18．離子交換樹脂包括那些類型，在化學(xué)成分分離方面有何特點(diǎn)

【專家解說】：一、離子交換樹脂基礎(chǔ)介紹 離子交換樹脂的全名稱由分類名稱、骨架（或基因）名稱、基本名稱組成。孔隙結(jié)構(gòu)分凝膠型和大孔型兩種，凡具有物理孔結(jié)構(gòu)的稱大孔型樹脂，在全名稱前加“大孔”。分類屬酸性的應(yīng)在名稱前加“陽”，分類屬堿性的，在名稱前加“陰”。如：大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂。 離子交換樹脂還可以根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂。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)。 離子交換樹脂的命名方式： 離子交換產(chǎn)品的型號以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成，第一位數(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)字為順序號用以區(qū)別基因、交聯(lián)劑等的差異。第一、第二位數(shù)字的意義，見表8-1。 表8-1 樹脂型號中的一、二位數(shù)字的意義 代號 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 大孔樹脂在型號前加“D”，凝膠型樹脂的交聯(lián)度值可在型號后用“×”號連接阿拉伯?dāng)?shù)字表示。如D011×7，表示大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，其交聯(lián)度為7。 離子交換樹脂在國內(nèi)外都有很多制造廠家和很多品種。國內(nèi)制造廠有數(shù)十家，主要的有上海樹脂有限公司、南開化工廠、晨光化工研究院樹脂廠、江蘇色可賽思樹脂有限公司、等；國外較著名的如美國Rohm & Hass公司生產(chǎn)的Amberlite系列、Success公司生產(chǎn)Ionresin系列、Dow化學(xué)公司的Dowex系列、法國Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列，還有Ionac系列、Allassion系列等。樹脂的牌號多數(shù)由各制造廠或所在國自行規(guī)定。國外一些產(chǎn)品用字母C代表陽離子樹脂(C為cation的第一個(gè)字母)，A代表陰離子樹脂(A為Anion的第一個(gè)字母)，如Amberlite的IRC和IRA分別為陽樹脂和陰樹脂，亦分別代表陽樹脂和陰樹脂。我國化工部規(guī)定(HG2-884-76)，離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成。第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類：0 代表強(qiáng)酸性，1代表弱酸性，2代表強(qiáng)堿性，3代表弱堿性，4代表螯合性，5代表兩性，6代表氧化還原。第二位數(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu)：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表環(huán)氧系等。第三位數(shù)字為順序號，用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異。 此外大孔型樹脂在數(shù)字前加字母D。因此，D001是大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系樹脂。 二、離子交換樹脂的基本類型 (1) 強(qiáng)酸性陽離子樹脂 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)合溶液中的其他陽離子。這兩個(gè)反應(yīng)使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。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)原來狀態(tài)，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結(jié)合而恢復(fù)原來的組成。 (2) 弱酸性陽離子樹脂 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離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陽離子交換作用。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)。 (3) 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。 (4) 弱堿性陰離子樹脂 這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基(亦稱一級胺基)-NH2、仲胺基(二級胺基)-NHR、或叔胺基(三級胺基)-NR2，它們在水中能離解出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。 (5) 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+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應(yīng)時(shí)沒有放出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?，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。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3－)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。 三、離子交換樹脂基體的組成 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(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。