吸附分离高分子材料课件.ppt

第二章 吸附分离功能高分子材料,2.1 概述2.1.1 吸附及吸附分离功能高分子的概念1、吸附及吸附分离 吸附？吸附的分类（按吸附机理分类）化学吸附 物理吸附 亲和吸附,2、高分子吸附剂的概念,是一种具有物质传递功能的高分子材料利用高分子材料与被吸附物质之间的物理或者化学作用，使两者发生暂时或者永久性结合，进而发生各种功效物理或者化学作用包括物理吸附，范德华力，静电力，配位键及离子键的形成,吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材料。但由于高分子分离膜在材料形式、分离原理和应用领域有其特殊性，因此将在后面的章中详细介绍。,3、吸附分离功能高分子分类（1）按其吸附机理可分为化学吸附、物理吸附和亲和吸附高分子三大类；（2）按其形态可分为无定形、珠状、纤维状；按其孔结构的不同，可分为微孔型（凝胶型）、中孔型、大孔型、特大孔型等。,（3）按来源分类 天然来源的吸附分离性能高分子改性淀粉，纤维素，壳聚糖（Modified starch，cellulose,chitosan）合成的吸附性高分子离子交换树脂（聚苯乙烯骨架）ion exchange resin高分子螯合剂（骨架含O，N，P，S，可与金属形成配位键）polymeric chelator高吸水树脂（骨架上含亲水基团，如-OH，-COOH，COOM，-NH2等）Super water-absorbent resin,（4）按组成分,无机分子筛、硅胶、活性炭有机,比较而言，有机高分子吸附剂有什么优势？,（5）按性质分类,1、基本元素组成的影响,2.1.2 影响吸附分离功能的因素,1、内因,2、官能团结构的影响,3、高分子链结构和超分子结构,4、吸附高分子的宏观结构,溶解、溶胀影响吸附量和选择性,孔径分布、孔隙率、比表面积,1、温度,2、影响吸附分离功能的外部因素,2、周围介质,竞争吸附作用,3、pH,稀释分散作用和盐析作用,3、其他影响因素（动力学因素）,粘度、流动速度和扩散系数等,2.1.3 吸附分离功能高分子的合成 为了保证吸附树脂在使用时不被溶解，其骨架结构通常需有一定程度的交联，常常是由单乙烯基单体和多乙烯基交联单体共聚而成的交联结构，可以有无定形、珠状和纤维状三种基本形态，其中珠状材料应用最为广泛。,成珠技术:悬浮聚合 501500m 沉淀聚合 微米级 乳液聚合 0.050.7m 其中以悬浮聚合的应用最为广泛。,悬浮聚合所得的交联聚合物小球为凝胶型，凝胶型交联小球在干态时孔隙非常小，只有在添加良溶剂后才会重构一定的孔隙。因此，凝胶型交联小球常常必须在良溶剂中使用。如果在聚合反应过程中加入致孔剂，则可得到大孔型交联小球，其多孔结构是永久的，在气相和不良溶剂中也可使用，并且大孔型交联小球比凝胶型交联小球吸附能力更强，在进行化学改性时，更容易获得高的功能基引入率。,1、骨架结构的合成（成球和致孔）,引入不同官能团调节极性Polarity调整交联度(Cross-linking degree)改善溶胀性(swelling capacity)调节制备工艺以制备多规格多孔材料(Pore size and density),2、致孔技术（1）惰性稀释剂致孔（2）线形高分子致孔（3）后交联成孔（4）无机纳米微粒成孔,2.2.1 吸附树脂的结构与特点,特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。,2.2 非离子型吸附树脂（吸附树脂）,吸附树脂的外观一般为直径为0.31.0 mm的小圆球，表面光滑，根据品种和性能的不同可为乳白色、浅黄色或深褐色。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响很大。粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难，并且容易流失。粒径均一的吸附树脂在生产中尚难以做到，故目前吸附树脂一般具有较宽的粒径分布。,吸附树脂手感坚硬，有较高的强度。密度略大于水，在有机溶剂中有一定溶胀性。但干燥后重新收缩。而且往往溶胀越大时，干燥后收缩越厉害。使用中为了避免吸附树脂过度溶胀，常采用对吸附树脂溶胀性较小的乙醇、甲醇等进行置换，再过渡到水。吸附树脂必须在含水的条件下保存，以免树脂收缩而使孔径变小。因此吸附树脂一般都是含水出售的。,吸附树脂内部结构很复杂。从扫描电子显微镜下可观察到，树脂内部像一堆葡萄微球，葡萄珠的大小约在0.060.5m范围内，葡萄珠之间存在许多空隙，这实际上就是树脂的孔。研究表明葡萄球内部还有许多微孔。葡萄珠之间的相互粘连则形成宏观上球型的树脂。正是这种多孔结构赋予树脂优良的吸附性能，因此是吸附树脂制备和性能研究中的关键技术。,2.2.2 吸附树脂的分类 吸附树脂有许多品种，吸附能力和所吸附物质的种类也有区别。但其共同之处是具有多孔性，并具有较大的表面积。吸附树脂目前尚无统一的分类方法，通常按其化学结构分为以下几类。（1）非极性吸附树脂 指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正负电荷相对集中的极性基团的树脂。代表性产品为由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。,苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。,（2）中极性吸附树脂 这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树脂具有一定的极性。甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。（3）极性吸附树脂 分子结构中含有酰胺基、亚砜基、腈基等极性基团，这些基团的极性大于酯基。通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。（4）强极性吸附树脂 强极性吸附树脂含有极性很强的基团，如吡啶、氨基等。,2.2.3 吸附树脂的制备合成,次甲基丁二酸,2.2.4 大孔吸附树脂的吸附机理与解吸,非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律：非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂兼有以上两种能力,(1)吸附树脂的吸附机理,(2)常用的解吸方法,低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质酸解吸附原理同上水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸附量,2.2.5 吸附树脂的应用（1）有机物的分离 由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。（2）在医疗卫生中的应用 吸附树脂可作为血液的清洗剂。这方面的应用研究正在开展，已有抢救安眠药中毒病人的成功例子。,（3）药物的分离提取 在红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附树脂提取法。由于吸附树脂不受溶液pH值的影响，不必调整抗菌素发酵液的pH值，因此不会造成酸、碱对发酵液活性的破坏。用吸附树脂对中草药中有效成分的提取研究工作正在开展，在人参皂甙、绞股兰、甜叶菊等的提取中已取得卓著的成绩。,（4）在制酒工业中的应用 酒中的高级脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因此当制备低度白酒时，需向高度酒中加水稀释。随着高级脂肪酸脂类溶解度的降低，容易析出而呈浑浊现象，影响酒的外观。吸附树脂可选择性地吸附酒中分子较大或极性较强的物质，较小或极性软弱的分子不被吸附而存留。如棕榈酸乙酯、油酸乙酯和亚油酸乙酯等分子较大的物质被吸附，而已酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等相对分子质量较小的香味物质不被吸附而存留，达到分离、纯化的目的。,2.3 离子交换树脂和吸附树脂的结构2.3.1 离子交换树脂的结构 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料，其外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2mm。一些特殊用途的离子交换树脂的粒径可能大于或小于这一范围。,图21 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图,从图中可见，树脂由三部分组成：三维空间结构的网络骨架；骨架上连接的可离子化的功能基团；功能基团上吸附的可交换的离子。强酸型阳离子交换树脂的功能基团是SO3-H+，它可解离出H+，而H+可与周围的外来离子互相交换。功能基团是固定在网络骨架上的，不能自由移动。由它解离出的离子却能自由移动，并与周围的其他离子互相交换。这种能自由移动的离子称为可交换离子。,通过改变浓度差、利用亲和力差别等，使可交换离子与其他同类型离子进行反复的交换，达到浓缩、分离、提纯、净化等目的。通常，将能解离出阳离子、并能与外来阳离子进行交换的树脂称作阳离子交换树脂；而将能解离出阴离子、并能与外来阴离子进行交换的树脂称作阴离子交换树脂。从无机化学的角度看，可以认为阳离子交换树脂相当于高分子多元酸，阴离子交换树脂相当于高分子多元碱。应当指出，离子交换树脂除了离子交换功能外，还具有吸附等其他功能，这与无机酸碱是截然不同的。,2.3.2 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。（1）按交换基团的性质分类 按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。,阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和弱酸型三种。如RSO3H为强酸型，RPO(OH)2为中酸型，RCOOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种。如R3NCl为强碱型，RNH2、RNRH和，RNR”2为弱碱型。,（2）按树脂的物理结构分类 按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和载体型三类。图32是这些树脂结构的示意图。,图32 不同物理结构离子交换树脂的模型,1）凝胶型离子交换树脂 凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。大分子链之间的间隙约为24nm。一般无机小分子的半径在1nm以下，因此可自由地通过离子交换树脂内大分子链的间隙。在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。,2）大孔型离子交换树脂 针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树脂。大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米，因此其吸附功能十分显著。,3）载体型离子交换树脂 载体型离子交换树脂是一种特殊用途树脂，主要用作液相色谱的固定相。一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成。它可经受液相色谱中流动介质的高压，又具有离子交换功能。此外，为了特殊的需要，已研制成多种具有特殊功能的离子交换树脂。如螯合树脂、氧化还原树脂、两性树脂等。,2.3.3 离子交换树脂的命名 我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁布了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76离子交换树脂产品分类、命名及型号。这套标准中规定，离子交换树脂的全名由分类名称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。,离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属碱性的，在基本名称前加“阴”字。此外，为了区别离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必须加型号。,离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品分类；第二位数字代表骨架结构；第三位数字为顺序号，用于区别离子交换树脂树脂中基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面用“”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以字母“D”。,各类离子交换树脂的具体编号为：001099 强酸型阳离子交换树脂 100199 弱酸型阳离子交换树脂 200299 强碱型阴离子交换树脂 300399 弱碱型阴离子交换树脂 400499 螯合型离子交换树脂 500599 两性型离子交换树脂 600699 氧化还原型离子交换树脂,表33 离子交换树脂骨架分类编号,例如，D113树脂是水处理应用中用量很大的一种树脂。从命名规定可知，这是种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；而00110树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。我国有些生产厂在部颁标准制定前已开始生产离子交换树脂，它们自己有一套编号，已经为人们所熟悉和接受。因此，至今尚未改名。例如上海树脂厂的735树脂，相当于命名规定中的001树脂；724树脂相当于命名规定中的110树脂；717树脂相当于命名规定中的201树脂等等。,2.3.4 离子交换树脂的制备方法2.3.4.1 凝胶型离子交换树脂 凝胶型离子交换树脂的制备过程主要包括两大部分：合成一种三维网状结构的大分子和连接上离子交换基团。具体方法，可先合成网状结构大分子，然后使之溶胀，通过化学反应将交换基团连接到大分子上。也可先将交换基团连接到单体上，或直接采用带有交换基团的单体聚合成网状结构大分子的方法。,（1）强酸型阳离子交换树脂的制备 强酸型阳离子交换树脂绝大多数为聚苯乙烯系骨架，通常采用悬浮聚合法合成树脂，然后磺化接上交换基团。由上述反应获得的球状共聚物称为“白球”。将白球洗净干燥后，即可进行连接交换基团的磺化反应。,将干燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有机溶剂溶胀，然后用浓硫酸或氯磺酸等磺化。通常称磺化后的球状共聚物为“黄球”。,含有SO3H交换基团的离子交换树脂称为氢型阳离子交换树脂，其中H+为可自由活动的离子。由于它们的贮存稳定性不好，且有较强的腐蚀性，因此常将它们与NaOH反应而转化为Na型离子交换树脂。Na型树脂有较好的贮存稳定性。,强酸型阳离子交换树脂的制备实例：将1 g BPO溶于80 g苯乙烯与20 g二乙烯基苯（纯度50）的混合单体中。搅拌下加入含有5 g明胶的500 mL去离子水中，分散至所预计的粒度。从70逐步升温至95，反应810 h，得球状共聚物。过滤、水洗后于100120下烘干。即成“白球”。,将100 g干燥球状共聚物置于二氯乙烷中溶胀。加入500 g浓硫酸（98），于95100下加热磺化510 h。反应结束后，蒸去溶剂，过剩的硫酸用水慢慢洗去。然后用氢氧化钠处理，使之转换成Na型树脂，即得成品。这种树脂的交换容量约为5 mmol/g。,（2）弱酸型阳离子交换树脂的制备 弱酸型阳离子交换树脂大多为聚丙烯酸系骨架，因此可用带有功能基的单体直接聚合而成。,其中，COOH即为交换基团。,丙烯酸的水溶性较大，聚合不易进行，故常采用其酯类单体进行聚合后再进行水解的方法来制备。,弱酸型阳离子交换树脂的制备实例：将1 g BPO 溶于90 g 丙烯酸甲酯和10 g 二乙烯基苯的混合物中。搅拌下加入含有0.050.1聚乙烯醇的500 mL去离子水中，分散成所需的粒度。于60下保温反应510 h。反应结束后冷却至室温，过滤、水洗，于100下干燥。将经干燥的树脂置于2 L浓度为 l mol/L 的氢氧化钠乙醇溶液中，加热回流约10 h，然后冷却过滤，用水和稀盐酸洗涤，再用水洗涤数次，最后在100下干燥，即得成品。,（3）强碱型阴离子交换树脂的制备 强碱型阴离子交换树脂主要以季胺基作为离子交换基团，以聚苯乙烯作骨架。制备方法是：将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应。苯环可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，与氯甲醚氯甲基化。,所得的中间产品通常称为“氯球”。用氯球可十分容易地进行胺基化反应。,3,2,型与型季胺类强碱树脂的性质略有不同。型的碱性很强，对OH离子的亲合力小。当用NaOH再生时，效率很低，但其耐氧化性和热稳定性较好。型引入了带羟基的烷基，利用羟基吸电子的特性，降低了胺基的碱性，再生效率提高。但其耐氧化性和热稳定性相对较差。由于氯甲基化毒性很大，故树脂的生产过程中的劳动保护是一重大问题。,强碱型阴离子交换树脂制备实例：将1 g BPO 溶于85 g 苯乙烯与15 g 二乙烯基苯的混合单体中，在搅拌下加入含有0.050.1聚乙烯醇的500 mL去离子水中，分散成所需的粒度。在80下搅拌反应510 h，得球粒聚合物。过滤洗涤后，于100125下干燥。将所得聚合物在100 g二氯乙烷中加热溶胀，冷却后加入200 g 氯甲醚，50 g 无水ZnCl2，5055 下加热5 h。冷却后投入水中，分解过剩的氯甲醚，然后过滤、水洗，并于100下干燥。,取上述氯甲基化树脂100 g，加入500 mL 20二甲基乙醇胺水溶液中，在60下胺化4h。冷却后，过滤水洗数次，用稀盐酸洗涤一次，再用水洗涤数次，干燥后即得型强碱型阴离子交换树脂。若以三甲胺水溶液代替二甲基乙醇胺水溶液进行胺化，则可得型强碱型阴离子交换树脂。,（4）弱碱型阴离子交换树脂的制备 用氯球与伯胺、仲胺或叔胺类化合物进行胺化反应，可得弱碱离子交换树脂。但由于制备氯球过程的毒性较大，现在生产中已较少采用这种方法。利用羧酸类基团与胺类化合物进行酰胺化反应，可制得含酰胺基团的弱碱型阴离子交换树脂。例如将交联的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯或苯乙酮中溶胀，然后在130150下与多乙烯多胺反应，形成多胺树脂。再用甲醛或甲酸进行甲基化反应，可获得性能良好的叔胺树脂。,弱碱型阴离子交换树脂制备实例：将1 g BPO 溶于88 g 丙烯酸乙酯和12 g 二乙烯基苯（纯度55）的混合单体中，在搅拌下加入含有0.1聚乙烯醇的240 g去离子水中，分散成所需的粒度。加热至7580，搅拌聚合4 h，产物用水洗涤后，在110下干燥16 h。将上述l00 g球状树脂与300 g二乙撑三胺混合，在157182下反应5 h。冷却后用水充分洗涤、过滤、干燥，得到交换容量为6.4 mmol/g的弱碱型阴离子交换树脂。,2.3.4.2 大孔型离子交换树脂 大孔型离子交换树脂的特点是在树脂内部存在大量的毛细孔。无论树脂处于干态或湿态、收缩或溶胀时，这种毛细孔都不会消失。凝胶型离子交换树脂中的分子间隙为24nm，而大孔型树脂中的毛细孔直径可达几nm至几千nm。分子间隙为2nm的离子交换树脂的比表面积约为l m2/g，而20nm孔径的大孔型树脂的比表面积高达几千m2/g。若在大孔骨架上连接上交换功能基团，就成为大孔型离子交换树脂。,凝胶型离子交换树脂除了有在干态和非水系统中不能使用的缺点外，还存在一个严重的缺点，即使用中会产生“中毒”现象。所谓的中毒是指其在使用了一段时间后，会失去离子交换功能现象。研究表明，这是由于苯乙烯与二乙烯基苯的共聚特性造成的。,在共聚过程中，二乙烯基苯的自聚速率大于与苯乙烯共聚，因此在聚合初期，进入共聚物的二乙烯基苯单元比例较高，而聚合后期，二乙烯基苯单体已基本消耗完，反应主要为苯乙烯的自聚。结果，球状树脂内部的交联密度不同，外疏内密。在离子交换树脂使用中，体积较大的离子扩散进入树脂内部。而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子会卡在分子间隙中，不易与可移动离子发生交换，最终失去交换功能，造成树脂“中毒”现象。大孔型离子交换树脂不存在外疏内密的结构，从而克服了中毒现象。,大孔型树脂的制备方法与凝胶型离子交换树脂基本相同。重要的大孔型树脂仍以苯乙烯类为主。与离子交换树脂相比，制备中有两个最大的不同之处：一是二乙烯基苯含量大大增加，一般达85以上；二是在制备中加入致孔剂。致孔剂可分为两大类：一类为聚合物的良溶剂，又称溶胀剂；另一类为聚合物的不良溶剂，即单体的溶剂，聚合物的沉淀剂。,良溶剂如甲苯，共聚物的链节在甲苯中伸展。随交联程度提高，共聚物逐渐固化，聚合物和良溶剂开始出现相分离。聚合完成后，抽提去除溶剂，则在聚合物骨架上留下多孔结构。不良溶剂如脂肪醇，它们是单体的溶剂，聚合物的沉淀剂。共聚物分子随聚合的进行逐渐卷缩，形成细小的分子圆球，圆球之间通过分子链相互缠结。因此，这种大孔型树脂仿佛是由一簇葡萄状小球组成。一般来说，由不良溶剂致孔的大孔型树脂比良溶剂致孔的大孔型树脂有较大的孔径和较小的比表面积。,通过对两种致孔剂的选择和配合，可以获得各种规格的大孔型树脂。例如。将100己烷作致孔剂，产物的比表面积为90m2/g，孔径为43nm。而改为15甲苯和85己烷混合物作致孔剂，孔径降至13.5nm，而产物的比表面积提高到171m2/g。如果在上述树脂中连接上各种交换基团，就得到各种规格的大孔型离子交换树脂。,2.3.5 其它类型的离子交换树脂2.3.5.1 氧化还原树脂 氧化还原树脂也称电子交换树脂，指带有能与周围活性物质进行电子交换、发生氧化还原反应的一类树脂。在交换过程中，树脂失去电子，由原来的还原形式转变为氧化形式，而周围的物质被还原。典型例子如下：,氧化还原树脂的制备方法与其他离子交换树脂类似，可以将带有氧化还原基团的单体通过连锁聚合或逐步聚合制得，也可将一些单体先制成高分子骨架，然后通过高分子的基团反应，引入氧化还原基团来制取。当然也可通过天然高分子改性获得。重要的氧化还原树脂包括氢醌类、琉基类、吡啶类、二茂铁类、吩噻嗪类等多种类型。,（1）氢醌类 氢醌、萘醌、葸醌等都可通过与醛类化合物进行聚合而得到氧化还原树脂，也可通过本身带酚基的乙烯基化合物聚合得到氧化还原树脂。,（2）巯基类 巯基类氧化还原树脂一般是以苯乙烯-二乙烯基苯共聚物为骨架，通过化学反应引入琉基得到的。,（4）二茂铁类 二茂铁类化合物是良好的氧化还原剂。在乙烯基单体中引入二茂铁，再通过自由基聚合，即可得到氧化还原树脂。,2.3.5.2 两性树脂 将阴、阳两种离子交换树脂配合，可以除去溶液中的阴、阳离子，达到去盐的目的。但在再生时，也需要将两种树脂分别用酸、碱处理，手续较繁琐。为了克服这些缺点，研制了将阴、阳交换基团连接在同一树脂骨架上的两性树脂。,两性树脂中的两种功能基团是以共价键连接在树脂骨架上的，互相靠得较近，呈中和状态。但遇到溶液中的离子时，却能起交换作用。树脂使用后，只需大量的水淋洗即可再生，恢复到树脂原来的形式。两性树脂不仅可用于分离溶液中的盐类和有机物，还可作为缓冲剂，调节溶液的酸碱性。,现在，人们还开发了一种所谓“蛇笼树脂”。在这类树脂中，分别含有两种聚合物，一种带有阳离子交换基团，一种带有阴离子交换基团。其中一种聚合物是交联的，而另一种是线型的，恰似蛇被关在笼网中，不能漏出，故形象地称为“蛇笼树脂”。在蛇笼树脂中，可以是交联的阴离子树脂为笼，线型的阳离子树脂为蛇，也可以是交联的阳离子树脂为笼，线型的阴离子树脂为蛇。蛇笼树脂的特性与两性树脂类似，也可通过水洗而再生。,两性树脂通常是通过将分别带有阴、阳离子交换基团的两种单体共聚而制得的，而蛇笼树脂则是先将一种单体进行体型聚合，然后将此体型聚合物在某种溶剂中溶胀，再将另一种单体在此溶胀聚合物中进行聚合制得的，相当于一种半互穿网络体系。,2.3.5.3 热再生树脂 离子交换树脂的最大不足是需要用酸碱再生。为了克服这种缺点，已经发明了两性树脂。但普通的两性树脂再生时需用大量的水淋洗，仍觉不够方便。为此，澳大利亚的科学家发明了能用热水简单再生的热再生树脂。,热再生树脂实际上也是一种两性树脂，在同一树脂骨架中带有弱酸性和弱碱性离子交换基团。这种树脂在室温下能够吸附NaCl等盐类，而在7080下可以把盐重新脱附下来，从而达到脱盐和再生的目的。热再生树脂的工作原理如下：在室温下，树脂与盐溶液接触，反应向右进行，羧酸基中的H+转移到弱碱性的胺基上，形成铵盐。羧酸根离子起了阳离子交换基团的作用，弱碱性基团则与水中的Cl及羧酸基转移来的H+构成盐。,这种由弱酸和弱碱构成的盐的平衡对热十分敏感。当加热到80左右时，水的解离大约比在25时高30倍。大量生成的H+和OH离子抑制了树脂原来的解离，使树脂中交换基团构成的盐的水解，从而平衡向左移动，好像外加了酸或碱一样，达到了再生的目的。,热再生树脂的工作原理并不复杂，但对树脂及有关操作要求却是很严格的。树脂的骨架结构、交换基团种类、数量、分布情况、离子的亲和力、体系的pH值以及使用温度等，都是成败的关键。因此，目前制备的热再生树脂交换容量较小，仅0.10.3 mmol/g，有待于进步研究改善。,2.3.6 离子交换树脂和吸附树脂的功能 离子交换树脂最主要的功能是离子交换，此外，它还具有吸附、催化、脱水等功能。吸附树脂则以其巨大的表面积而具有优异的吸附性为其主要功能。2.3.6.1 离子交换功能 离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，它们可发生下列三种类型的离子交换反应。,中和反应：,复分解反应：,中性盐反应：,从上面的反应可见，所有的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可进行中和反应和复分解反应。仅由于交换功能基团的性质不同，交换能力有所不同。中性盐反应则仅在强酸型阳离子交换树脂和强碱型离子交换树脂的反应中发生。所有上述反应均是平衡可逆反应，这正是离子交换树脂可以再生的本质。只要控制溶液的pH值、离子浓度和温度等因素，就可使反应向逆向进行，达到再生的目的。,2.3.6.2 吸附功能 无论是凝胶型或大孔型离子交换树脂，还是吸附树脂相对来说，均具有很大的比表面积。根据表面化学的原理，表面具有吸附能力。原则上讲，任何物质均可被表面所吸附，随表面性质、表面力场的不同，吸附具有一定的选择性。,吸附功能不同于离子交换功能，吸附量的大小和吸附的选择性，决定于诸多因素，其中最主要决定于表面的极性和被吸附物质的极性。吸附是范德华力的作用，因此是可逆的，可用适当的溶剂或适当的温度使之解吸。图34是氢型强酸型阳离子交换树脂从水醇混合溶液中吸附不同种类醇的行为。由图可见，对烷基越大的醇，吸附性越好。这是由于树脂表面的非极性大分子与醇中烷基的亲和力不同所引起的。,图34 离子交换树脂对醇的吸附行为,离子交换树脂的吸附功能随树脂比表面积的增大而增大。因此，大孔型树脂的吸附能力远远大于凝胶型树脂。大孔型树脂不仅可以从极性溶剂中吸附弱极性或非极性的物质，而且可以从非极性溶剂中吸附弱极性的物质，也可对气体进行选择吸附。,2.3.6.3 脱水功能 强酸型阳离子交换树脂中的-SO3H基团是强极性基团，相当于浓硫酸，有很强的吸水性。干燥的强酸型阳离子交换树脂可用作有机溶剂的脱水剂。图3-5是以强酸型阳离子交换树脂作为脱水剂，对各种有机溶剂进行脱水的实验曲线。,图3-5 离子交换树脂对不同溶剂的脱水作用,2.3.6.4 催化功能 小分子酸和碱是许多有机化学反应和聚合反应的催化剂。离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，也可对许多化学反应起催化作用。与低分子酸碱相比，离子交换树脂催化剂具有易于分离、不腐蚀设备、不污染环境、产品纯度高、后处理简单等优点。如用强酸型阳离于交换树脂可作为酯化反应的催化剂。,利用大孔型树脂的强吸附功能，将易于分解失效的催化剂AlC13等吸附在微孔中。在反应过程中则逐步释放出来以提高催化剂的效率。这也归属于树脂的催化功能。除了上述几个功能外，离子交换树脂和大孔型吸附树脂还具有脱色、作载体等功能。,2.3.7 离子交换树脂的质量控制(物理化学性能指标)总的要能满足一些基本要求(耐溶剂、机械强度、交换容量、选择性和比表面积）（1）交换容量 离子交换树脂的交换容量是指单位质量或单位体积树脂可交换的离子基团的数量的能力。树脂的交换容量与其实际所含的离子基团的数量并不一定一致，因为树脂上的离子基团并不一定会全部进行离子交换，可交换的基团的比例依据测试条件不同而异。根据测定方法不同，有湿基全交换容量、全交换容量、工作交换容量（模拟实际应用条件测得的柱交换容量）等。,（2）强度 交换树脂的强度用磨后圆球率来考核。树脂验收标准规定磨后圆球率大于等于90为合格的指标。（3）溶出物 溶出物是指树脂中的低聚物以及残留反应物，通常是一些可溶性的有机物。在使用中，这些有机物会逐步溶出，影响水质并污染树脂。对于溶出物应力求在生产过程中得到处理，而不应只通过使用前预处理来减少。,（4）粒径 离子交换树脂的颗粒大小可用粒径表示。我国通用工业离子交换树脂的粒径范围为0.3151.2 mm。除了用粒径范围表示粒度外，还常用有效粒径和均一系数来描述离子交换树脂的粒径。有效粒径为保留90树脂样品（湿态）的筛孔孔径，以mm表示；均一系数为保留40树脂样品（湿态）的筛孔孔径与有效粒径之比值。均一系数为表示粒径均一程度的参数，其数值愈小，则表示颗粒大小愈均匀。,（5）树脂的含水量 离子交换树脂的应用绝大部分是在水溶液中进行的。水分子一方面可使树脂上的离子化基团和欲交换的化合物分子离子化，以便进行交换；另一方面水使树脂溶胀，使凝胶树脂或大孔树脂的凝胶部分产生凝胶孔，以便离子能以适当的速度在其中扩散。所以离子交换树脂必须具有良好的吸水性。但树脂在贮存过程的含水量不能太大，否则会降低其机械强度和体积交换容量。离子交换树脂的含水量一般为3080，随树脂的种类和用途而变。,（6）比表面积、孔容、孔度、孔径和孔径分布 比表面积主要指大孔树脂的内表面积。大孔树脂的比表面积常在11000m2/g之间。相比之下，树脂的外表面积是非常小的(约0.1m2/g)，且变化不大。孔容是指单位质量树脂的孔体积。孔度为树脂的孔容占树脂总体积的百分比。孔径是将树脂内孔穴近似看作圆柱形时的直径。,树脂的比表面积常采用低温氮吸附脱附等温线法（BET法）和压汞法测定。测量范围为11500 m2/g。压汞法同时还可测定孔容、平均孔径和孔径分布等参 数，使用较为方便。此外，孔容还可通过毛细管凝聚法、湿态树脂干燥法等测定；孔径分布还可通过X射线小角散射法、热孔计法、反相体积排阻色谱法等方法测定。,2.3.8 离子交换树脂的应用（1）水处理 水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。水处理是离子交换树脂最基本的用途之一。,（2）冶金工业 离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。离子交换树脂还可用于选矿。在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆中水的离子组成，使浮选剂更有利于吸附所需要的金属，提高浮选剂的选择性和选矿效率。,（3）原子能工业 离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。,（4）海洋资源利用 利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的。,（5）化学工业 离子交换树脂在化学实验、化工生产上已经和蒸馏、结晶、萃取和过滤一样，成为重要的单元操作，普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯，浓缩和回收等。离子交换树脂用作化学反应催化剂，可大大提高催化效率，简化后处理操作，避免设备的腐蚀。,离子交换树脂的功能基连接上作为试剂的基团后，可以当作有机合成的试剂，成为高分子试剂，用来制备许多新的化合物。这种方法具有控制及分离容易、副产物少、纯度高等特点。目前在有机化合物的酰化、过氧化、溴化二硫化物的还原、大环化合物的合成、肽链的增长、不对称碳化合物的合成、羟基的氧化等方面都已取得显著的效果。强酸型阳离子交换树脂能强烈吸水，可用作干燥剂，吸收有机溶剂或气体中的水分。,（6）食品工业 离子交换树脂在制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用。特别在酒类生产中，利用离子交换树脂改进水质、进行酒的脱色、去浑、去除酒中的酒石酸、水杨酸等杂质，提高酒的质量。酒类经过离子交换树脂的去铜、锰、铁等离子，可以增加贮存稳定性。经处理后的酒，香味纯，透明度好，稳定性可靠，是各种酒类生产中不可缺少的一项工艺步骤。,用离子交换树脂可调节乳品的组成，增加乳液的稳定性，延长存放时间。此外，用离子交换树脂来调节牛奶中钙的含量，除去乳品中离子性杂质，如锶(Sr)、碘(I2)等污染物，均是很成功的。在味精生产中，利用离子交换树脂对谷氨酸的选择性吸附，可除去产品中的杂质和对产品进行脱色。这一方法在国内亦已大规模地使用。,（7）医药卫生 离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱色、中和及中草药有效成分的提取等。离子交换树脂本身可作为药剂内服，具有解毒、缓泻、去酸等功效，可用于治疗胃溃疡、促进食欲、去除肠道放射物质等。对于外敷药剂，用离子交换树脂粉末可配制软膏、粉剂及婴儿护肤用品，用以吸除伤口毒物和作为解毒药剂。,将各种药物吸附在离子交换树脂上，可有效地控制药物释放速率，延长药效，减少服药次数。利用离子交换树脂吸水后体积迅速膨胀的特点，将其与药剂混合制成药片，服后可迅速胀大崩解，更快更好地发挥药物的作用。离子交换树脂还是医疗诊断、药物分析检定的重要药剂，如血液成分分析、胃液检定、药物成分分析等。具有检测速度快、干扰少等优点。,（8）环境保护 离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用于电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水，影片洗印废水、工业废气等的治理。例如影片洗印废水中的银是以Ag(SO3)23-等阴离子形式存在的，使用型强碱性离子交换树脂处理后，银的回收率可达90以上，既节约了大量的资金，又使废水达到了排放标准。,又如电镀废水中含有大量有毒的金属氰化物，如Fe(CN)63-，Fe(CN)64-等，用抗有机污染力强的聚丙烯酰胺系阴离子交换树脂处理后，可使金属氰化物的含量降至10ppm以下。,螯合树脂（chelate resins）：是一类能与金属离子形成多配位络和物的交联功能高分子材料。螯合树脂吸附金属离子的机理是树脂上的功能原子与金属离子发生配位反应，形成类似小分子螯合物的稳定结构，而离子交换树脂吸附的机理是静电作用。因此，与离子交换树脂相比，螯合树脂与金属离子的结合力更强，选择性也更高，可广泛应用于各种金属离子的回收分离、氨基酸的拆分以及湿法冶金、公害防治等方面。,2.4 螯合树脂2.4.1 螯合树脂的概念、结构特点和简单分类,成分结构 螯合树脂是能从含有金属离子的溶液中以离子键或配位键的形式，有选择地螯合特定的金属离子的高分子化合物。该树脂以交联聚合物（如苯乙烯二乙烯苯树脂）为骨架，连接以特殊功能基构成。它属于功能高分子。螯合树脂一般通过高分子化学反应制得，也可将含有配位基的单体经聚合反应或共聚反应成为在高分子主链或侧链中含有配位基的树脂。,分类 1、来源：天然与合成高分子螯合树脂。天然的包括纤维素、海藻酸以及甲壳素衍生物等。2、合成高分子螯合树脂分两类：螯合基团作为侧链接于高分子骨架；螯合基团处于高分子骨架主链上。螯合基团是一类含有多个配位原子的功能基团，最常见的配位原子都是有给电子性质的第VA到 第VIIA族元素，主要为O、N、S、P、As、Se等。,从结构上分类，螯合树脂可分为侧链型和主链型两类。从原料来分类，则可分为天然的（如纤维素、海藻酸盐、甲壳素、蚕丝、羊毛、蛋白质等）和人工合成的两类。螯合树脂分离金属离子的原理如下式所示。,式中，ch为功能基团，对某些金属离子有特定的络合能力，因此能将这些金属离子与其他金属离子分离开来。,3、根据配位原子,2.4.2 螯合树脂的制备 制备具有螯合功能高分子材料，需要分子上含有螯合基团，另一方面要保证螯合基团在高分子骨架上分布合理，以保证在螯合过程中对空间构型的要求。主要有两条合成路线：首先合成具有螯合基团的单体，再通过均聚、共聚、缩聚等方法实现高分子化；另一种是利用接枝等高分子化学反应将螯合基团引入天然或者合成高分子骨架构成高分子螯合树脂。,一、氧作为配位原子的典型螯合树脂1、含羟基螯合树脂,最常见的是聚乙烯醇：1）结构特点：能与Cu2+、Ni2+、Co3+、Co2+、Fe 3+、Mn2+、Ti3+、Zn2+等螯合。,结构特点：两个羰基之间有一个饱和碳，与金属离子配位易于形成六元