編輯本段簡介
離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進(jìn)行的的一種可逆性化學(xué)反應(yīng),,當(dāng)液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時,,便會被離子交換固體吸附,為維持水溶液的電中性,,所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中,。

陽離子交換樹脂
離子交換樹脂一般呈現(xiàn)多孔狀或顆粒狀,其大小約為0.5~1.0mm,,其離子交換能力依其交換能力特征可分:
1. 強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂:主要含有強(qiáng)酸性的反應(yīng)基如磺酸基(-SO3H),,此離子交換樹脂可以交換所有的陽離子。
2. 弱酸型陽離子交換樹脂:具有較弱的反應(yīng)基如羧基(-COOH基),,此離子交換樹脂僅可交換弱堿中的陽離子如Ca2+,、Mg2+,對于強(qiáng)堿中的離子如Na+,、K+等無法進(jìn)行交換,。
編輯本段種類和性能
離子交換樹脂在現(xiàn)代制糖工業(yè)中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和高級食用糖漿,,多數(shù)使用離子交換樹脂將糖液脫色提純,,而過去傳統(tǒng)用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉(zhuǎn)向使用離子交換樹脂的趨勢。
離子交換技術(shù)有相當(dāng)長的歷史,,某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑,。但是,隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,,研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂,,并開發(fā)了多種新的應(yīng)用方法,離子交換技術(shù)迅速發(fā)展,,在許多行業(yè)特別是*產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達(dá)數(shù)百種,年產(chǎn)量數(shù)十萬噸,。
在工業(yè)應(yīng)用中,,離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大,脫色范圍廣,,脫色容量高,,能除去各種不同的離子,可以反復(fù)再生使用,,工作壽命長,,運(yùn)行費(fèi)用較低(雖然一次投入費(fèi)用較大),。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)的多種新技術(shù),,如色譜分離法、離子排斥法,、電滲析法等,,各具*的功能,,可以進(jìn)行各種特殊的工作,是其他方法難以做到的,。離子交換技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還在迅速發(fā)展之中,。
離子交換樹脂的應(yīng)用,是近年國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點(diǎn)研究課題,,是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志,。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應(yīng)用也受到廣泛的研究。
離子交換樹脂都是用有機(jī)合成方法制成,。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯),,通過聚合反應(yīng)生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的骨架,再在骨架上導(dǎo)入不同類型的化學(xué)活性基團(tuán)(通常為酸性或堿性基團(tuán))而制成,。
離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑,。大多數(shù)制成顆粒狀,也有一些制成纖維狀或粉狀,。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3~1.2mm 范圍內(nèi),,大部分在0.4~0.6mm之間。它們有較高的機(jī)械強(qiáng)度(堅牢性),,化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定,,在正常情況下有較長的使用壽命。
離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學(xué)活性基團(tuán),,它即是交換官能團(tuán),,在水溶液中能離解出某些陽離子(如h 或na )或陰離子(如oh-或cl-),同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子,。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換,,從而將溶液中的離子分離出來。
樹脂中化學(xué)活性基團(tuán)的種類決定了樹脂的主要性質(zhì)和類別,。首先區(qū)分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩大類,,它們可分別與溶液中的陽離子和陰離子進(jìn)行離子交換。陽離子樹脂又分為強(qiáng)酸性和弱酸性兩類,,陰離子樹脂又分為強(qiáng)堿性和弱堿性兩類 (或再分出中強(qiáng)酸和中強(qiáng)堿性類),。
離子交換樹脂根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂,及根據(jù)樹脂的物理結(jié)構(gòu)分為凝膠型和大孔型,。
離子交換樹脂的品種很多,,因化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同而具有不同的功能和特性,適應(yīng)于不同的用途,。應(yīng)用樹脂要根據(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)念愋秃推贩N,。
編輯本段基體組成
離子交換樹脂的基體(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),,形成具有長分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨架結(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)揮兩者的長處。

陽離子交換樹脂
樹脂的交聯(lián)度,,即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù),,對樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常,,交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密,,堅牢而耐用,密度較高,,內(nèi)部空隙較少,,對離子的選擇性較強(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
凝膠型樹脂的高分子骨架,在干燥的情況下內(nèi)部沒有毛細(xì)孔,。它在吸水時潤脹,,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
大孔型樹脂是在聚合反應(yīng)時加入致孔劑,,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),,潤濕樹脂的孔徑達(dá)100~500nm,其大小和數(shù)量都可以在制造時控制,??椎赖谋砻娣e可以增大到超過1000m2/g。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,通過分子間的范德華引力(van de waal's 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,。使用時的作用快、效率高,,所需處理時間縮短,。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)離子為一價時,毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對二價或多價離子,,前者為后者乘離子價數(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%(對再生樹脂而言),,后一比率亦稱為樹脂的利用率,。
在實際使用中,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?,F(xiàn)仍未能分別進(jìn)行計算,在具體設(shè)計中,,需憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,并在實際運(yùn)行時復(fù)核之,。
離子樹脂交換容量的測定一般以無機(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),。而在實際應(yīng)用時,,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,,因而實際的交換容量會低于用無機(jī)離子測出的數(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)顆粒對液體通過的阻力較大,,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,,會明顯增大流體通過的阻力,,降低流量和生產(chǎn)能力,。
樹脂顆粒大小的測定通常用濕篩法,,將樹脂在充分吸水膨脹后進(jìn)行篩分,,累計其在20、30,、40,、50……目篩網(wǎng)上的留存量,,以90%粒子可以通過其相對應(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,。它是在測定樹脂的“有效粒徑”坐標(biāo)圖上取累計留存量為40%粒子,,相對應(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%,,則計算得均勻系數(shù)為2.0,。
樹脂的密度
樹脂在干燥時的密度稱為真密度。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,。例如,苯乙烯系凝膠型強(qiáng)酸陽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離子樹脂的真密度為1.19g/ml,視密度為0.75g/ml,。
(3) 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),會在工作運(yùn)行時溶解出來,。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,如陽離子樹脂由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)計離子交換裝置時,,必須考慮樹脂的膨脹度,,以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化,。
耐用性
樹脂顆粒使用時有轉(zhuǎn)移、磨擦,、膨脹和收縮等變化,,*使用后會有少量損耗和破碎,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 ,。
編輯本段注意事項
1、離子交換樹脂含有一定水份,不宜露天存放,,儲運(yùn)過程中應(yīng)保持濕潤,,以免風(fēng)干脫水,使樹脂破碎,,如貯存過程中樹脂脫水了,,應(yīng)先用濃食鹽水(10%)浸泡,再逐漸稀釋,,不得直接放入水中,,以免樹脂急劇膨脹而破碎。
2,、 冬季儲運(yùn)使用中,,應(yīng)保持在5-40℃的溫度環(huán)境中,避免過冷或過熱,,影響質(zhì)量,,若冬季沒有保溫設(shè)備時,,可將樹脂貯存在食鹽水中,食鹽水濃度可根據(jù)氣溫而定,。
3、 離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中,,常含有少量低聚合物和未參加反應(yīng)的單體,,還含有鐵,、鉛、銅等無機(jī)雜質(zhì),當(dāng)樹脂與水,、酸,、堿或其它溶液接觸時,,上述物質(zhì)就會轉(zhuǎn)入溶液中,影響出水質(zhì)量,,因此,新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理,,一般先用水使樹脂充分膨脹,,然后,對其中的無機(jī)雜質(zhì)(主要是鐵的化合物)可用4-5%的稀鹽酸除去,,有機(jī)雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去,洗到近中性即可,。如在醫(yī)藥制備中使用,,須用乙醇浸泡處理,。
4,、 樹脂在使用中,,防止與金屬(如鐵、銅等)油污,、有機(jī)分子微生物,、強(qiáng)氧化劑等接觸,免使離子交換能力降低,,甚至失去功能,,因此,須根據(jù)情況對樹脂進(jìn)行不定期的活化處理,,活化方法可根據(jù)污染情況和條件而定,,一般陽樹脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡,然后逐步稀釋,,陰樹脂易受有機(jī)物污染,,可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗,必要時可用1%雙氧水溶液泡數(shù)分鐘,,其它,,也可采用酸堿交替處理法,漂白處理法,,酒精處理及各種滅菌法等等,。
5、 新樹脂的預(yù)處理:離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中,,常含有少量低聚物和未參加反應(yīng)的單體,,還含有鐵、鉛,、銅等無機(jī)雜質(zhì),。當(dāng)樹脂與水、酸,、堿或其它溶液接觸時,,上述物質(zhì)就會轉(zhuǎn)入溶液中,,影響出水質(zhì)量。因此,,新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理,。一般先用水使樹脂膨脹,然后,,對其中的無機(jī)雜質(zhì)(主要是鐵的化合物)可用4-5%的稀鹽酸除去,,有機(jī)雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去洗到近中性即可。
編輯本段型號規(guī)格
001×1 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽
離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥0.4 (美)Amberlite IR-116
(美)Dowex 50×1 抗菌素提煉,,醫(yī)藥化工等,。
001×2 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥0.6 (美)Dowex 5×2 抗菌素提煉,醫(yī)藥化工等,。
001×3 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥1.0 (日)Diaion SK-103 抗菌素提煉,,醫(yī)藥化工等。
001×4 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥1.3 (美)Amberlite IR-118 高純水制備及抗菌素提煉等,。
001×7 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥1.8 (美)Amberlite IR-120
(美)Dowex 50
(俄)KY-2
(日)Diaion SK-IA 硬水軟化,,純水制備,濕法冶金,,稀有元素分離,。
002×7 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.4
(b)≥1.8 - 大粒度,適于高流速水處理,。
003×7 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥1.8 - 均勻粒度,,適于氨基酸及稀有元素分離等。
004×7 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.3
(b)≥1.6 - 硬水軟化,,純水制備等,。
001×8 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥2.0 (美)Amberlite IR-120
(美)Dowex 50
(俄)KY2-8
(日)Diaion SK-IB 硬水軟化,純水制備,,濕法冶金,,稀有元素分離。
001×7
×7 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.5
(b)≥2.0 - 水處理,。
001×
14.5 強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥3.8
(b)≥2.0 (美)Amberlite ER-124 醫(yī)藥工業(yè),,抗菌素提煉。
D072 大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.2
(b)≥1.4 (美)Amberlyst-15
(日)Diaion HPK-16 有機(jī)反應(yīng)催化,,高速混床水處理等,。
D061 大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.2
(b)≥1.4 - 食品工業(yè),氨基酸提煉,,有機(jī)反應(yīng)催化,,水處理等。
D001-
CC 大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.1
(b)≥1.6 - 有機(jī)反應(yīng)催化,,生物提煉氨基酸提煉等,。
NKC-9 大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.7
(b)≥1.5 (美)Amberlyst 15 有機(jī)反應(yīng)催化。
D001SS 大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂 (a)≥4.2
(b)≥2.0 - 制糖工業(yè)糖汁脫鈣,,膨脹率小,。
+全交換量:(a) 毫摩爾/克(干) (b) 毫摩爾/毫升(濕)
*樹脂結(jié)構(gòu):Styrene-DVB
**功能基:-SO3-