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 詳細介紹
樹脂
離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號離子進行交換。按交換基團性質的不同，離子交換樹脂可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩類。最主要的離子交換反應有：
①陽離子交換樹脂的交換反應：R-－H+＋Na+Cl-↔R-－Na+＋H+Cl-R為高分子強酸基，如結構式a、b。
②陰離子交換樹脂的交換反應：R+OH-＋Na+Cl-↔R+Cl-＋Na+OH-R為高分子強堿基，如結構式c。
按外觀形狀及物理性質（孔度及分布、比表面、孔徑等）分為凝膠、大孔和離子交換膜；按用途有選擇交換用、脫色用、吸著用、電子交換（氧化還原）用等；根據母體的化學結構可分為苯乙烯系列、丙烯酸系列、酚醛類系列等；根據離子交換樹脂中活性基團的性質可分為強酸性、中等酸性、弱酸性、強堿性、中等堿性、弱堿性和氧化還原性等。含酸性基團的離子交換樹脂，能同溶液里的陽離子起交換反應，稱陽離子交換樹脂；含堿性基團的則稱為陰離子交換樹脂。若同時含酸性和堿性基團的，稱為兩性樹脂；若樹脂與溶液里的高價陽離子作用后，能形成鉗環形的絡合物，則稱為螯合樹脂。
離子交換樹脂的主要應用為：①水處理，除去水中的鈣、鎂和鐵離子以使工業用水軟化及獲得電子、半導體、原子能工業用的無離子水。②分離、濃縮、提純和回收鈾、稀土元素、貴金屬及鉻、銅等。③醫學和醫藥上的回收、分離和提純。④作為有機合成中的固體酸堿催化劑。⑤食品及生物制品的脫色。⑥作化學試劑用于外消旋物拆分、固相合成。
一、基本類型
（1）強酸性陽離子樹脂 這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基－so3h，容易在溶液中離解出h+，故呈強酸性。樹脂離解后，本體所含的負電基團，如so3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的h+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或堿性溶液中均能離解和產生離子交換作用。 樹脂在使用一段時間后，要進行再生處理，即用化學藥品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與h+結合而恢復原來的組成。
（2）弱酸性陽離子樹脂
這類樹脂含弱酸性基團，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電基團，如r-coo－(r為碳氫基團)，能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。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行再生(比強酸性樹脂較易再生)。
（3）強堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有強堿性基團，如季胺基(亦稱四級胺基)－nr3oh(r為碳氫基團)，能在水中離解出oh－而呈強堿性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。
這種樹脂的離解性很強，在不同ph下都能正常工作。它用強堿(如naoh)進行再生。
（4）弱堿性陰離子樹脂
這類樹脂含有弱堿性基團，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能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。這種樹脂在多數情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如ph1～9)下工作。它可用na2co3、nh4oh進行再生。
（5） 離子樹脂的轉型
以上是樹脂的四種基本類型。在實際使用上，常將這些樹脂轉變為其他離子型式運行，以適應各種需要。例如常將強酸性陽離子樹脂與nacl作用，轉變為鈉型樹脂再使用。工作時鈉型樹脂放出na+與溶液中的ca2+、mg2+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應時沒有放出h+，可避免溶液ph下降和由此產生的副作用(如蔗糖轉化和設備腐蝕等)。這種樹脂以鈉型運行使用后，可用鹽水再生(不用強酸)。又如陰離子樹脂可轉變為氯型再使用，工作時放出cl－而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉變為碳酸氫型(hco3－)運行。強酸性樹脂及強堿性樹脂在轉變為鈉型和氯型后，就不再具有強酸性及強堿性，但它們仍然有這些樹脂的其他典型性能，如離解性強和工作的ph范圍寬廣等。
國外一些產品用字母c代表陽離子樹脂(c為cation的第一個字母)，a代表陰離子樹脂(a為anion的第一個字母)，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。
我國化工部規定(hg2-884-76)，離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯數字組成。第一位數字代表產品的分類：0 代表強酸性，1代表弱酸性，2代表強堿性，3代表弱堿性，4代表螯合性，5代表兩性，6代表氧化還原。第二位數字代表不同的骨架結構：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表環氧系等。第三位數字為順序號，用以區別基體、交聯基等的差異。 此外大孔型樹脂在數字前加字母d。因此，d001是大孔強酸性苯乙烯系樹脂。
二、新樹脂預處理
工業級的離子交換樹脂中，常含有少量低聚物和未參加聚合反應的單體等有機雜質和其他諸如鐵、鋁、銅等無機雜質。當樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時，上述可溶性雜質就會轉入溶液而影響水質，所以新樹脂在使用前要進行處理。樹脂經預處理轉成所需離子型能起到活化樹脂的作用。
1﹑樹脂裝柱后，以約10米/小時流速自下而上，使樹脂體積膨脹，（注：視交換器留有體積空間而定控制流速），除去懸浮雜質、機械雜質、細碎樹脂和氣泡，切勿將樹脂沖出柱外，以免損失，當上部流出水清澈、透明，樹脂層無氣泡即可結束。一般操作時間在30分鐘左右。
2﹑用食鹽水處理
用約2倍樹脂體積，10%的食鹽水溶液浸泡20小時以上，然后用清水漂凈。
3﹑稀鹽酸處理
用約2倍樹脂體積，2%—5%濃度的鹽酸溶液。浸泡4-8個小時后，再用水洗約至PH=6。
4﹑稀氫氧化鈉溶液處理
用約2倍樹脂體積，2%—5%濃度的氫氧化鈉溶液。浸泡4-8個小時后，再用水洗至中性。
注：陰樹脂先用酸溶液處理后用堿溶液處理，
陽樹脂先用堿溶液處理后用酸溶液處理。
三、再生
離子交換樹脂使用一段時間后，吸附的雜質接近飽和狀態，就要進行再生處理，用化學藥劑將樹脂所吸附的離子和其他雜質洗脫除去，使之恢復原來的組成和性能。在實際運用中，為降低再生費用，要適當控制再生劑用量，使樹脂的性能恢復到最經濟合理的再生水平，通常控制性能恢復程度為 70～80% 。如果要達到更高的再生水平，則再生劑量要大量增加，再生劑的利用率則下降。
樹脂的再生應當根據樹脂的種類、特性，以及運行的經濟性，選擇適當的再生藥劑和工作條件。
樹脂的再生特性與它的類型和結構有密切關系。強酸性和強堿性樹脂的再生比較困難，需用再生劑量比理論值高相當多；而弱酸性或弱堿性樹脂則較易再生，所用再生劑量只需稍多于理論值。此外，大孔型和交聯度低的樹脂較易再生，而凝膠型和交聯度高的樹脂則要較長的再生反應時間。
再生劑的種類應根據樹脂的離子類型來選用，并適當地選擇價格較低的酸、堿或鹽。例如：鈉型強酸性陽樹脂可用10%NaCl溶液再生，用藥量為其交換容量的2倍(用NaCl量為117g/l樹脂)；氫型強酸性樹脂用強酸再生，用硫酸時要防止被樹脂吸附的鈣與硫酸反應生成硫酸鈣沉淀物。為此，宜先通入1～2% 的稀硫酸再生。
氯型強堿性樹脂，主要以NaCl溶液來再生，但加入少量堿有助于將樹脂吸附的色素和有機物溶解洗出，故通常使用含10%NaCl+0.2%NaOH的堿鹽液再生，常規用量為每升樹脂用150～200gNaCl，及3～4gNaOH。OH型強堿陰樹脂則用4%NaOH溶液再生。
樹脂再生時的化學反應是樹脂原先的交換吸附的逆反應。按化學反應平衡原理，提高化學反應某一方物質的濃度，可促進反應向另一方進行，故提高再生液濃度可加速再生反應，并達到較高的再生水平。
為加速再生化學反應，通常先將再生液加熱至70～80℃。它通過樹脂的流速一般為1～2BV/h 。也可采用先快后慢的方法，以充分發揮再生劑的效能。再生時間約為一小時。隨后用軟水順流沖洗樹脂約一小時(水量約4BV) ，待洗水排清之后，再用水反洗，至洗出液無色、無混濁為止。
一些樹脂在再生和反洗之后，要調校pH值。因為再生液常含有堿，樹脂再生后即使經水洗，也常帶堿性。而一些脫色樹脂(特別是弱堿性樹脂)宜在微酸性下工作。此時可通入稀鹽酸，使樹脂pH值下降至6左右，再用水正洗，反洗各一次。
樹脂在使用較長時間后，由于它所吸附的一部分雜質(特別是大分子有機膠體物質)不易被常規的再生處理所洗脫，逐漸積累而將樹脂污染，使樹脂效能降低。此時要用特殊的方法處理。例如：陽離子樹脂受含氮的兩性化合物污染，可用4%NaOH溶液處理，將它溶解而排掉；陰離子樹脂受有機物污染，可提高堿鹽溶液中的NaOH濃度至0.5～1.0%，以溶解有機物。
四、應用范圍
在工業上，離子交換樹脂主要用于水的凈化處理，貴重或有用的物質的回收，離子的分離等，為了在工業上更有效地應用離子交換樹脂，必須認真考慮以下問題：
（1）確定采用連續或還是不連續的工藝；
（2）樹脂和再生劑的選擇；
（3）確定離子交換裝置設備及最佳工藝操作參數。
1、離子交換樹脂應用工藝的分類
離子交換過程通常包括離子交換、飽和后的離子樹脂的再生和含再生廢液樹脂的清洗三個步驟。根據進行這些步驟的方式不同，工業離子交換過程可分為間歇式工藝、固定床工藝及連續式工藝三類。
2、離子交換樹脂在工業上的應用
（1）離子交換樹脂處理水包括水的軟化（水的一般軟化、脫堿軟化、水的脫鹽、凝結水處理及超純水制備等）。
（2）離子交換樹脂在發哮行業如糖、檸檬酸、味精等脫色。
（3）離子交換樹脂處理工業廢水。
（4）離子交換樹脂在石油、化工行業中的使用。
（5）離子交換樹脂在制藥工業中的應用。
（6）離子交換樹脂在電子工業、核工業等行業的應用。
（7）離子交換樹脂在濕法冶金中的運用。
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