离子交换树脂的使用

背景及概述^[1][2]

离子交换树脂是能与水溶液中同号离子相交换的一类功能高聚物。实质上是一种交联的高分子酸或高分子碱。1935年酚醛型阳离子交换树脂首先问世，1939 年德国、1941年美国先后开始工业生产。二次大战后聚苯乙烯系和聚丙烯酸系离子交换树脂相继投产。60年代后又开发了大孔离子交换树脂。根据交换基团不同分为阳、阴离子型两类；按离子解离程度差异分为强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性等类。也可根据外观形状和物理性质分为凝胶、大孔和离子交换膜等。又开发了螯合树脂、两性树脂、氧化—还原树脂等特殊品种。

由于离子交换树脂具有交换、吸附、催化、脱色、脱水、氧化还原等功能，因而在电子、电力、冶金、化工、原子能、医药、轻工、环境保护等领域获得广泛应用。如软化硬水、淡化海水，制取高纯水，回收废水中贵金属，除去水中放射性物质，分离、浓缩、提纯和回收铀，分离和提纯希土元素、贵金属，精制氨基酸、抗菌素、维生素等。

在分析化学中用于水中离子浓度分析、希土分析、生化分离等。用于水处理的量很大，占离子交换树脂总产量90%以上。工业用水中存在钙、镁、铁离子，易使管道和锅炉结垢，需要软化。过去用沸石磺化媒软化，现多用聚苯乙烯磺酸型离子交换树脂。还可用作胃酸制酸剂、无盐食品脱钠剂、大肠杆菌抗菌剂、气体吸附剂、蔗糖脱色剂、酯化和脱水等缩合反应的催化剂等。

分类^[2][3]

根据活性基团的性质可分为：①阳离子交换树脂，含有酸性基团如磺酸基、羧基和酚基等，其中的H⁺离子可与溶液中的阳离子进行交换； 常见的阳离子交换树脂是苯乙烯磺酸型树脂，是以苯乙烯和二乙烯苯共聚，经磺化反应制得，其结构式为：

②阴离子交换树脂，含有碱性基团如季胺基的树脂，水合后生成RN(CH₃)⁺₃OH^-，其中的OH^-离子可与溶液中的阴离子交换； 常见的阴离子交换树脂是季铵型强碱性树脂，是以苯乙烯和二乙烯苯共聚，经氯甲基化反应及胺化反应制得，其结构式为：

③电子交换树脂，含有氧化还原基团，能与溶液中的还原剂或氧化剂起反应。主要用于水的软化、制备去离子水和分离提纯回收物质等方面。

应用^[4][5]

1. 化工工艺

在化工生产中，离子交换树脂技术正在取代一些沉淀、溶剂萃取及精馏等处理过程。最初将离子交换树脂应用于化工工艺上，主要采用的是间歇式固定床技术，后进一步开发出连续应用系统，如Higgins Loo p 及Himsley塔技术系统和ISEP连续系统，其中由美国Flo rida 电厂工程师首先开发的、目前为AST ( Adv anced Separation Tech nologies)公司所有的ISEP连续离子交换树脂系统最具竞争力。

在Higgins Loo p及Himsley系统中，树脂在塔内移动，而在ISEP系统中它是固定的，这样可降低树脂的降解速度，延长操作寿命。同固定床系统相比，ISEP系统降低投资20— 40% ，只需40— 50%或更少的树脂，还节省占地。在一些情况下，它还能减少60— 80%的污染体积。

例如在地表水高锰酸盐治理中，ISEP系统将盐损失降低到1%；而固定床系统仅能降低到5%。当前世界上70%的赖氨酸都是用ISEP技术生产的，该技术在这一领域应用的年增长率达10— 15%。在工业分离及净化应用中，协同作用是应用开发的目标。目前在一些装置中，离子交去除非极性有机物，如全氯乙烷，而离子交换树脂则用来除去极性污染物，如高锰酸盐。此外，在化工工艺中，离子交换树脂还被用来增加含氧化合物，如M TBE及双酚A等的催化作用。

2. 超纯物生产应用

随着人们生活水平的不断提高及高新技术的迅速发展，对纯净水的质量要求越来越高。但离子交换树脂本身就是一种合成的有机化合物，对纯净水中“总有机物“的含量会产生影响，因而曾受到挑战。美国Resin Tech公司开发应用树脂高温处理工艺，可使纯净水中“总有机物“含量降至最低，并且能快速制取超纯水。过去需一个月才能得到的超纯水，现在仅需要几小时或几分钟便可得到。

例如在半导体工业中，使用不到50层树脂便可快速得到“总有机物”含量低于1ppb的超纯水。Rohm a nd Haas公司也开发了用于生产超纯水的树脂SF-120，该树脂是用非氯溶剂生产的。此外，离子交换树脂用于电子工业，可制得微量杂质含量的电子元件； 离子交换树脂用于制药行业，可制得高纯药品。

3. 环境保护

离子交换树脂在地表水处理及镀铬工厂等废水处理中的应用越来越多。全世界仅应用AS T公司色谱分离技术而建立的CSEP、ISEP离子交换系统水处理装置就达200—250套。Resin Tech 公司推出一种持液量为0. 1— 0. 112kg /L的离子交换树脂SIR700，用于地表水治理及镀铬工厂废水处理。同时Resin Tech 公司发现与天然沸石共用，SIR700可从水中除去氨。此外，该树脂对铯有非常好的选择作用，因此Resin Tech公司正在开发放射废物处理市场。

将树脂设计为螯合功能，运用离子交换树脂从废液中除去(或回收)金属便变得更容易了。美国Remco 工程公司设计了一套置于滑动底板上的、使用螯合型离子交换树脂的金属回收装置在生产中应用。在树脂方面，Rohm and Haas公司开发了IRA747和748，该种树脂对硼具有较好的选择性； Bayer 公司也开发了一种对硼有选择性的树脂，计划明年在欧洲推广；同时美国Hydroma tix 公司声明其786型离子交换再生系统与传统的离子交换系统相比，可将金属电镀工厂废液减少93%。

4. 食品

在食品工业中，除制取专用给水、处理废水外，还可以用于糖、酒、奶、油脂、饮料的去盐、脱色、分离、提纯、催化等方面。

1）糖：糖类树脂用于制糖工业已有30 多年的历史，所处理的糖种类很多。蔗糖、甜菜糖、等在制造中都需要脱除色素。糖液中的色素种类很多，结构很复杂，其中多以有机阴离子或两性离子存在，用大孔氯型强碱阴离子树脂可有效脱色，此外也可用+H型强酸阳性离子树脂，或者是阴离子树脂配合使用。树脂脱色的优点是效果好、速度快、耗水少、操作简单、易于自动化。甜菜糖汁中含盐类较多，为制得高产率、高质量的粒糖必须脱盐，所用树脂为强酸阳离子树脂。葡萄糖、果糖及其他许多糖生产中也要用离子交换树脂来脱盐。甜菜稀液中含有碱土金属离子，浓缩后罐壁上会析出水垢降低罐体传热效率，对此可用

2）酒类

去浑浊：白酒中存在油酸乙醋、亚油酸乙醋、棕桐酸乙醋等高级脂肪酸醋类，当酒处于低温时会出现乳白色浑浊。浙江大学化学系研制成功用吸附树脂去除上述高级酷类的工艺，经多家酒厂试用，证明效果很好，所用树脂能选择性地吸附高级醋类，而将风味物质如低级醋类、酸类等保留于酒中。经分析证明，酒的理化指标基本保持不变。由于树脂还具有一定的催化老熟作用，对特殊酒种，比如酱香型酒，还可以改善口感指标。树法去浑浊物，具有占地面积小、设备简单、成本低等优点。

去酸、去碱、调节p H 值：用大孔强碱离子树脂( A m be ilr t e IR A一9 0 )、弱碱离子树脂( IR A 一93 ) 可降低白葡萄酒中的酒石酸、柠檬酸、水杨酸等含量，既能调节酒的味道，又能增加其稳定性。用H 型阳离子树脂( Du o l i t e 一2 5 D ) 配合O H 一型阴离子树脂( Duo ilt e A 一7 D ) 处理高酸量的酒，再将处理后的酒与未处理的酒适当混合，可使总酸含量由1.2 4% 降到0 .6 1% [刘，而p H 值改变不大，较好的保持了原酒的特性。

去重金属离子：用Na 型弱酸树脂( eZ or ilt e2 25 ) 可去除白葡萄酒中的钙镁离子，并降低铁、铜、钾的含量和酸度，不仅提高了稳定性，而且改进了酒的质量。

脱色：用鳌合树脂配合活性炭去除日本清酒的色素，在60 ℃下处理h1，可使颜色指数由.0 2 2 2 降为.0 0 7 1，而一般方法只能降至0.0 98。

水质的改进：水质对酿酒工业十分重要。用树脂调节控制水质可以使酒质大为提高。

柠檬酸的去除：酒精中含有一定量的柠檬酸，可用离子交换树脂去除，效果很好。

3）其他方面的应用

奶品：牛奶经离子交换树脂处理后可提高高温消毒时的稳定性。用阴阳离子交换树脂处理牛奶可调整其中钙的含量，使之更接近于母乳，适于婴幼儿食用。

油脂：油脂中存在微量的铜、铁、锰、锌离子，会加速油脂变质和酸败。大孔强酸阳离子树脂配合大孔阴树脂可去除上述离，提高油脂稳定性。豆油、花生油、玉米油、菜籽油等食用油中所含有机酸可用大孔强碱离子树脂去除。棉籽油中存在酚类及其衍生物，食用时有苦味感且容易被氧化变质，用大孔强碱离子树脂或大孔吸附树脂脱苦效果好、成本也低。

天然甜味剂的提取：甘草经水提取、酸、醇提取后得到含4 0% 甘草酸的粗品。粗品溶于水后通过装有吸附树脂的交换柱，甘草酸被树脂吸附，然后用乙醇洗脱，在经蒸发浓缩，可得91 % 含量的甘草酸精品。在国际上还普遍使用阴阳离子交换树脂、吸附树脂及鳌合树脂由甜叶菊提取液中提取甜菊昔。氨基酸、蛋白质的分离提纯：根据氨基酸等电点的不同，选择适当的p H值，可用离子交换树脂(多用强酸阳离子树脂) 将它们分离。蛋白质由氨基酸组成，也可根据等电点的同用离子交换树脂分离。

再生方法^[6]

离子交换树脂广泛应用在化工、生化、医药产品生产过程中用于提取和精 制化合物。离子交换树脂的可反复再生利用是离子交换树脂在工业生产中获得 广泛应用的主要优点之一。离子交换树脂的再生主要是指向装有使用过的离子交换树脂的离子交换 柱中通入再生液以恢复树脂的离子交换能力的过程。通常为了达到较好的再生 效果，还会在用水冲去残留在树脂上的悬浮杂质之后、通入再生液之前，先通 入对离子交换树脂具有较好洗涤效果的解析液，解析液可以除去吸附或牢固结 合在离子交换树脂上的杂质离子。

例如对强酸型的阳离子树脂，先通入氢氧化 钠溶液除去树脂上的杂质阳离子，然后通入盐酸溶液使树脂重新带上氢离子。有研究报道一种离子交换树脂再生方法，所述的离子交换树脂包括阳离子交换树脂和 阴离子交换树脂，所述的离子交换树脂再生方法包括如下步骤：

a)、向装有使用过的离子交换树脂的离子交换柱中通入水对所述的离子 交换树脂进行洗涤；

b)、采用顺流的方式向经过步骤(a)处理的离子交换柱中通入解析液将 吸附或牢固结合在所述的离子交换树脂上的杂质离子解析除去；

c)、向经过步骤(b)处理的离子交换柱中通入水以除去残余在所述的离 子交换树脂上的解析液；

d)、向经过步骤(c)处理的离子交换柱中通入再生液以恢复所述的离子 交换树脂的离子交换能力；

e)、向经过步骤(d)处理的离子交换柱中通入水以洗涤除去残余在所述 的离子交换树脂上的再生液；

主要参考资料

[1] 科学技术社会辞典·化学

[2] 中国土木建筑百科辞典·工程材料 上

[3] 中国成人教育百科全书·化学·化工

[4] 吕仪军. 离子交换树脂应用进展[J]. 四川化工与腐蚀控制, 1999, 2(6): 36-38

[5] 汪青. 离子交换树脂在食品工业中的应用[J]. 食品研究与开发, 2005, 26(4): 161-163.

[6] CN200710133332.7.一种离子交换树脂再生方法