732強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生原理解析【分析】
簡(jiǎn)要描述：這類樹(shù)脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強(qiáng)酸性。樹(shù)脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如SO3－，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽(yáng)離子。這兩個(gè) 離子交換樹(shù)脂反應(yīng)使樹(shù)脂中的H+與溶液中的陽(yáng)離子互相交換。強(qiáng)酸性樹(shù)脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用。
產(chǎn)品型號(hào)：
所屬分類：強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂
更新時(shí)間：2024-04-03
詳細(xì)說(shuō)明：
離子交換樹(shù)脂的命名方式：
離子交換產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，*位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類，第二位數(shù)字代表骨架的差異，第三位數(shù)字為順序號(hào)用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。*、第二位數(shù)字的意義，見(jiàn)表8-1。
表8-1 樹(shù)脂型號(hào)中的一、二位數(shù)字的意義
代號(hào) 0 1 2 3 4 5 6
分類名稱 強(qiáng)酸性 弱酸性 強(qiáng)堿性 弱堿性 螫合性 兩性 氧化還原性
骨架名稱 苯乙烯系丙烯酸系 醋酸系 環(huán)氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系
大孔樹(shù)脂在型號(hào)前加“D”，凝膠型樹(shù)脂的交聯(lián)度值可在型號(hào)后用“×”號(hào)連接阿拉伯?dāng)?shù)字表示。如D011×7，表示大孔強(qiáng)酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，其交聯(lián)度為7。
國(guó)外一些產(chǎn)品用字母C代表陽(yáng)離子樹(shù)脂（C為cation的*個(gè)字母），A代表陰離子樹(shù)脂（A為Anion的*個(gè)字母），如Amberlite的IRC和IRA分別為陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，亦分別代表陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂。
強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂
這類樹(shù)脂含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強(qiáng)酸性。樹(shù)脂離解后，本體所含的負(fù)電基團(tuán)，如SO3－，能吸附結(jié)合溶液中的其他陽(yáng)離子。這兩個(gè)
離子交換樹(shù)脂
反應(yīng)使樹(shù)脂中的H+與溶液中的陽(yáng)離子互相交換。強(qiáng)酸性樹(shù)脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中均能離解和產(chǎn)生離子交換作用。
樹(shù)脂在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行再生處理，即用化學(xué)藥品使離子交換反應(yīng)以相反方向進(jìn)行，使樹(shù)脂的官能基團(tuán)回復(fù)原來(lái)狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽(yáng)離子樹(shù)脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹(shù)脂放出被吸附的陽(yáng)離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來(lái)的組成。
弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂
這類樹(shù)脂含弱酸性基團(tuán)，如羧基－COOH，能在水中離解出H+ 而呈酸性。樹(shù)脂離解后余下的負(fù)電基團(tuán)，如R-COO－（R為碳?xì)浠鶊F(tuán)），能與溶液中的其他陽(yáng)離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽(yáng)離子交換作用。這種樹(shù)脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進(jìn)行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中（如pH5～14）起作用。這類樹(shù)脂亦是用酸進(jìn)行再生（比強(qiáng)酸性樹(shù)脂較易再生）。
強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂
這類樹(shù)脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季胺基（亦稱四級(jí)胺基）－NR3OH（R為碳?xì)浠鶊F(tuán)），能在水中離解出OH－而呈強(qiáng)堿性。這種樹(shù)脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。
這種樹(shù)脂的離解性很強(qiáng)，在不同pH下都能正常工作。它用強(qiáng)堿（如NaOH）進(jìn)行再生。
弱堿性陰離子樹(shù)脂
這類樹(shù)脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基（亦稱一級(jí)胺基）-NH2、仲胺基（二級(jí)胺基）-NHR、或叔胺基（三級(jí)胺基）-NR2，它們?cè)谒心茈x解出OH－而呈弱堿性。這種樹(shù)脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹(shù)脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件（如pH1～9）下工作。它可用Na2CO3、NH4OH進(jìn)行再生。
離子樹(shù)脂的轉(zhuǎn)型
以上是樹(shù)脂的四種基本類型。在實(shí)際使用上，常將這些樹(shù)脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子型式運(yùn)行，以適應(yīng)各種需要。例如常將強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹(shù)脂再使用。工作時(shí)鈉型樹(shù)脂放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子交換吸附，除去這些離子。反應(yīng)時(shí)沒(méi)有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產(chǎn)生的副作用（如蔗糖轉(zhuǎn)化和設(shè)備腐蝕等）。這種樹(shù)脂以鈉型運(yùn)行使用后，可用鹽水再生（不用強(qiáng)酸）。又如陰離子樹(shù)脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?，工作時(shí)放出Cl－而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹(shù)脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫停℉CO3－）運(yùn)行。強(qiáng)酸性樹(shù)脂及強(qiáng)堿性樹(shù)脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性，但它們?nèi)匀挥羞@些樹(shù)脂的其他典型性能，如離解性強(qiáng)和工作的pH范圍寬廣等。
編輯本段基體組成
離子交換樹(shù)脂（ionresin）的基體（matrix），制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸（酯）兩大類，它們分別與交聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應(yīng)，形成具有長(zhǎng)分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨
離子交換樹(shù)脂
架結(jié)構(gòu)的聚合物。苯乙烯系樹(shù)脂是先使用的，丙烯酸系樹(shù)脂則用得較后。
這兩類樹(shù)脂的吸附性能都很好，但有不同特點(diǎn)。丙烯酸系樹(shù)脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹(shù)脂。苯乙烯系樹(shù)脂擅長(zhǎng)吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類色素（包括帶負(fù)電的或不帶電的）；但在再生時(shí)較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹(shù)脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹(shù)脂進(jìn)行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處。
樹(shù)脂的交聯(lián)度，即樹(shù)脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)，對(duì)樹(shù)脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹(shù)脂聚合得比較緊密，堅(jiān)牢而耐用，密度較高，內(nèi)部空隙較少，對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)；而交聯(lián)度低的樹(shù)脂孔隙較大，脫色能力較強(qiáng)，反應(yīng)速度較快，但在工作時(shí)的膨脹性較大，機(jī)械強(qiáng)度稍低，比較脆而易碎。工業(yè)應(yīng)用的離子樹(shù)脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹(shù)脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無(wú)機(jī)離子的樹(shù)脂，其交聯(lián)度可較高。
除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外，離子交換樹(shù)脂還可由其他有機(jī)單體聚合制成。如酚醛系（FP）、環(huán)氧系（EPA）、乙烯吡啶系（VP）、脲醛系（UA）等。
編輯本段物理結(jié)構(gòu)
離子樹(shù)脂常分為凝膠型和大孔型兩類。
凝膠型樹(shù)脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒(méi)有毛細(xì)孔。它在吸水時(shí)潤(rùn)脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔（micro-pore）。濕潤(rùn)樹(shù)脂的平均孔徑為2～4nm（2×10－6 ～4×10－6mm）。這類樹(shù)脂較適合用于吸附無(wú)機(jī)離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類樹(shù)脂不能吸附大分子有機(jī)物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進(jìn)入這類樹(shù)脂的顯微孔隙中。
大孔型樹(shù)脂是在聚合反應(yīng)時(shí)加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量*性的微孔，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成。它并存有微細(xì)孔和大網(wǎng)孔（macro-pore），潤(rùn)濕樹(shù)脂的孔徑達(dá)100～500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時(shí)控制?？椎赖谋砻娣e可以增大到超過(guò)1000m2/g。江蘇色可賽思樹(shù)脂有限公司整理這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴(kuò)散的路程，還增加了許多鏈節(jié)活性中心，通過(guò)分子間的范德華引力（van de Waals force）產(chǎn)生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴(kuò)大它的功能。一些不帶交換功能團(tuán)的大孔型樹(shù)脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠廢水中的酚類物。
大孔樹(shù)脂內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴(kuò)散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹(shù)脂快約十倍。使用時(shí)的作用快、效率高，所需處理時(shí)間縮短。大孔樹(shù)脂還有多種優(yōu)點(diǎn)：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對(duì)有機(jī)大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強(qiáng)，并較容易再生。
編輯本段交換容量
離子交換樹(shù)脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹(shù)脂或每毫升濕樹(shù)脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/g（干）或 meq/mL（濕）；當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)，毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)（對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子，前者為后者乘離子價(jià)數(shù)）。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。
1、總交換容量，表示每單位數(shù)量（重量或體積）樹(shù)脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量。2、工作交換容量，表示樹(shù)脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹(shù)脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。
3、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹(shù)脂的交換容量，表明樹(shù)脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度。
通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%（一般控制70～80%），而工作交換容量為再生交換容量的30～90%（對(duì)再生樹(shù)脂而言），后一比率亦稱為樹(shù)脂的利用率。
在實(shí)際使用中，離子交換樹(shù)脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹(shù)脂結(jié)構(gòu)不同而異?，F(xiàn)仍未能分別進(jìn)行計(jì)算，在具體設(shè)計(jì)中，需憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并在實(shí)際運(yùn)行時(shí)復(fù)核之。
離子樹(shù)脂交換容量的測(cè)定一般以無(wú)機(jī)離子進(jìn)行。這些離子尺寸較小，能自由擴(kuò)散到樹(shù)脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團(tuán)起反應(yīng)。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溶液中常含有高分子有機(jī)物，它們的尺寸較大，難以進(jìn)入樹(shù)脂的顯微孔中，因而實(shí)際的交換容量會(huì)低于用無(wú)機(jī)離子測(cè)出的數(shù)值。這種情況與樹(shù)脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。
編輯本段吸附選擇
離子交換樹(shù)脂對(duì)溶液中的不同離子有不同的親和力，對(duì)它們的吸附有選擇性。各種離子受樹(shù)脂交換吸附作用的強(qiáng)弱程度有一般的規(guī)律，但不同的樹(shù)脂可能略有差異。主要規(guī)律如下：
對(duì)陽(yáng)離子的吸附
高價(jià)離子通常被優(yōu)先吸附，而低價(jià)離子的吸附較弱。在同價(jià)的同類離子中，直徑較大的離子的被吸附較強(qiáng)。一些陽(yáng)離子被吸附的順序如下：
Fe3+ > Al3+ > Pb2+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > H+
對(duì)陰離子的吸附
強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂對(duì)無(wú)機(jī)酸根的吸附的一般順序?yàn)椋?/div>
SO42－> NO3－ > Cl－ > HCO3－ > OH－
弱堿性陰離子樹(shù)脂對(duì)陰離子的吸附的一般順序如下：
OH－> 檸檬酸根3－ > SO42－ > 酒石酸根2－ >；草酸根2－ > PO43－ >NO2－ > Cl－ >；醋酸根－ > HCO3－
對(duì)有色物的吸附
糖液脫色常使用強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂，它對(duì)擬黑色素（還原糖與氨基酸反應(yīng)產(chǎn)物）和還原糖的堿性分解產(chǎn)物的吸附較強(qiáng)，而對(duì)焦糖色素的吸附較弱。這被認(rèn)為是由于前兩者通常帶負(fù)電，而焦糖的電荷很弱。
通常，交聯(lián)度高的樹(shù)脂對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)，大孔結(jié)構(gòu)樹(shù)脂的選擇性小于凝膠型樹(shù)脂。這種選擇性在稀溶液中較大，在濃溶液中較小。
編輯本段物理性質(zhì)
離子交換樹(shù)脂的顆粒尺寸和有關(guān)的物理性質(zhì)對(duì)它的工作和性能有很大影響。
樹(shù)脂顆粒尺寸
離子交換樹(shù)脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹(shù)脂顆粒較細(xì)者，反應(yīng)速度較大，但細(xì)顆粒對(duì)液體通過(guò)的阻力較大，需要較高的工作壓力；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著。因此，樹(shù)脂顆粒的大小應(yīng)選擇適當(dāng)。如果樹(shù)脂粒徑在0.2mm（約為70目）以下，會(huì)明顯增大流體通過(guò)的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。
樹(shù)脂顆粒大小的測(cè)定通常用濕篩法，將樹(shù)脂在充分吸水膨脹后進(jìn)行篩分，累計(jì)其在20、30、40、50……目篩網(wǎng)上的留存量，以90%粒子可以通過(guò)其相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑，稱為樹(shù)脂的“有效粒徑”。多數(shù)通用的樹(shù)脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。
樹(shù)脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測(cè)定樹(shù)脂的“有效粒徑”坐標(biāo)圖上取累計(jì)留存量為40%粒子，相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹(shù)脂（IR-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計(jì)算得均勻系數(shù)為2.0。
樹(shù)脂的密度
樹(shù)脂在干燥時(shí)的密度稱為真密度。濕樹(shù)脂每單位體積（連顆粒間空隙）的重量稱為視密度。樹(shù)脂的密度與它的交聯(lián)度和交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)。通常，交聯(lián)度高的樹(shù)脂的密度較高，強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹(shù)脂的密度高于弱酸或弱堿性者，而大孔型樹(shù)脂的密度則較低。江蘇色可賽思樹(shù)脂有限公司整理例如，苯乙烯系凝膠型強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹(shù)脂的真密度為1.26g/mL，視密度為0.85g/mL；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽(yáng)離子樹(shù)脂的真密度為1.19g/mL，視密度為0.75g/mL。
樹(shù)脂的溶解性
離子交換樹(shù)脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹(shù)脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹(shù)脂分解生成的物質(zhì)，會(huì)在工作運(yùn)行時(shí)溶解出來(lái)。交聯(lián)度較低和含活性基團(tuán)多的樹(shù)脂，溶解傾向較大。
膨脹度
離子交換樹(shù)脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹。當(dāng)樹(shù)脂中的離子變換時(shí)，如陽(yáng)離子樹(shù)脂由H+轉(zhuǎn)為Na+，陰樹(shù)脂由Cl－轉(zhuǎn)為OH－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹(shù)脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹(shù)脂的膨脹度較大。在設(shè)計(jì)離子交換裝置時(shí)，必須考慮樹(shù)脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)樹(shù)脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹(shù)脂體積變化。
耐用性
樹(shù)脂顆粒使用時(shí)有轉(zhuǎn)移、摩擦、膨脹和收縮等變化，*使用后會(huì)有少量損耗和破碎，故樹(shù)脂要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。通常，交聯(lián)度低的樹(shù)脂較易碎裂，但樹(shù)脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強(qiáng)度。如大孔樹(shù)脂，具有較高的交聯(lián)度者，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐反復(fù)再生。
