離子交換樹脂的種類和性能 離子交換樹脂在現(xiàn)代制糖工業(yè)中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和***食用糖漿,多數(shù)使用離子交換樹脂將糖液脫色提純,而過去傳統(tǒng)用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉(zhuǎn)向使用離子交換樹脂的趨勢。 離子交換技術(shù)有相當長的歷史,某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是,隨著現(xiàn)代有機合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂,并開發(fā)了多種新的應用方法,離子交換技術(shù)迅速發(fā)展,在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領域中廣泛應用。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達數(shù)百種,年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。 在工業(yè)應用中,離子交換樹脂的優(yōu)點主要是處理能力大,脫色范圍廣,脫色容量高,能除去各種不同的離子,可以反復再生使用,工作壽命長,運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎的多種新技術(shù),如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等,各具*的功能,可以進行各種特殊的工作,是其他方法難以做到的。離子交換技術(shù)的開發(fā)和應用還在迅速發(fā)展之中。 離子交換樹脂的應用,是近年國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點研究課題,是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應用也受到廣泛的研究。 離子交換樹脂都是用有機合成方法制成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯),通過聚合反應生成具有三維空間立體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的骨架,再在骨架上導入不同類型的化學活性基團(通常為酸性或堿性基團)而制成。 離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑。大多數(shù)制成顆粒狀,也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3~1.2mm 范圍內(nèi),大部分在0.4~0.6mm之間。它們有較高的機械強度(堅牢性),化學性質(zhì)也很穩(wěn)定,在正常情況下有較長的使用壽命。 離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學活性基團,它即是交換官能團,在水溶液中能離解出某些陽離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH-或Cl-),同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換,從而將溶液中的離子分離出來。 樹脂中化學活性基團的種類決定了樹脂的主要性質(zhì)和類別。首先區(qū)分為陽離子樹脂和陰離子樹脂***類,它們可分別與溶液中的陽離子和陰離子進行離子交換。陽離子樹脂又分為強酸性和弱酸性兩類,陰離子樹脂又分為強堿性和弱堿性兩類 (或再分出中強酸和中強堿性類)。 離子交換樹脂根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂,及根據(jù)樹脂的物理結(jié)構(gòu)分為凝膠型和大孔型。 離子交換樹脂的品種很多,因化學組成和結(jié)構(gòu)不同而具有不同的功能和特性,適應于不同的用途。應用樹脂要根據(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當?shù)念愋秃推贩N。 1、離子交換樹脂的基本類型 (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(jié)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(chǎn)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(tài),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(jié)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(jié)合,從而產(chǎn)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(jié)合,從而產(chǎn)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(jié)合,從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槠渌x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(zhuǎn)變?yōu)殁c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(chǎn)生的副作用(如蔗糖轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)樾驮偈褂?,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。型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3-)運行。強酸性樹脂及強堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和型后,就不再具有強酸性及強堿性,但它們?nèi)匀挥羞@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。 2、離子交換樹脂基體的組成 離子交換樹脂的基體(matrix),制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)***類,它們分別與交聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應,形成具有長分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的,丙烯酸系樹脂則用得較后。 這兩類樹脂的吸附性能都很好,但有不同特點。丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素,脫色容量大,而且吸附物較易洗脫,便于再生,在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。苯乙烯系樹脂擅長吸附芳香族物質(zhì),善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負電的或不帶電的);但在再生時較難洗脫。因此,糖液先用丙烯酸樹脂進行粗脫色,再用苯乙烯樹脂進行精脫色,可充分發(fā)揮兩者的長處。 樹脂的交聯(lián)度,即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分數(shù),對樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常,交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密,堅牢而耐用,密度較高,內(nèi)部空隙較少,對離子的選擇性較強;而交聯(lián)度低的樹脂孔隙較大,脫色能力較強,反應速度較快,但在工作時的膨脹性較大,機械強度稍低,比較脆而易碎。工業(yè)應用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%;用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%;單純用于吸附無機離子的樹脂,其交聯(lián)度可較高。 除上述苯乙烯系和丙烯酸系這***系列以外,離子交換樹脂還可由其他有機單體聚合制成。如酚醛系(FP)環(huán)氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。 7、離子交換樹脂的品種 離子交換樹脂在國內(nèi)外都有很多制造廠家和很多品種。國內(nèi)制造廠有數(shù)十家,主要的有上海樹脂廠、天津波鴻樹脂科技有限公司、晨光化工研究院樹脂廠、南京樹脂廠等;國外較***的如美國Rohm & Hass公司生產(chǎn)的Amberlite系列、Dow化學公司的Dowex系列、法國Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列,還有Ionac系列、Allassion系列等。樹脂的牌號多數(shù)由各制造廠或所在國自行規(guī)定。國外一些產(chǎn)品用字母C代表陽離子樹脂(C為cation的*個字母),A代表陰離子樹脂(A為Anion的*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(guī)定(HG2-884-76),離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯數(shù)字組成。*位數(shù)字代表產(chǎn)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(shù)字代表不同的骨架結(jié)構(gòu):0代表苯乙烯系,1代表丙烯酸系,2代表酚醛系,3代表環(huán)氧系等。第三位數(shù)字為順序號,用以區(qū)別基體、交聯(lián)基等的差異。 此外大孔型樹脂在數(shù)字前加字母D。因此,D001是大孔強酸性苯乙烯系樹脂。 各種樹脂的性能和參數(shù)可參閱離子交換樹脂手冊和產(chǎn) |