第二章-离子交换树脂

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1、1第二章第二章 离子交换树脂及高离子交换树脂及高分子试剂分子试剂 离子交换树脂离子交换树脂高分子试剂高分子试剂21.1 概述 1）发展史 2）结构与分类 3）常用离子交换树脂的化学结构1.2 合成 1）苯乙烯型 2）丙烯酸型 3）缩聚型1.3 性能31.4 应用 1）水的软化 2）水的脱盐 3）废水处理 4）食品工业 5）高分子催化剂 6）其他41935年英国Adams特点：i. 带有可离子化的基团SO3- 1.1 概述概述 发展史发展史OHSO3HHCHOC6H5OHH2COHCH2OHCH2CH2OHH2SO4SO3Hii. 是三维网状交联聚合物（酚醛缩聚树脂）应用：水的脱盐5 由离子交换

2、树脂引伸的功能高分子：吸 附树脂、螯合树脂、高分子试剂、固化 酶（固相多肽合成）聚合物固载催化。1944年 DAeelio合成磺化苯乙烯-二乙烯基 苯树脂奠定现代离子交换树脂基 础。1950年 大孔离子交换树脂：强度高，交换 速率快。 结构与分类结构与分类6表1 离子交换树脂的种类代号分类名称功能基说明0强酸-SO3H磺酸基1弱酸膦酸基2强碱季铵基3弱碱伯，仲，叔氨基4螯合胺羧酸5两性强碱弱酸型6氧化还原硫醇基 对苯二酚基骨架分类代号 0苯乙烯，1丙烯酸，2酚醛，3环氧，4乙烯吡啶，5脲醛，6氯乙烯-COOH,-PO3H3-N+(C H3)3-N+(C H3)2C H2C H2O H,-NH2

3、,-NHR,-NR2H2CNCH2COOHCH2COOH(-N+(CH3)3 , -COOH)(-CH2SH)HOOH7强酸与阳离子交换，交联 b. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂 a. 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂 常用离子交换树脂的化学结构常用离子交换树脂的化学结构CH2HCCH2HCSO3-Na+CHCH2CH2HCCOOHCH2HCCHCH28c. 苯乙烯系强碱性I型阴离子交换树脂 d. 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂CH2CHCH2HCCHCH2Cl-(CH3)3N+CH2CH2CHCH2HCCHCH2(CH3)2N CH291.2 离子交换树脂的合成离子交换树脂的合成 a. 交联PS

4、共聚物凝胶树脂制备b. 功能基化：（磺化，羧酸，季铵化）磺化：(DVB)PSCH2CHH2SO4CH2CHSO3H10氯甲基化：（作前体）再羧酸化：CH2CHClCH2OCH3CH2CHCH2ClZnCl2HNO3CH2CHCOOH氧化11季铵化：叔胺三甲胺N,N-二甲基乙醇胺CH2CHCH2Cl(CH3)3N(CH3)2NC2H5OHCH2CHCH2N+(CH3)3Cl-CH2CHCH2N+(CH3)2Cl-CH2CH2OH12i. （弱酸性阳离子型）丙烯酸酯 + DVB共聚交联水解弱酸性阳离子交换H2CCHCOOCH3HCCH2CHCH2BPOCH2HCCH2CCHOCH3OCHCH21.

5、H2O/NaOHCH2HCCH2CCHOHOCHCH22.H+自由基悬浮共聚水解13ii. 弱碱阴离子型交换树脂多胺i. 阳离子型苯酚磺化醛交联磺化酚醛缩合物（1935）ii. 阴离子型（芳胺+醛）CH2CHCOCH3OH2N(CH2CH2NH)nHCH2CHCNH(CH2CH2NH)HO14间苯二胺（醛与苯环、氨基均可缩合成交联结构）iii. 弱酸阳离子型含COOH，酚 + 甲醛NH2NH2HCHONH2HNCH2CH2NHCH2NHCH2CH2COOHCH2OHHO151.3 离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能 粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm 含水量（凝胶树脂）：30%-80

6、% 密度：a（表观密度）=干态质量/树脂体积,g/ml（骨架+孔）T（骨架密度）=干态质量/干态体积,g/ml(g/ml)（骨架） 交换容量：QT =, mmol/g 离子交换选择性：对不同离子的选择性，例单位体积的离子基团的量单位质量 (体积)树脂16苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性）Fe3+ Al3+ Ca2+ Na+ 依价数高优先Ba2+ Pb2+ Sr2+ Ca2+ Ni2+ Mn2+同价位时，依半径大优先 热稳定性，最高使用温度，如苯乙烯强酸阳离子 120 丙烯酸弱酸阳离子 200 耐压强度；滚磨强度；渗磨强度(渗磨强度为交换渗透过程引起球的破碎率）用树脂的渗磨圆球率 S描述 1

7、7（m1正常圆球质量， m2破损粒子质量） 比表面；孔容（孔度）；孔径；孔径分布i. 孔容（Vp)：1g物质中孔体积Vp =1a-1T（a为表观密度， T为骨架密度）ii. 孔度 P（孔容体积/树脂总体积）P = aVp = 1 - aT孔体积骨架体积S =m1m1 + m218iii. 比表面积S =4 x 104Vpd(Vp 孔总体积，d 孔径）m /g1.4 应用应用 水的软化（去除水中Ca2+，Mg2+离子）通过Na型阳离子交换柱使水中Ca2+，Mg2+与Na+交换保留在树脂上。2RSO3-Na+ +Ca2+Mg2+2HCO3-2Cl-SO42-2RSO3-Ca2+Mg2+2NaHCO

8、3Na2SO42NaCl219硬水（含Ca2+等）软水（含NaCl等）再生处理：用8%-10%工业NaCl使柱 再生（交换其Ca2+，Mg2+ 离子）离子交换树脂 水的脱盐（去除Na+)所用离子交换树脂H型强酸阳离子树脂RSO3-H+ 磺酸型脱除的离子：Na+，Mg2+等（使NaCl盐脱除）反应式：20再生：用HCl（3%-4%）或H2SO4（1%及2-4.5% 第 二步）再生。 废水处理用离子交换树脂强酸Na型，H型阳离子。如：RSO3-Na+废水中离子Ni2+，Cr3+，Hg2+，Cu2+等去除。例：铜线表面处理废水： 废水组成 CuSO4，H2SO4 树脂类型 H型强酸树脂 结果不含Cu

9、(Cu2+与Na+交换，更易选择Cu2+离子） 再生剂 20%H2SO4Ca2+Mg2+2HCO3-2Cl-SO42-2RSO3Ca2+Mg2+2RSO3-H+2Na+2HSiO3-2Na+2H2O + 2CO22HClH2SO42H2SiO321 食品工业使蔗糖浆脱色，色素离子型化合物。用Cl型强碱性阴离子交换树脂70-75 脱色。用Na型强酸性阳离子交换树脂去除蔗糖中Ca2+ 作催化剂（利用其酸性，碱性）例：PSSA（大孔聚苯乙烯磺酸树脂） PFIEP（全氟磺酸树脂）,固体超强酸催化剂酸催化剂碱催化剂用于催化C4烃烷基化反应优点：高分子催化剂无腐蚀性 后处理简单过滤可将树脂与产物分离 催化