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吸附分离材料及其应用 1 引言 物理分离法 气体扩散法离心分离法电磁分离法过滤分离法热扩散法 化学分离法 沉淀与共沉淀法溶剂萃取法电化学分离法吸附分离法色层分离法蒸馏法膜分离法区域熔融法 2 教学计划 第一节离子交换树脂6学时第二节吸附树脂6学时第三节特殊树脂3学时第四节树脂分离工艺具体实例3学时 3 本课程学习目的 要求 1 掌握离子交换树脂的组成 分类 命名 性能及其应用范围和使用方法 2 掌握吸附树脂的特性 分类 用途 使用方法和树脂的筛选方法 3 了解螯合树脂 离子交换纤维等特殊树脂的组成和适用范围 4 参考文献 何炳林 黄文强主编 离子交换与吸附树脂 上海科技教育出版社 1995年出版 钱庭宝 刘维琳 李金和主编 吸附树脂及其应用 化学工业出版社 1990年出版 钱庭宝 离子交换剂应用技术 天津科学技术出版社 1984年 王方编译 离子交换应用技术 北京科学技术出版社 1990年 5 第一节离子交换树脂 6 内容 1 离子交换树脂的组成2 离子交换树脂的基体3 离子交换树脂的类型4 离子交换树脂的物理结构5 离子交换树脂的命名6 离子树脂交换容量7 离子树脂交换动力学8 离子交换树脂的吸附选择性 7 内容 9 离子交换树脂的物理性质10 离子树脂的转型11 离子交换树脂的预处理12 离子交换树脂的再生13 离子交换树脂贮存 运输应注意的事项14 树脂的污染 中毒与活化15 离子交换树脂的制备方法16 离子交换树脂的应用 8 1 离子交换树脂的组成 离子交换树脂是一种合成的有机离子交换剂 可与溶液中的离子发生交换作用 离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物 其结构由三部分组成 不溶性的三维空间网状骨架连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子 9 例如 强酸型阳离子交换树脂 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 10 强酸型阳离子交换树脂分子结构 可以认为阳离子交换树脂相当于高分子多元酸 11 离子交换树脂不溶于水和一般溶剂 大多数制成颗粒状 也有一些制成纤维状或粉状 树脂颗粒的尺寸一般在0 3 1 2mm范围内 大部分在0 4 0 6mm之间 它们有较高的机械强度 坚牢性 化学性质也很稳定 在正常情况下有较长的使用寿命 12 2 离子交换树脂的基体 离子交换树脂都是用有机合成方法制成 制造原料 主要有苯乙烯和丙烯酸 酯 两大类 它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应 形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物 13 除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外 离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成 如酚醛系 FP 环氧系 EPA 乙烯吡啶系 VP 脲醛系 UA 等 常用的原料为苯乙烯或丙烯酸 酯 通过聚合反应生成具有三维空间立体网络结构的骨架 再在骨架上导入不同类型的化学活性基团 通常为酸性或碱性基团 而制成 14 3 离子交换树脂的类型 按交换基团的性质分类强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 15 3 1强酸性阳离子交换树脂 含有磺酸基 SO3H 其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换 其结构式可简单表示为R SO3H 式中R代表树脂母体 其交换原理为2R SO3H Ca2 R SO3 2Ca 2H 2R SO3H Mg2 R SO3 2Mg 2H 这也是硬水软化的原理 16 3 2弱酸性阳离子树脂 含弱酸性基团如 羧基 COOH能在水中离解出H 而呈酸性 树脂离解后余下的负电基团 如R COO R为碳氢基团 能与溶液中的其他阳离子吸附结合 从而产生阳离子交换作用 RCOOH RCOO H 17 3 2弱酸性阳离子树脂 这种树脂的酸性即离解性较弱 在低pH下难以离解和进行离子交换 只能在碱性 中性或微酸性溶液中 如pH5 14 起作用 18 3 3强碱性阴离子树脂 含有强碱性基团如 季胺基 亦称四级胺基 NR3OH能在水中离解出OH 而呈强碱性 这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合 从而产生阴离子交换作用 这种树脂的离解性很强 在不同pH下都能正常工作 19 3 4弱碱性阴离子树脂 含有弱碱性基团如 伯胺基 亦称一级胺基 NH2仲胺基 二级胺基 NHR叔胺基 三级胺基 NR2它们在水中能离解出OH 而呈弱碱性 20 3 4弱碱性阴离子树脂 这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合 从而产生阴离子交换作用 这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附 它只能在中性或酸性条件 如pH1 9 下工作 21 4 离子交换树脂的物理结构 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 不同物理结构离子交换树脂的模型 22 4 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 23 凝胶型阳离子交换树脂的实物图 24 4 1凝胶型离子交换树脂 均相凝胶结构 25 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图 26 4 1凝胶型离子交换树脂 大分子链之间的间隙约为2 4nm 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 27 4 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 28 29 4 2大孔型离子交换树脂 非均相凝胶结构 30 4 2大孔型离子交换树脂 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 31 4 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 32 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 33 5 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 34 5 离子交换树脂的命名 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 35 5 离子交换树脂的命名 对凝胶型离子交换树脂 往往在型号后面用 和一个阿拉伯数据相连 以表示树脂的交联度 质量百分数 对大孔型树脂 则在型号前冠以字母 D 36 37 5 离子交换树脂的命名 例如 001 10 强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂 交联度为10 201 7 强碱型苯乙烯系阴离子交换树脂 交联度为7 D301 大孔弱碱型苯乙烯系阴离子交换树脂D412 大孔螯合型丙烯酸系离子交换树脂 38 树脂商品名 上海树脂厂的732树脂 相当于命名规定中的001 7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 7树脂等等 39 6 离子交换容量 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毫克当量数 单位 meq g 干 或meq mL 湿 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 因为树脂上的离子集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 40 6 离子交换容量 根据测定方法不同 总交换量解盐交换量表观交换量工作交换量 41 6 1总交换容量 表示每单位数量 重量或体积 树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量 对于强酸和强碱树脂 其总交换量一般与元素分析所测得的功能基的数量相当 42 6 2解盐交换量 反映离子交换树脂酸碱性强弱的标志 如H 型的强酸树脂和OH 型的强碱树脂各自能将中性的氯化钠水溶液分解转化为HCl型的酸性溶液和NaOH型的碱性溶液 这也是测定强酸性和强碱性离子交换树脂交换量的方法之一 43 6 2解盐交换量 44 6 3表观交换量 指在某实验条件下所表现出来的离子交换量 若功能基未完全电离 或树脂孔径太小 离子不易扩散进行交换时会伴有吸附作用发生时 其表观交换量往往会大于总交换量 45 6 4工作交换容量 仅指树脂在某一定条件下的离子交换能力 它与树脂种类和总交换容量 以及具体工作条件如溶液的组成 流速 温度等因素有关 有时也叫实用交换量 这种交换量一般都低于总交换量 46 6 5交换容量的测定 显然交换容量的大小取决于网状结构内所含活性基团的数目 交换容量可通过实验测得 47 强酸性阳离子交换树脂交换容量的测定 称取于树脂1克