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1、兰州石化职业技术学院兰州石化职业技术学院毕业设计毕业设计题 目： 阳离子交换树脂的合成及应用研究 作 者： 赵广亨 系 （部）： 应用化学工程系 专业班级： 精细 091 班 指导教师： 吴海霞 2011 年 5 月 30 日衢州职业技术学院化学与制药工程系 2011 届毕业论文 II目目 录录第一章第一章 概述概述.11.1 离子交换树脂的定义.1 1.2 阳离子交换树脂的基体分类.31.3 阳离子交换树脂的物理性质.41.4 阳离子交换树脂的基本组成.61.5 阳离子交换剂.71.6 离子交换的过程 .7第二章第二章 阳离子交换树脂的国内外合成方法阳离子交换树脂的国内外合成方法 .122.
2、1 产物的类型 .122.2 合成原理.122.3 合成方法.132.4强酸性阳离子交换树脂的合成和应用.14第三章阳离子交换树脂应用第三章阳离子交换树脂应用.193.1 阳离子在水处理中的应用.193.2 阳离子在冶金工业中的应用.203.3 阳离子在食品工业的应用.213.4 阳离子在石油工业中的应用.213.5 阳离子在医药行业的应用 .213.6 固体催化剂.21第四章阳离子交换树脂发展深度和前景第四章阳离子交换树脂发展深度和前景.23参考文献参考文献.27后绪后绪.28衢州职业技术学院化学与制药工程系 2011 届毕业论文 III一、概述一、概述1.1 离子交换树脂的定义离子交换树脂
3、的定义离子交换树脂是一种带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物，通常是球形颗粒物。可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。离子交换树脂中含有一种(或几种)化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子(如 H+或 Na+)或阴离子(如 OH或 Cl)，同时吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。离子交换树脂不溶于一般的酸、碱溶液及各种有机溶剂，如乙醇、丙酮及烃等，结构上属于既不溶解、也不熔融的多孔性海绵状固体高分子物质。每个树脂颗粒都由交联的具有三维空间立体结构的网络骨架
4、构成，在骨架上连接都可以活动的功能基。这种功能基能离解出离子，可以与周围的外来离子相互交换。功能基固定在网络骨架上不能自由移动，但功能基所带的可以离解的离子却能自由移动，随着使用或再生时，在不同的外界条件下，与周围的同类型其他离子相互交换，所以叫做可交换离子。人们就是通过控制树脂上的这种可交换离子，创造适宜条件，如改变浓度差、利用亲合力差别等，是它与想接近的同类型离子进行反复交换，以达到不同的使用目的，如浓缩、分离、提纯、净化等。1、阳离子交换树脂官能团上的离子能与水中阳离子相互交换的树脂。阳离子交换树脂，一种化学物质。阳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
5、状。树脂颗粒的尺寸一般在 0.31.2mm 范围内，大部分在 0.40.6mm 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。 阳离子交换树脂的品种很多，因化学组成和结构不同而具有不同的功能和特性，适应于不同的用途。应用树脂要根据工艺要求和物料的性质选用适当的类型和品种。2、阴离子交换树脂是胶体表面正电荷吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换。阴离子交换树脂是具有网状立体结构的高分子多元酸或多元碱的聚合物。网状结构的骨架一般十分稳定，与酸、碱及某些有机溶剂和一般弱氧化剂都不起作用，对热也比较稳定。在其网状结构的骨架上有许多可电离、可被交换的基团，如磺酸基 (S
6、OH)、羧基 （COOH)及季胺基 (NROH)等，正由于这些基团的存在，才使树脂具有离子交换能力。1.2 基基体体分分类类衢州职业技术学院化学与制药工程系 2011 届毕业论文 IV树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类 (或再分出中强酸和中强碱性类)。1、强酸性阳离子树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基SO3H，容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如 SO3，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这
7、两个反应使树脂中的 H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。 树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与 H+结合而恢复原来的组成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。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低 pH 下难以离解和进行
8、离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如 pH514)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。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(R 为碳氢基团)，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。它用强碱(如 NaOH)进行再生。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、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出 OH而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附
9、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 pH19)下工作。它可用 Na2CO3、NH4OH进行再生。以上是树脂的四种基本类型。在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行，以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与 NaCl 作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出 Na+与溶液中的 Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没有放出 H+，可避免溶液 pH 下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后，衢州职业技术学院化学与制药工程系 2011 届毕业论文 V可用盐水再
10、生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出 Cl而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他典型性能，如离解性强和工作的 pH 范围宽广等。1.3 物物理理性性质质 1、树脂的外形与粒子大小：树脂的外观有白、黄、黑、赤褐色等，是半透明或不透明的颗粒，其中也有些树脂用色素染成相应的颜色，这些染色物是随离子交换的进行而变色，即离子交换的进行情况用颜色变化来显示。2、树脂的交联度：树脂的交联度对树脂的许多性能有重要的影响，列如，随交联度的增
11、加，树脂的含水量降低，溶胀度减少，离子交换速度下降，在催化反应中活性降低；但是另一方面树脂对离子的选择性会有所增加，机械强度有所改善，耐化学品和氧化性能提高。3、树脂的密度：树脂在干燥时的密度称为真密度。湿树脂每单位体积(连颗粒间空隙)的重量称为视密度。树脂的密度与它的交联度和交换基团的性质有关。4、树脂的溶解性：离子交换树脂应为不溶性物质。但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质，及树脂分解生成的物质，会在工作运行时溶解出来。交联度较低和含活性基团多的树脂，溶解倾向较大 。5、膨胀度：离子交换树脂含有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀。当树脂中的离子变换时，如阳离子树脂由 H+转为 Na+，阴
12、树脂由 Cl转为 OH，都因离子直径增大而发生膨胀，增大树脂的体积。通常，交联度低的树脂的膨胀度较大。在设计离子交换装置时，必须考虑树脂的膨胀度，以适应生产运行时树脂中的离子转换发生的树脂体积变化。6、耐用性：树脂颗粒使用时有转移、摩擦、膨胀和收缩等变化，长期使用后会有少量损耗和破碎，故树脂要有较高的机械强度和耐磨性。通常，交联度低的树脂较易碎裂，但树脂的耐用性更主要地决定于交联结构的均匀程度及其强度。如大孔树脂，具有较高的交联度者，结构稳定，能耐反复再生 。1.4 基基本本组组成成离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构高分子化合物。大体上由三部分组成：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。根据树脂所带的可交换离子的性质，离子交换树脂可大体上区分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。衢州职业技术学院化学与制药工程系 2011 届毕业论文 VI阳离子交换树脂是一类骨架上结合有磺酸（SO3H）和羧酸（COOH）等酸性功能基德聚合物。将此树脂润湿于水中时，交换基部分可如同普通酸那样发生电离。以 R 表示树脂的骨架部分，阳离子交换树脂 RSO3H 或 RCOOH 在水中时的电离如下：RSO3HRSO3 + H+RCOOHRCO
