732強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂再生原理解析【分析】
簡(jiǎn)要描述：這類樹脂含有大量的強(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) 離子交換樹脂反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽(yáng)離子互相交換。強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(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)離子交換樹脂
更新時(shí)間：2024-04-03
詳細(xì)說(shuō)明：
離子交換樹脂的命名方式：
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，見表8-1。
表8-1 樹脂型號(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
大孔樹脂在型號(hào)前加“D”，凝膠型樹脂的交聯(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)離子樹脂（C為cation的*個(gè)字母），A代表陰離子樹脂（A為Anion的*個(gè)字母），如Amberlite的IRC和IRA分別為陽(yáng)樹脂和陰樹脂，亦分別代表陽(yáng)樹脂和陰樹脂。
強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹脂
這類樹脂含有大量的強(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)
離子交換樹脂
反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽(yáng)離子互相交換。強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(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)離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹脂放出被吸附的陽(yáng)離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來(lái)的組成。
弱酸性陽(yáng)離子樹脂
這類樹脂含弱酸性基團(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。這類樹脂亦是用酸進(jìn)行再生（比強(qiáng)酸性樹脂較易再生）。
強(qiáng)堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有強(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。
弱堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有弱堿性基團(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。
離子樹脂的轉(zhuǎn)型
以上是樹脂的四種基本類型。在實(shí)際使用上，常將這些樹脂轉(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)離子樹脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。工作時(shí)鈉型樹脂放出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）。又如陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂茫ぷ鲿r(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。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫停℉CO3－）運(yùn)行。強(qiáng)酸性樹脂及強(qiáng)堿性樹脂在轉(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
離子交換樹脂
架結(jié)構(gòu)的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的，丙烯酸系樹脂則用得較后。
這兩類樹脂的吸附性能都很好，但有不同特點(diǎn)。丙烯酸系樹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脂。苯乙烯系樹脂擅長(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，糖液先用丙烯酸樹脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進(jìn)行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處。
樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)，對(duì)樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密，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)用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯(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)
離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。
凝膠型樹脂的高分子骨架，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)樹脂的平均孔徑為2～4nm（2×10－6 ～4×10－6mm）。這類樹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)入這類樹脂的顯微孔隙中。
大孔型樹脂是在聚合反應(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”，即每克干樹脂或每毫升濕樹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，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹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脂的交換容量，表明樹脂中原有化學(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)再生樹脂而言），后一比率亦稱為樹脂的利用率。
在實(shí)際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異。現(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)度高的樹脂對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)，大孔結(jié)構(gòu)樹脂的選擇性小于凝膠型樹脂。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。
樹脂顆粒尺寸
離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹脂顆粒較細(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，樹脂顆粒的大小應(yīng)選擇適當(dāng)。如果樹脂粒徑在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。
樹脂顆粒大小的測(cè)定通常用濕篩法，將樹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，稱為樹脂的“有效粒徑”。多數(shù)通用的樹脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。
樹脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測(cè)定樹脂的“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。
樹脂的密度
樹脂在干燥時(shí)的密度稱為真密度。濕樹脂每單位體積（連顆粒間空隙）的重量稱為視密度。樹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)度高的樹脂的密度較高，強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹脂的密度高于弱酸或弱堿性者，而大孔型樹脂的密度則較低。江蘇色可賽思樹脂有限公司整理例如，苯乙烯系凝膠型強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.26g/mL，視密度為0.85g/mL；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.19g/mL，視密度為0.75g/mL。
樹脂的溶解性
離子交換樹脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹脂分解生成的物質(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)多的樹脂，溶解傾向較大。
膨脹度
離子交換樹脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹。當(dāng)樹脂中的離子變換時(shí)，如陽(yáng)離子樹脂由H+轉(zhuǎn)為Na+，陰樹脂由Cl－轉(zhuǎn)為OH－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大。在設(shè)計(jì)離子交換裝置時(shí)，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化。
耐用性
樹脂顆粒使用時(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)度低的樹脂較易碎裂，但樹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。
