阳离子交换树脂

ion exchange resins

一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，加热不熔，也不溶解于任何介质，能同溶液里的离子起交换反应。离子交换反应与无机化学的置换或复分解反应类似，如硫酸钠与硝酸钡的化学反应：所差异的只是，无机化学的复分解反应一般是均相反应，而在离子交换树脂上进行的反应是非均相反应。
最主要的离子交换反应有：

① 阳离子交换树脂的交换反应：R为高分子强酸基，如结构式a、b。

② 阴离子交换树脂的交换反应：R为高分子强碱基，如结构式c。

简史：离子交换树脂开始出现于1935年，当时，英国人B.A.亚当斯和E.L.霍姆斯发现，苯酚磺酸－甲醛逐步聚合物能够交换阳离子,其后,又发现间苯二胺与甲醛的聚合物具有交换阴离子的性能。1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和化学品公司先后开始工业生产，并分别以Wofatit和Amberlite作为商品名。1944年美国人G.F.达莱利奥合成了苯乙烯系离子交换树脂。第二次世界大战期间，在德国,Wofatit除用于水的精制外，还从人造丝工厂废液中回收铜氨，从照像废液中回收银。在这期间，美国将离子交换树脂用于从贫铀矿中提取铀及用于核裂变生成物、超铀元素、稀土元素的分离。战后，离子交换树脂的合成和应用进一步得到发展，在水纯化领域中，采用混合床脱盐法，制得了电阻率为1800万欧·厘米的高纯水。50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了电化学的新领域。60年代初期,为适应尖端科学的发展，又研制出耐压、耐磨、高交换速度、能交换或吸着高分子量化合物(如水里的腐植酸)的大孔离子交换树脂。在选择分离稀有金属、贵重金属，环境保护，医药，仿生高分子，选择性膜，金属络合催化等方面都有了广泛的应用。70年代以后，又出现了各种大孔吸附树脂及特种树脂。

分类：离子交换树脂根据外观形状及物理性质（孔度、孔度分布、比表面、孔径等）分为凝胶、大孔和离子交换膜等。根据用途有选择交换用、脱色用、吸着用、电子交换（氧化还原）用等。根据母体的化学结构可分为苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛类系列等。根据离子交换树脂中活性基团的性质可分为：强酸性的、中等酸性的、弱酸性的;强碱性的、中等碱性的、弱碱性的;氧化还原性的。含有酸性基团的离子交换树脂，能同溶液里的阳离子起交换反应，称为阳离子交换树脂；含有碱性基团的离子交换树脂，能交换溶液里的阴离子，称为阴离子交换树脂；含氧化还原基团的离子交换树脂，能与溶液里的还原剂或氧化剂起反应，称为电子交换树脂；同时含酸性和碱性基团的称为两性树脂，因为它在溶液里能与碱或酸作用。若树脂与溶液里的高价阳离子作用后，能形成钳环形的络合物，则称为螯合树脂。

性质：离子交换树脂商品一般是制成直径为 0.4～0.6毫米的球状颗粒；在水中能溶胀,但不溶于任何溶剂，加热不熔。

①强酸性树脂　它的酸性接近硫酸，能与盐发生复分解作用，在任何pH的溶液里都能使用。

②中等酸性树脂　这类树脂的酸性接近磷酸，能与高价金属盐发生不同程度的交换作用。

③弱酸性树脂　这类树脂的化学性质与乙酸相似，酸性比较弱，不易与盐类起交换作用；但在碱性溶液里，能与多价金属离子发生复分解作用，对二价金属离子如铜、钴、镍、锌、汞等有较高的结合力。在使用时，要考虑它的盐型能起水解作用。最高使用温度在 120℃左右，容易为强酸再生。

④强碱性树脂(含季铵碱基)　这类树脂的碱性相当于苛性碱，能除去水溶液里很弱的酸如硼酸、硅酸、碳酸、低分子量的有机酸等。这类树脂的羟基与氮原子结合能力很弱，故易与金属盐起复分解作用，形成碱性很强的溶液。羟型树脂对热不稳定,若为强碱Ⅰ型树脂(见结构式a),使用温度不能超过60℃;若为Ⅱ型树脂(b),不能超过40℃。因此，这类树脂不使用时，一般以氯型保存，不能以羟型保存。强碱性树脂可以在任何pH溶液里进行交换。