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什么是离子交换树脂

离子交换树脂或离子交换聚合物是一种树脂或聚合物充当介质的离子交换。它是不溶性基质(或支持结构),通常为小的(0.25-0.5mm半径)微珠,通常为白色或淡黄色,由有机 聚合物基质制成。珠子通常是多孔的,在它们上面和内部提供大的表面积。捕获离子随着其他离子的伴随释放而发生,因此该过程称为离子交换。有多种类型的离子交换树脂。大多数商业树脂由聚苯乙烯磺酸盐制成。

离子交换树脂广泛用于不同的分离,纯化和净化过程。最常见的例子是水软化和水净化。在许多情况下,离子交换树脂以这种方法引入,作为使用天然或人造沸石的更灵活的替代方法。此外,离子交换树脂在生物柴油过滤过程中非常有效。

树脂类型
大多数典型的离子交换树脂基于交联的 聚苯乙烯。聚合后引入实际的离子交换位点。另外,在聚苯乙烯的情况下,通过苯乙烯和百分之几的二乙烯基苯的共聚引入交联。交联降低了树脂的离子交换能力并延长了完成离子交换过程所需的时间,但提高了树脂的稳健性。粒径也会影响树脂参数; 较小的颗粒具有较大的外表面,但在柱过程中引起较大的压头损失。

除了制成珠状材料外,还生产离子交换树脂作为膜。这些离子交换膜,其由高度交联的离子交换树脂,其允许离子通过,但不是水,被用于电渗析。

四种主要类型的离子交换树脂的功能组别不同:

强酸性,通常具有磺酸基团,例如聚苯乙烯磺酸钠或polyAMPS,
强碱性,通常以季氨基为特征,例如三甲基铵基团,例如polyAPTAC),
弱酸性,通常具有羧酸基团,
弱碱性,通常具有伯,仲和/或叔氨基,例如聚乙烯胺。
还已知专门的离子交换树脂,例如螯合树脂(亚氨基二乙酸,硫脲基树脂等)。

阴离子树脂和阳离子树脂是离子交换过程中使用的两种最常见的树脂。当阴离子树脂吸引带负电的离子时,阳离子树脂吸引带正电的离子。

负离子树脂
阴离子树脂可以是强碱性的或弱碱性的。强碱性阴离子树脂在宽pH范围内保持其正电荷,而弱碱性阴离子树脂在较高pH值下中和。[3]弱碱性树脂在高pH下不会保持电荷,因为它们会发生去质子化。[3]然而,它们确实具有优异的机械和化学稳定性。这与高离子交换速率相结合,使弱碱性阴离子树脂非常适合有机盐。

对于阴离子树脂,再生通常包括用强碱溶液(例如氢氧化钠水溶液)处理树脂。在再生期间,再生剂化学品通过树脂,并且被捕获的负离子被冲洗掉,从而更新树脂交换容量。

阳离子交换树脂
阳离子交换法去除水的硬度,但在其中引起酸性。在下一阶段的水处理中,通过阴离子交换过程使酸性水通过,可以更好地去除水。公式:R-H酸性

反应:

R-H + M + = R – M + + H +。
阴离子交换树脂
公式:NR 4 + OH –

这些通常是苯乙烯 – 二乙烯基苯共聚物树脂,其具有季铵阳离子作为树脂基质的组成部分。

反应:

NR 4 + OH – + HCl = NR 4 + Cl – + H 2 O.
阴离子交换色谱利用该原理从混合物或溶液中提取和纯化材料。

使用
水软化
主要文章:水软化
在本申请中,离子交换树脂用于代替镁和钙中发现的离子硬水与钠离子。当树脂是新鲜的时,它在其活性位点含有钠离子。当与含有镁和钙离子(但是低浓度的钠离子)的溶液接触时,镁和钙离子优先从溶液中迁移到树脂上的活性位点,在溶液中被钠离子取代。该过程达到平衡,溶液中的镁和钙离子浓度远低于开始时的浓度。

水软化过程的理想化图像,包括用阳离子交换树脂提供的钠离子替代水中的钙离子
树脂可以通过用含有高浓度钠离子的溶液(例如,其中溶有大量的普通盐(NaCl))进行洗涤来再充电。钙和镁离子从树脂迁移,被溶液中的钠离子取代,直到达到新的平衡。盐用于补充离子交换树脂,离子交换树脂本身用于软化水。

水净化
主条目:纯净水
在该应用中,离子交换树脂用于从溶液中除去有毒(例如铜)和重金属(例如铅或镉)离子,用更多无害离子(例如钠和钾)代替它们。

很少有离子交换树脂从水中去除氯或有机污染物 – 这通常通过使用与树脂混合的活性炭过滤器来完成。有些离子交换树脂可以去除有机离子,例如MIEX(磁性离子交换)树脂。生活用水净化树脂通常不会再充电 – 树脂在不能再使用时会被丢弃。

电子,科学实验,超导体生产和核工业等都需要最高纯度的水。这种水使用离子交换过程或膜和离子交换方法的组合产生。

金属分离中的离子交换

一盘黄油饼
离子交换过程用于分离和净化金属,包括从钚和其他act系元素(包括钍)中分离铀 ; 和镧,钕,镱,钐,l,彼此和其他镧系元素。有两个系列的稀土金属,镧系元素和act系元素。每个家庭的成员具有非常相似的化学和物理特性。离子交换多年来是大量分离稀土的唯一实用方法。该应用程序由Frank Spedding于20世纪40年代开发。随后,除了最高纯度的产品外,溶剂萃取主要取代了离子交换树脂的使用。

一个非常重要的案例是PUREX工艺(钚 – 铀提取工艺),用于将钚和铀与核反应堆的乏燃料产品分离,并能够处理废物。然后,钚和铀可用于制造核能材料,如新的反应堆燃料和核武器。

离子交换珠粒也是原位浸出铀矿开采的重要组成部分。原位回收涉及通过钻孔提取含铀水(分级低至0.05%U 3 O 8)。然后将提取的铀溶液通过树脂珠过滤。通过离子交换过程,树脂珠粒从溶液中吸引铀。然后将装载有铀的树脂输送到加工厂,在那里将U 3 O 8与树脂珠分离,并生产黄饼。然后树脂珠粒可以返回离子交换设备,在那里它们可以重复使用。

离子交换过程也用于分离其他非常相似的化学元素,如锆和铪,这对核工业来说也是非常重要的。锆对于自由中子实际上是透明的,用于建造反应堆,但铪是一种非常强的中子吸收剂,用于反应堆控制棒。

催化
离子交换树脂用于有机合成,例如用于酯化和水解。它们具有高表面积和不溶性,适用于气相和液相反应。可以找到离子交换树脂的碱性(OH -形式)用于中和铵盐[4]并将季铵卤化物转化为氢氧化物的实例。[5] 酸性(H +型)离子交换树脂已用作固体酸催化剂,用于裂解醚保护基团。[6]和重排反应。[7]

果汁净化
离子交换树脂用于制造果汁,例如橙汁和酸果蔓汁,其中它们用于去除苦味成分并因此改善风味。这允许将酸或口味较差的水果源用于果汁生产。

糖制造
离子交换树脂用于制造各种来源的糖。它们用于帮助将一种类型的糖转化为另一种类型的糖,并对糖浆进行脱色和纯化。

制药
离子交换树脂用于制造药物,不仅用于催化某些反应,而且用于分离和纯化药物活性成分。三种离子交换树脂,聚苯乙烯磺酸钠,考来替泊和考来烯胺用作活性成分。聚苯乙烯磺酸钠是一种强酸性离子交换树脂,用于治疗高钾血症。Colestipol是一种弱碱性离子交换树脂,用于治疗高胆固醇血症。消胆胺是一种强碱性离子交换树脂,也用于治疗高胆固醇血症。Colestipol和考来烯胺被称为胆汁酸螯合剂。

离子交换树脂也用作药物制剂中的赋形剂,例如片剂,胶囊,树胶和悬浮液。在这些用途中,离子交换树脂可具有几种不同的功能,包括掩味,延长释放,片剂崩解,提高生物利用度和改善活性成分的化学稳定性。

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