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第三章分离特性高分子材料Separationcharacteristicspolymermaterials2一、吸附分离功能高分子材料3吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材料。但由于高分子分离膜在材料形式、分离原理和应用领域有其特殊性，因此将在后面详细介绍。4离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能——离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。5吸附树脂是指具有特殊吸附功能的一类树脂吸附树脂也是在离子交换树脂基础上发展起来的一类新型树脂，是指一类多孔性的、高度交联的高分子共聚物，又称为高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和适当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。61、离子交换树脂和吸附树脂的分类1.1离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类方法有很多种，最常用和最重要的分类方法有以下两种。（1）按交换基团的性质分类按交换基团性质的不同，可将离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。7阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和弱酸型三种。如R—SO3H为强酸型，R—PO(OH)2为中酸型，R—COOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸型和弱酸型统称为弱酸型。阴离子交换树脂又可分为强碱型和弱碱型两种。如R3-NCl为强碱型，R-NH2、R-NR’H和R-NR2为弱碱型。8（2）按树脂的物理结构分类按其物理结构的不同，可将离子交换树脂分为凝胶型、大孔型和载体型三类。不同物理结构离子交换树脂的模型91）凝胶型离子交换树脂外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。102）大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。大孔型离子交换树脂的孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米，因此其吸附功能十分显著。113）载体型离子交换树脂载体型离子交换树脂是一种特殊用途树脂，主要用作液相色谱的固定相。一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成。它可经受液相色谱中流动介质的高压，又具有离子交换功能。此外，为了特殊的需要，已研制成多种具有特殊功能的离子交换树脂。如螯合树脂、氧化还原树脂、两性树脂等。121.2吸附树脂的分类吸附树脂目前尚无统一的分类方法，通常按其化学结构分为以下几类。（1）非极性吸附树脂指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正负电荷相对集中的极性基团的树脂。代表性产品为由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。（2）中极性吸附树脂这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树脂具有一定的极性。13（3）极性吸附树脂分子结构中含有酰胺基、亚砜基、腈基等极性基团，这些基团的极性大于酯基。（4）强极性吸附树脂强极性吸附树脂含有极性很强的基团，如吡啶、氨基等。142.离子交换树脂的命名我国前石油化学工业部于1977年7月l日正式颁布了离子交换树脂的部颁标准HG2-884-886-76《离子交换树脂产品分类、命名及型号》。这套标准中规定，离子交换树脂的全名由分类名称、骨架（或基团）名称和基本名称排列组成。15离子交换树脂的基本名称为离子交换树脂。凡分类中属酸性的，在基本名称前加“阳”字；凡分类中属碱性的，在基本名称前加“阴”字。此外，为了区别离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必须加型号。16离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成第一位数字代表产品分类；第二位数字代表骨架结构；第三位数字为顺序号.用于区别离子交换树脂树脂中基团、交联剂、致孔剂等的不同，由各生产厂自行掌握和制定。对凝胶型离子交换树脂，往往在型号后面用“×”和一个阿拉伯树脂相连，以表示树脂的交联度（质量百分数），而对大孔型树脂，则在型号前冠以字母“D”。17各类离子交换树脂的具体编号为：001—099强酸型阳离子交换树脂100—199弱酸型阳离子交换树脂200—299强碱型阴离子交换树脂300—399弱碱型阴离子交换树脂400—499螯合型离子交换树脂500—599两性型离子交换树脂600—699氧化还原型离子交换树脂18离子交换树脂骨架分类编号19例如:D113树脂是水处理应用中用量很大的一种树脂。从命名规定可知，这是—种大孔型弱酸型丙烯酸系阳离子交换树脂；001×10树脂则是指交联度为10%的强酸型苯乙烯系阳离子交换树脂。我国有些生产厂在部颁标准制定前已开始生产离子交换树脂，它们自己有一套编号，已经为人们所熟悉和接受。因此，至今尚未改名。例如:上海树脂厂的735树脂，相当于命名规定中的001树脂；724树脂相当于命名规定中的110树脂；717树脂相当于命名规定中的201树脂等等。203.离子交换树脂和吸附树脂的功能离子交换树脂最主要的功能是离子交换，此外，它还具有吸附、催化、脱水等功能。吸附树脂则以其巨大的表面积而具有优异的吸附性为其主要功能。3.1离子交换功能离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，它们可发生下列三种类型的离子交换反应。21RSO3H+NaOHRSO3Na+H2ORCOOH+NaOHRCOONa+H2ORN(CH3)3OH+HCl+H2ORN(CH3)3ClNHOH+HClRNHClR+H2O中和反应：22RSO3Na+KClRSO3K+NaCl2RCOONa+CaCl2(RCOO)2CaNa+2NaClRNCl+NaBrRNBr+NaCl2RNH3Cl+Na2SO4(RNH3)2SO4+2NaCl复分解反应：23RSO3H+NaClRSO3Na+HClNHOH+NaClRNHClR+NaOH中性盐反应：24从上面的反应可见，所有的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可进行中和反应和复分解反应。仅由于交换功能基团的性质不同，交换能力有所不同。中性盐反应则仅在强酸型阳离子交换树脂和强碱型离子交换树脂的反应中发生。所有上述反应均是平衡可逆反应，这正是离子交换树脂可以再生的本质。只要控制溶液的pH值、离子浓度和温度等因素，就可使反应向逆向进行，达到再生的目的。253.2吸附功能吸附功能不同于离子交换功能，吸附量的大小和吸附的选择性，决定于诸多因素，其中最主要决定于表面的极性和被吸附物质的极性。吸附是范德华力的作用，因此是可逆的，可用适当的溶剂或适当的温度使之解吸。树脂的吸附功能随树脂比表面积的增大而增大。263.3脱水功能强酸型阳离子交换树脂中的－SO3H基团是强极性基团，相当于浓硫酸，有很强的吸水性。干燥的强酸型阳离子交换树脂可用作有机溶剂的脱水剂。273.4催化功能小分子酸和碱是许多有机化学反应和聚合反应的催化剂。离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，也可对许多化学反应起催化作用。与低分子酸碱相比，离子交换树脂催化剂具有易于分离、不腐蚀设备、不污染环境、产品纯度高、后处理简单等优点。如用强酸型阳离于交换树脂可作为酯化反应的催化剂。28除了上述几个功能外，离子交换树脂和大孔型吸附树脂还具有脱色、作载体等功能。如：利用大孔型树脂的强吸附功能，将易于分解失效的催化剂AlC13等吸附在微孔中。在反应过程中则逐步释放出来以提高催化剂的效率。这也归属于树脂的催化功能。293.5离子交换树脂和吸附树脂的应用3.5.1离子交换树脂的应用（1）水处理水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。水处理是离子交换树脂最基本的用途之一。如下面是去离子水的制备装置。3031（2）冶金工业离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。32（3）原子能工业离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。33（4）海洋资源利用利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的。34（5）化学工业离子交换树脂在化学实验、化工生产上已经和蒸馏、结晶、萃取和过滤一样，成为重要的单元操作，普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯，浓缩和回收等。离子交换树脂用作化学反应催化剂，可大大提高催化效率，简化后处理操作，避免设备的腐蚀。35（6）食品工业离子交换树脂在制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用。特别在酒类生产中，利用离子交换树脂改进水质、进行酒的脱色、去浑、去除酒中的酒石酸、水杨酸等杂质，提高酒的质量。36（7）医药卫生离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱色、中和及中草药有效成分的提取等。离子交换树脂本身可作为药剂内服，具有解毒、缓泻、去酸等功效，可用于治疗胃溃疡、促进食欲、去除肠道放射物质等。对于外敷药剂，用离子交换树脂粉末可配制软膏、粉剂及婴儿护肤用品，用以吸除伤口毒物和作为解毒药剂。37将各种药物吸附在离子交换树脂上，可有效地控制药物释放速率，延长药效，减少服药次数。离子交换树脂还是医疗诊断、药物分析检定的重要药剂，如血液成分分析、胃液检定、药物成分分析等。具有检测速度快、干扰少等优点。38（8）环境保护离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用于电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水，影片洗印废水、工业废气等的治理。39如电镀废水中含有大量有毒的金属氰化物，如Fe(CN)63-，Fe(CN)64-等，用抗有机污染力强的聚丙烯酰胺系阴离子交换树脂处理后，可使金属氰化物的含量降至10ppm以下。403.5.2吸附树脂的应用（1）有机物的分离由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。（2）在医疗卫生中的应用吸附树脂可作为血液的清洗剂。这方面的应用研究正在开展，已有抢救安眠药中毒病人的成功例子。41（3）药物的分离提取在红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附树脂提取法。由于吸附树脂不受溶液pH值的影响，不必调整抗菌素发酵液的pH值，因此不会造成酸、碱对发酵液活性的破坏。用吸附树脂对中草药中有效成分的提取研究工作正在开展，在人参皂甙、绞股兰、甜叶菊等的提取中已取得卓著的成绩。42（4）在制酒工业中的应用吸附树脂可选择性地吸附酒中分子较大或极性较强的物质，较小或极性软弱的分子不被吸附而存留。如棕榈酸乙酯、油酸乙酯和亚油酸乙酯等分子较大的物质被吸附，而已酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等相对分子质量较小的香味物质不被吸附而存留，达到分离、纯化的目的。43思考题1.离子交换树脂的类型,大孔型离子交换树脂是如何制备的,其结构与性能与凝胶型树脂相比有什么特点?2.从离子交换树脂的功能分析其可能的用途?3.分析影响离子交换树脂性能的主要因素?44二、高分子功能膜4546膜分离-半透膜指一类可以让小分子物质透过而大分子物质不能通过的薄膜的总称例如：细胞膜、膀胱膜、肠衣等47终端过滤48错流过滤（CrossFiltration）4950在啤酒工业中应用51常见的分离方法筛分过滤萃取离心蒸馏重结晶柱层析膜分离色谱分离离子交换对于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。52膜分离的特点具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上述的分离问题迎刃而解。膜分离过程的主要特点是：以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离。膜分离过程的推动