有机离子交换剂

高分子化合物

有机离子交换剂主要是指以离子交换树脂为代表的一类高分子化合物，其中以离子交换树脂的研究最为成熟，其应用也最为广泛。

简介

离子交换树脂是一种不溶于水、酸和碱的高分子电解质。它是由交联结构的高分子骨架(称母体)与能离解的交换基团两个基本部分所构成。它虽不溶于酸或碱，却具有酸碱的性能，能与水中带有同性电荷的离子进行交换反应，而且这种反应是可逆的。

分类

有机离子交换树脂大致可分为以下几个类型：

一、阳离子交换树脂

这类交换树脂含有酸性基团，如-SO3H、-PO3H2、-C0OH等,能与溶液中阳离子进行交换的。根据交换基因酸性的强弱，又可进一步把阳离子交换树脂分成如下几类：

强酸性阳离子交换树脂(含官能团-SO3H、-CH2SO3H等)

其酸性相当于硫酸、盐酸等无机酸，它在碱性、中性、甚至酸性介质中都显示离子交换功能。

以苯乙烯-二乙烯苯共聚球体为基础的强酸性阳离子交换树脂，是用途最广、用量最大的一种离子树脂，它是用浓硫酸或发烟硫酸、氯磺酸等磺化以上共聚球体而,因此通常只能获得5毫克当量/克左右的交换容量，证明在每个苯环上只引入了一个磺酸基。磺化后的树脂是H+式，为贮存和运输方便、生产厂家都把它转变成Na+式。

此外，尚有早期发明的以苯酚-甲醛缩聚物磺化而得的强酸性树脂。这种树脂后来也可以作成球状。因它的综合性能不如聚苯乙烯系强酸性树脂，目前很少用它。

中等酸性阳离子交换树脂(含宫能团-PO3H2、- PO3H3、-AsO3H2等)

弱酸性阳离子交换树脂(含官能闭-COOH、-CH2OH、-OH等)

以上两种交换树脂仅能在接近中性和碱性介质中才能解离而显示离子交换功能。含羧酸基的弱酸性离子树脂常是用甲基丙烯酸或丙烯酸与二乙烯苯进行悬浮共聚合、亦或甲基丙烯酸甲脂或丙烯酸甲脂与二乙烯苯悬浮共聚合而后水解的方法制得。过去，聚丙烯酸系弱酸性树脂以对链霉素的特殊选择交换吸附性能而主要用于链霉素的分离提炼。近年来，根据它的高达9毫克当量/克左右的交换容量、容易再生、以及对二价金属离子具有较好选择性的特点，已广泛用于水处理及工业废水处理等方面。

二、阴离子交换树脂

阴离子交换树脂含有碱性基团，如：-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH、-NH2等，能与溶液中的阴离子进行交换，根据交换基因酸性的强弱，又可进一步把阴离子交换树脂分成如下几类：

强碱性阴离子交换树脂(含官能团-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH等)

其碱性较强而相当于一般季胺碱，它在酸性、中性、甚至碱性介质中部可显示离子交换功能。

常用的强碱性离子交换树脂，是用苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒经氯甲基化和叔胺胺化而得。当用三甲胺胺化时，得到I型强碱性阴离子树脂；用二甲基乙醇胺胺化得到Ⅱ型强碱性阴离子树脂。它们的碱性都很强，不仅可交换一般无机酸根阴离，也可交换吸附硅酸，醋酸那样的弱酸。I型强碱性树脂的碱性比Ⅱ型更强，用途更广泛。0H-式强碱性阴离子树脂热稳定性较差，限于60℃以下使用。

弱碱性阴离子交换树脂(含官能团-NH2、-NHR、-NR2等，其碱性次序为-NR2＞-NHR＞-NH2)[3]

这种树脂只在中性及酸性介质中才显示离子交换功能。可通过聚合或缩聚的方法而得。而常用的弱碱性阴离子树脂是使苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒经氯甲基化而后伯胺或仲胺胺化制得的。因这种树脂碱性很弱，只能交换盐酸、硫酸、硝酸这样的无机酸阴离子，而对硅酸等弱酸几乎没有交换吸附能力。较高的交换容量和容易再生是这种阴离子交换树脂的重要特点。

近年来，还开发了聚丙烯酸系的弱碱性阴离子交换树脂[4]。

三、吸附树脂

吸附树脂就是树脂吸附剂，是利用树脂能发生吸附-解吸作用，以达到物质的分离净化目的。树脂一般是按照制备大孔型离子交换树脂骨架的方法制得的，未经功能基反应．不带离子交换基团的多孔性树脂骨架，外观多半是不到一毫米的白色小颗粒；有些由带极性基闭单体制得，也就是离子交换树脂，两者很难严格区分。吸附树脂和活性炭、氧化铝、硅胶等吸附剂的作用很相象，又不相同。它的特点是容易再生，可以反复使用。

对于以苯乙烯为骨架的吸附树脂，连接在主链上的苯环是一个电子均匀分布的平面，对于一些性质相近的分子，如苯酚等具有很强的吸附能力，最能吸附不溶于水而又高度溶解于醇类、丙酮等有机溶剂、“长尾巴”带极性的分子。树脂的吸附一般是随被吸附分子的亲油性而增加，特别适用于废水的脱酚、去油、除去水中三硝基甲苯(TNT)及含氯农药废水、各种印染、造纸废水的净化、糖液的脱色、气体的净化，也可用于天然产物、生物制品、有机化合物的分离提纯、放射性元素等浓缩、分离，还可以当作医疗药剂、酶、农药、化学反应催化剂的载体。吸附树脂的另一方面重要应用是作为气相及液体色谱柱的载体和凝胶渗透色谱(GPC)柱的填料。

四、螯合树脂

一般的离子交换树脂对不同离子之间的选择性差别并不很大。选择性主要决定于树脂所带功能基的性能，改变骨架的作用并不很大，因此在应用的范围及效果上都要求合成带特殊功能基、具有专一选择性的树脂。鳌合树脂是指带有具有螯合能力的基团，对特定离子具有特殊选择能力的树脂，因为它既有生成离子键又有形成配价键的能力，在螯合物形成后，结构上有点像螃蟹，故形象地叫螯合树脂。理想的树脂应具有特殊选择性，但是真正做到并不容易。人们从络合物的研究、分析化学的发展得到启示，设计合成了多种多样的螯合树脂，至今真正商品化的也并不多，其中主要是羧酸胺类，如美国的Dowex A-1、IRC-718、日本的Diaion CR-10、苏联的K-1、-2等应用最为普遍。它对于某些金属，如Cr3+、In3+、Hg2+、Co2+、Hg22+、Ca2+、Ni2+等具有特殊的选择性。

其他以商品形式出现的是去汞的巯基、酚醛硫脲、胺基硫代甲酸盐(ALM)、分离贵金属的硫脲 (BTU，Srafion NMRR)、分离镍的胺基肟类(Duo1ite CS-346)、吸附硼的多羟基(Ainberlite XE-153)、243树脂等。至于多胺、膦酸树脂，有时列入阴阳树脂范围内叙述。许多螯合树脂还处于研究阶段，但这是发展方向。

五、氧化还原树脂

氧化还原树脂也叫电子交换树脂，是指带有能与周围的活性物质进行电子交换、发生氧化还原的一类树脂。树脂失去电子，由原来的还原形式变为氧化形式而周围的物质就被还原。带氢醌基的树脂与水及氧气作用，树脂变为醌式，水中出现过氧化氢是一个典型的例子。生命的机制也是由于氧化酶及还原酶的作用，都属于高分子氧化还原系统。如纤维印染、彩色照相及工业废物的生化处理等都涉及氧化还原树脂，估计在抗氧剂、非扩散性稳定剂、水去氧及催化化学反应方面都有一定用处，特别是在生物化学方面其用途更是日益扩大。

六、两性树脂

阴、阳两种树脂混合使用，可以除去溶液中的阴、阳离子，达到去盐的目的，但是再生时要求将两种树脂分开，分别用酸碱处理。为了克服分开树脂的繁琐手续，将两种性质相反的阴、阳离子交换功能基(一至四胺及磺酸、膦酸、羧酸)连接在同一树脂骨架上，就构成两性树脂。

此种树脂骨架上的两种类型功能基彼此接近，在与溶液里的阴阳离子交换以后，只要用通过水，稍稍改变体系的酸碱条件即可发生相反的水解反应恢复树脂原来的型式，可以再用。例如，在离子阻滞法中，用此种树脂可以把溶液中的盐类与有机物分开，也可以用作缓冲剂，调节溶液的酸碱性。

七、蛇笼树脂

蛇笼树脂与两性树脂相似，在同一个树脂颗粒里带有阴、阳交换功能的两种聚合物，一种是以交联的阴树脂为笼，而以线型的聚丙烯酸为蛇；另一种也可以以交联的多元酸为笼，而以线型多元碱为蛇，就象蛇关于笼网，不能漏出，故形象地称为蛇笼树脂。

此种树脂的两种功能基可以互相接近，几乎相互吸引中和，但遇到溶液中的离子时，还能起交换作用，可以使溶液脱盐。在使用后，它只需用大量水洗即可恢复交换能力。蛇笼树脂应用的原理是离子阻滞，即利用蛇笼树脂中所带阴阳两种功能基截留阻滞处理液中强电解质(盐)而排斥有机物(乙二醇)，使有机物在流出液中首先出现，所以叫离子阻滞法。

八、磁性树脂

粉状树脂解决了树脂应用中的速度问题，但粉状树脂的沉降很慢，过滤和再生等操作都很困难。磁性树脂主要是利用树脂所带的磁性，通过磁场的作用，加速粉状树脂的沉降，以便快速分离，提高效率。它在自动化大规模生产，特别是在使用反应速度较慢的弱酸、弱碱树脂的热再生法中是很为重要的。

将γ-Fe203等磁性物质机械地与树脂颗粒结合在一起，制成磁性树脂粉末，在磁场的作用下，树脂粉末就能很快沉降，速度几乎可以与一般树脂颗粒一样。此种絮凝物略经搅拌，很易重新分散开来，进行化学反应。磁性树脂兼具了粉状树脂反应速度快和一般材脂处理方便的两种特点，为自动化和大规模生产提供了良好条件。磁性树脂可以在悬浮物存在下应用，省免了过滤等预处理。

其他信息

另外，还有热再生树脂、碳化树脂、粉状树脂、离子交换膜、离子交换纤维、离子交换液、特种树脂等不同类型的有机离子交换树脂。

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