本概念
发展史
1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象；
1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂；
1940年应用于工业生产；
1951年我国开始合成树脂。
基本概念
离子交换树脂的构成
离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂的网状
离子交换树脂概述
基本概念
概念
概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的 待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在 树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上 洗脱下来，达到分离的目的。 和其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子态物质 交换剂的离子和水中离子进行等当量的交换
基本概念
水质软化
Na离子交换软化系统 2 R—Na+Ca (HCO3)2=R2—Ca+ 2NaHCO3
2R—Na+CaSO4= R2—Ca + Na2SO4
2 R—Na+MgCl2 = R2—Mg + 2NaCl2
蛋白质提取
实验室分离用
蛋白质提取
平衡 上样吸附 洗脱 再生
基本概念
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基本概念
概念
概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的 待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在 树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上 洗脱下来，达到分离的目的。
和其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子态物质 交换剂的离子和水中离子进行等当量的交换
基本概念
发展史
特殊基团
基本概念
离子交换树脂的构成
基本概念
离子交换树脂的制备
离子交换树脂骨架的制备
基本概念
离子交换树脂的制备
苯乙烯系阳离子交换树脂的制备（磺化反应）
基本概念
离子交换树脂的制备
固体球形颗粒，多孔网状 结构；不溶于水；具有离子交换 特性的有机高分子聚电解质。
苯乙烯(单体) +
二乙烯苯(交联剂)
基本概念
离子交换树脂的特性
物理性能 ：
(1)外观。
(2)颗粒度。
(3)含水量。
(4)密度。
1)湿真密度。
2)湿视密度。
（5)机械强度。
（6)耐热性
化学性能： (1)交换反应的可逆性 (2)酸、碱性 (3)选择性。 (4)交换容量。 1)全交换容量。 2)工作交换容量。
基本概念
离子交换树脂的特性
✓ 1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象； ✓ 1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系； ✓ 1935年人工合成了离子交换树脂； ✓ 1940年应用于工业生产； ✓ 1951年我国开始合成树脂。
基本概念
离子交换树脂的构成
✓ 离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂的网状 结构的功能高分子化合物.
--
-
-
+ --
+ ++
+-
+-
+------+-+-----+++- -
蛋白质提取
Regeneration -+---- -+----+--+-------++--- -
蛋白质提取
Equilibration
Sample application and wash
--
anion
基本概念
离子交换树脂的分类
按结构
离子交 换树脂
凝胶型 孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。 大孔型 孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。 等孔型 孔大、均匀，抗有机污染能力强。
基本概念
离子交换树脂的命名
基本概念
离子交换树脂的命名
分类代号 0
1
2
3
功能基 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性
(一) 外观
形状：透明或半透明的球状 珠体。
颜色：白、浅黄、赤褐色。
基本概念
离子交换树脂的特性
(二) 含水率
树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。
(三) 密度
干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密度) 。
共聚
母体
功 能 H2SO4 基 反 应
R —SO3 H
母体 固定离子 可交换离子
基本概念
离子交换树脂的分类
按选择性
离子交 换树脂
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
强酸性阳离子交换树脂 R—SO3H 弱酸性阳离子交换树脂 R—COOH 强碱性阴离子交换树脂 R NOH 弱碱性阴离子交换树脂 R—NH3OH
4 螯合性
5
6
两性 氧化还原
骨架代号 0
1
2
3
4
5
6
骨架类型 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
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
基本概念
影响交换速度的因素
颗粒大小：愈小越快 交联度：交联度小，交换速度快 温度：越高越快 离子化合价：化合价与高，交换越快 离子大小：越小越快 搅拌速度：在一定程度上，越大越快 溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，
浓度越大，交换速度越快
基本概念
水质软化
Na离子交换软化系统 2 R—Na+Ca (HCO3)2=R2—Ca+ 2NaHCO3 2R—Na+CaSO4= R2—Ca + Na2SO4 2 R—Na+MgCl2 = R2—Mg + 2NaCl2
✓ 具有三维空间离体结构的网络骨架 ✓ 联接在骨架上的活性基团 ✓ 活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）
基本概念
离子交换树脂的结构
带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
酚醛树脂
OH + CH2O
聚乙烯树脂 活性基团
CH=CH2 +
CH=CH2
CH=CH2
交联剂
酸性基团
—SO3H —COOH
碱性基团 —N+R3 —NR2
容量表示法 EV ：mmol/ml、mol/l。
重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg。
EV = EW ×[湿比重×(1-含水率)]
全交换容量
工作交换容量
基本概念
离子交换反应
⇌ b(R—A)a++aBb+
a(R—B)b++bAa+
特点： ▪ 符合质量作用定律; ▪ 等当量进行的同性离子的互换反应; ▪ 具有饱和性; ▪ 树脂母体和固定离子不发生变化。
溶胀率
V后 V前 V前
100%
溶胀的原因 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀； 活性基团离解形成水合离子。
影响因素 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。 活性基团：离解程度越大，溶胀率越大； 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。
基本概念
离子交换树脂的特性
(六)交换容量
单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法) 可发生交换的活性基团数量。
蛋白质提取
实验室分离用
蛋白质提取
平衡 上样吸附 洗脱 再生
蛋白质提取
Equilibration
anion exchange bead
+-
+- +-
+
+
+
-
蛋白质提取
Sample application and wash
--
-
+ -
+ -+ +
++
-
蛋白质提取
Elu
单位均为mg/L.
基本概念
离子交换树脂的特性
(四) 交联度
交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。
基本概念
离子交换树脂的特性
(五) 溶胀性
吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：