離子交換樹脂

　　一類帶有功能基的網狀結構的高分子化合物，加熱不熔，也不溶解於任何介質，能同溶液裏的離子起交換反應。離子交換反應與無機化學的置換或複分解反應類似，如硫酸鈉與硝酸鋇的化學反應：

所所差異的隻是，無機化學的復分解反應一般是均相反應，而在離子交換樹脂上進行的反應是非均相反應。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為高分子強堿基，如結構式c。

　　簡史　離子交換樹脂開始出現於1935年，當時，英國人B.A.亞當斯和E.L.霍姆斯發現，苯酚磺酸－甲醛逐步聚合物能夠交換陽離子，其後，又發現間苯二胺與甲醛的聚合物具有交換陰離子的性能。1939年德國法本公司和1941年美國的樹脂產品和化學品公司先後開始工業生產，並分別以Wofatit和Amberlite作為商品名。1944年美國人G.F.達萊利奧合成瞭苯乙烯系離子交換樹脂。第二次世界大戰期間，在德國，Wofatit除用於水的精制外，還從人造絲工廠廢液中回收銅氨，從照像廢液中回收銀。在這期間，美國將離子交換樹脂用於從貧鈾礦中提取鈾及用於核裂變生成物、超鈾元素、稀土元素的分離。戰後，離子交換樹脂的合成和應用進一步得到發展，在水純化領域中，采用混合床脫鹽法，制得瞭電阻率為1800萬歐·厘米的高純水。50年代以後，開展瞭膜狀離子交換樹脂的研究，開辟瞭電化學的新領域。60年代初期，為適應尖端科學的發展，又研制出耐壓、耐磨、高交換速度、能交換或吸著高分子量化合物(如水裡的腐植酸)的大孔離子交換樹脂。在選擇分離稀有金屬、貴重金屬，環境保護，醫藥，仿生高分子，選擇性膜，金屬絡合催化等方面都有瞭廣泛的應用。70年代以後，又出現瞭各種大孔吸附樹脂及特種樹脂。

　　分類　離子交換樹脂根據外觀形狀及物理性質（孔度、孔度分佈、比表面、孔徑等）分為凝膠、大孔和離子交換膜等。根據用途有選擇交換用、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：強酸性的、中等酸性的、弱酸性的；強堿性的、中等堿性的、弱堿性的；氧化還原性的。含有酸性基團的離子交換樹脂，能同溶液裡的陽離子起交換反應，稱為陽離子交換樹脂；含有堿性基團的離子交換樹脂，能交換溶液裡的陰離子，稱為陰離子交換樹脂；含氧化還原基團的離子交換樹脂，能與溶液裡的還原劑或氧化劑起反應，稱為電子交換樹脂；同時含酸性和堿性基團的稱為兩性樹脂，因為它在溶液裡能與堿或酸作用。若樹脂與溶液裡的高價陽離子作用後，能形成鉗環形的絡合物，則稱為螯合樹脂。

　　合成　離子交換樹脂的合成過程見圖。

　　性質　離子交換樹脂商品一般是制成直徑為0.4～0.6毫米的球狀顆粒；在水中能溶脹，但不溶於任何溶劑，加熱不熔。

　　①強酸性樹脂　它的酸性接近硫酸，能與鹽發生復分解作用，在任何pH的溶液裡都能使用。

　　②中等酸性樹脂　這類樹脂的酸性接近磷酸，能與高價金屬鹽發生不同程度的交換作用。

　　③弱酸性樹脂　這類樹脂的化學性質與乙酸相似，酸性比較弱，不易與鹽類起交換作用；但在堿性溶液裡，能與多價金屬離子發生復分解作用，對二價金屬離子如銅、鈷、鎳、鋅、汞等有較高的結合力。在使用時，要考慮它的鹽型能起水解作用。最高使用溫度在120℃左右，容易為強酸再生。

　　④強堿性樹脂(含季銨堿基)　這類樹脂的堿性相當於苛性堿，能除去水溶液裡很弱的酸如硼酸、矽酸、碳酸、低分子量的有機酸等。這類樹脂的羥基與氮原子結合能力很弱，故易與金屬鹽起復分解作用，形成堿性很強的溶液。羥型樹脂對熱不穩定，若為強堿Ⅰ型樹脂(見結構式a)，使用溫度不能超過60℃；若為Ⅱ型樹脂(b)，不能超過40℃。因此，這類樹脂不使用時，一般以氯型保存，不能以羥型保存。強堿性樹脂可以在任何pH溶液裡進行交換。

　　⑤弱堿性樹脂　弱堿性樹脂的化學性質與銨相似，呈弱堿性，能吸著水溶液裡的酸而形成鹽，其鹽型在水溶液中發生水解。樹脂與強酸和高價酸結合力強，對氧和熱的穩定性差。

　　影響離子交換反應的因素　離子交換反應主要發生在樹脂內部。在離子交換反應前，溶液裡的反應物必須能擴散進樹脂內部。擴散速率與樹脂體上毛細孔大小有關，而毛細孔的大小，與合成時加入的交聯劑的量有關。交聯劑用量少的，樹脂的交聯度小，毛細孔孔徑就大，反應物就容易擴散進去；交聯劑用量多的，樹脂的交聯度大，毛細孔孔徑就小，反應物就不容易進去。因此，往往利用交聯度不同的樹脂，將分子量不同的化合物分開。

　　另外，溶液裡的離子濃度與樹脂的交換量也是影響反應物擴散進樹脂內部的因素之一。若溶液裡的離子濃度比較高，而樹脂的交換量又比較小時，則離子很易擴散進樹脂內部進行交換；反之，若溶液裡的離子濃度較小，樹脂的交換量又高，溶液裡的離子不易擴散進去，故交換反應不能進行，因而去除溶液裡少量離子是困難的。

　　應用　①用於水處理的量很大，占離子交換樹脂的產量的90％以上（見彩圖）。

離子交換樹脂（聚苯乙烯制）處理水的裝置 工業用水裡存在鈣、鎂、兩價和三價的鐵離子，易使管道和鍋爐結垢。除去這些金屬離子的過程，稱為水的軟化。早期水的軟化是使用沸石及磺化煤，現多用聚苯乙烯磺酸型離子交換樹脂。用於原子能、半導體、電子工業、高溫高壓鍋爐的水，要求高質量的無離子水。采用離子交換樹脂混合床法可使水去離子化，即將氫型強酸樹脂與羥型強堿樹脂混合均勻後放入一交換柱內，通過交換柱出來的水，僅含0.006ppm的離子性溶質（水的電阻率為1.8× 10 ⁷歐·厘米），此純度相當於用石英容器重蒸餾28次所獲得的水。

　　②從貧鈾礦裡將鈾分離、濃縮、提純和回收，分離和提純稀土元素和貴金屬，回收電鍍溶液中的鉻及人造絲廢液中的銅等。

　　③用於醫學和醫藥上的回收、分離和提純，如抗生素、氨基酸及生物堿的分離提純，用量相當大。

　　④在有機合成中常用酸和堿作催化劑進行酯化、水解、酯交換、醇醛縮合、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、堿，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。

　　⑤用於分析化學，例如水中離子濃度的分析、稀土分析、生化分離，以及月球上痕量物質的分析等。

　　⑥用於糖、生物制品、甘油、酒等的脫色。

　　⑦去除電鍍廢液裡的金屬離子，回收電影制片廢液裡的有用物質，如苯酚及其衍生物等。

　　⑧用於外消旋物的拆分、固相合成，以及作為化學試劑等。

　　

參考書目

　R.Kunin，Ion-Exchange Resins，2nd ed.，R.E.Krieger，New York，1973.

　F.Hellfferich，Ion Exchange，McGraw-Hill，NewYork，1962.