离子交换树脂__基本类型

离子交换树脂，是带有官能团（由活动离子和固定离子组成）、具有网状结构、并且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物，通常是球形颗粒物。其高分子活性基团一般是多元酸或多元碱。因此，从电化学的观点来看，离子交换树脂是一种不溶性的多价电介质。

离子交换树脂的单元结构由三部分组成：交联的具有三维空间立体结构的网络骨架、连接在骨架上的功能基（活性基，如-SO3-，-N(CH3)3-）以及和活性基所带的相反电荷的活性离子（即可交换离子,如H+、OH-）。

惰性不溶的网络骨架和活性基是联成一体的，不能自由移动。活性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。

离子交换树脂依靠功能基团离解出来的反离子与溶液中的离子进行交换，交换过程的推动力是两种离子之间的浓度差和功能基对自由离子亲和力的不同。

当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可以与溶液中的同性离子，按与树脂功能基的化学亲和力不同产生交换过程。这种交换是等当量进行的。

高分子活性基团是决定离子交换树脂主要性能的因素，如果活性基释放的是阳电性的活性离子，这种离子交换树脂能和溶液中的其他阳离子发生交换就称为阳离子交换树脂；如果释放的活性离子是阴离子，则这种离子交换树脂能交换溶液中的阴离子，就称为阴离子交换树脂。

离子交换反应是可逆的，离子交换树脂可以通过再生反复利用。除交换作用，离子交换树脂还具有选择、吸附、催化和脱色等多种功能，目前已广泛渗透到水处理、金属冶炼、原子能科学技术、海洋资源开发、化工生产、糖类精制、食品加工、医药卫生、分析化学及环境保护等领域。

一、离子交换树脂的分类方法

1、按活性基团的性质分类

按照所带活性基团的性质，离子交换树脂可分成阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

其中带酸性活性基团的交换树脂，可以和水中阳离子交换的称为阳离子交换树脂；带有碱性活性基团的，可和水中阴离子交换的称为阴离子交换树脂。

根据活性基团上H+或者OH-电离的强弱程度，又可分成强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂，弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。

2、按孔型的分类

可以分为凝胶性树脂、大孔型树脂和均孔型树脂。

3、根据其基体的种类分类

离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系和乙烯吡啶系。

二、离子交换树脂的基本类型

1、强酸性阳离子交换树脂

这类树脂的活性基团为强酸性基团【磺酸基团(-SO₃H)或次甲基磺酸基团(-CH₂SO₃H)】，其电离程度大而不受溶液pH变化的影响，在pH1~14范围内均能进行离子交换反应。

强酸树脂与H+结合力弱，因此再生成氢型时比较困难，故耗酸量较大。

2、弱酸性阳离子交换树脂

酸基团这类树脂的活性基有羧-COOH、氧乙酸基团-OCH₂COOH、酚羟基团C₆H₅OH^-及β-双酮基团-COCH₂COCH₃等。

它们都是弱酸性基团，其电离程度受溶液pH的变化影响很大，在酸性溶液中几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液pH的下降而减少随pH值的升高而递增。

羧酸阳离子树脂必须在pH>7的溶液中才能正常工作，对酸性更弱的酚羟基脂，则应在pH>9的溶液中才能进行反应。

和强酸性阳离子交换性质相反，H+和弱酸阳离子树脂的结合力很强，故易再生成氢型，耗酸量亦少。

3、强碱性阴离子交换树脂

这类树脂的活性基是季铵基团，有三甲胺基团R-N⁺(CH₃)₃OH^-  (I型)和二甲基-B羟基乙基胺基团R-N⁺(CH3)₂(C₂H₄OH)OH^- (Ⅱ型)。

和强酸离子交换相似，其活性基团电离程度较强，不受溶液pH变化的影响，在pH1~14范围内均可使用，其交换反应有:

这类树脂成氯型时较羟型稳定、耐热性亦较好，因此，商品大多以氯型出售。

I型树脂的热稳定性、抗氧化性、机械强度、使用寿命均好于II型树脂但再生较难。II型树脂抗有机污染好于I型、II型树脂碱性亦弱于I型。

由于OH^-和强碱交换树脂结合力较弱，再生剂NaOH用量较大。这类树脂主要用于制备无盐水(除去SiO2^-、CO₃^2-等弱酸根。

4、弱碱性阴离子交换树脂

这类树脂的活性基团有伯胺基团-NH₂仲胺-NHR和叔胺-N(R)₂，以及吡啶C₆H₅N等基团。

基团的电离程度弱、和弱酸阳离子树脂一样交换能力受溶液pH的变化影响很大，pH越低，交换能力越高，反之则小，故在pH<7的溶液中使用。其交换反应有:

和弱酸阳离子树脂相似，弱碱性阴离子交换树脂生成的盐RN⁺H₃Cl^-易水解成RN⁺H₃OH^-，亦说明OH^-结合力很强，故用NaOH再生成羟型较容易，耗碱量亦少，甚至可用Na₂CO₃再生。

三、离子交换树脂的吸附选择

离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。

主要规律如下：

通常，交联度高的树脂对离子的选择性较强，大孔结构树脂的选择性小于凝胶型树脂。这种选择性在稀溶液中较大，在浓溶液中较小。

四、离子交换树脂的主要功能

1、离子交换

离子交换树脂的最基本的功能是离子交换。

树脂与电解质溶液接触时，树脂粒子内部的反离子离解，并与进入树脂内的溶液中的离子发生离子交换反应。

离子交换反应通常是可逆平衡，其反应方向受树脂交换基团的性质、溶液中离子的性质、浓度，溶液pH值、温度等因素影响。

利用这种可逆平衡性质，离子交换树脂可以再生而反复使用。但对于螯合树脂和对某种离子具有较大选择性的树脂，交换反应一般不可逆，必须采取其他的方式使被交换吸附的离子解吸。

2、脱水作用

离子交换树脂中的交换基团是强极性基团且具亲水性，所以干燥的树脂有很强的吸水作用。干燥的强酸性阳离子交换树脂可用于各种有机溶剂的脱水。

3、催化作用

离子交换树脂就是高分子酸、碱，所以它和一般低分子酸、碱一样对某些有机化学反应起催化作用。特别是大孔离子交换树脂已广泛用于催化酯化反应、烷基化反应、烯烃水合、缩醛化反应、水解反应、脱水反应（开环反应）以及综合反应等。

离子交换树脂作催化剂的优点是反应生成物与催化剂易于分离，后处理简化，树脂对设备没有腐蚀性等。

4、脱色作用

色素多具阴离子性或弱极性，可以用离子交换树脂除去。特别是大孔型树脂脱色作用强，可作为优良的脱色剂，如葡萄糖、蔗糖、甜菜糖等的脱色精制用离子交换树脂效果很好。它作为脱色剂与活性炭比较，其优点是可反复使用，周期长，使用方便。

5、吸附作用

离子交换树脂具有从溶液中吸附非电解质物质的功能，这种功能与非离子型吸附剂的吸附行为有类似之处。它的吸附作用是可逆的，选用适当的溶剂使其解吸。

大孔型离子交换树脂不仅可以从极性溶剂中吸附弱极性或非极性物质，而且可以从非极性溶剂中吸附弱极性物质，还可作为气体吸附剂。

五、离子交换树脂的应用领域

1、水处理

水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。

目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。

2、食品工业

离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。

例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

3、制药行业

制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。

4、合成化学和石油化学工业

在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。

5、环境保护

离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。

目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。

6、湿法冶金及其他

离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。