这两种树脂典型的反应如下:(R代表母体)[4]
(1)强酸树脂相当于硫酸的一元酸:
R-SO3H + NaOH ↔ R-SO3Na + H2O
R-SO3H + NaCl ↔ R-SO3Na + HCl
2R-SO3H +Ca2+ →(R-SO3)2Ca+2H+
(2)弱酸树脂相当于羧酸:
R-CO2H + NaOH ↔ R-CO2Na + H2O
2RCO2Na + CaCl2 ↔ (RCO2)2Ca + 2NaCl
由于强酸型阳离子交换树脂的解离能力很强,所以在任何酸性或碱性溶液中均能解离和产生离子交换作用,其作用pH范围介于1~14。反之,弱酸性阳离子交换树脂的解离能力很弱,只能在弱酸性至碱性溶液中解离和产生离子交换作用,其作用pH范围仅介于5~14。
品质优良的离子交换树脂必须具有以下特点[5]:
1、有一定的、比较均匀的粒度和规整的几何外形(动力学性能)。
2、有较高的交换容量。
3、有较快的离子交换速度。
4、有较好的化学稳定性和热稳定性。
5、有较好的机械强度和抗摩擦性能。
6、有较好的抗有机物污染性能和再生性能。
因为有如此多的优点,阳离子交换树脂应用极其广泛。主要用于硬水软化、脱盐水、纯水和高纯水的制备,也用于催化剂和脱水剂,以及湿法冶金、分离提纯稀有元素、食品、制药、制糖,工业也用于湿法冶金提取钨、钼、钒、稀土等和其他稀有元素分离,以及作为酯化反应的合成酯类精细产品和脱水剂等。在环保领域处理废水并回收其中的金、银、铜、铬、钯等贵金属,在植物提取和生化提取行业用于脱色、分离、精制等工序,还用于抗生素提取和分析化学中测试铜、锌、铝、钛、稀土元素等。
1.3 强酸型交换树脂的应用与发展
强酸型阳离子交换树脂是离子交换树脂中的一大类产品,其中苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂由于其交换速度快、机械强度及化学稳定性高等优点,在阳离子交换树脂中占90%以上[6]。
强酸型离子交换树脂应用领域广泛,而且用量较大,是一种很重要的离子交换物质。苯乙烯系磺酸盐作为催化剂应用最为广泛,而且与其他催化剂相比有很多的独特的优点。
强酸型阳离子交换树脂作为固体酸催化剂可用来代替硫酸、盐酸等均相酸催化剂,广泛应用于石油化工、精细化工和制药工业等领域,诸如烯烃水合、醚类水解、酯化、醚化、缩合及芳烃烷基化等。作为催化剂, 其特点是:( 1) 催化剂容易与反应物分离;( 2) 产物纯度要比均相催化过程的高;( 3) 能够连续进行操作;( 4) 对设备腐蚀性小。(5)简化生产流程,减少反应时间。
树脂作为催化剂避免了酸碱催化剂使用后需进行中和、洗涤、蒸馏等后处理程序,也避免了废酸对环境的污染。但是,树指作为催化剂普遍存在的不足之处是耐温性能差。不能满足一些中温反应过程的要求。
强酸型阳离子树脂还应用于重金属的水处理领域,脱除吸附于其他物质上的盐,对其进行分离及纯化,农业,生物、医药、食品等各方面。
随着研究工作的不断深入和生产技术水平的不断提高,树脂的产品种类不断增加、质量性能不断提升,其应用范围也会越来越广泛,市场前景将非常广阔。
1.4 阳离子交换树脂的合成工艺综述
阳离子交换树脂的生产方法一般有两种:
(1)由单体与交联剂(多为二乙烯苯)进行悬浮共聚,制成交联共聚体,再引入功能基;
(2)用带功能基团单位与交联剂进行聚合,直接得到离子交换树脂。
聚合的方法一般为(1)本体聚合法制备工艺;(2)悬浮聚合法制备工艺;(3)乳液聚合法制备工艺。
强酸型阳离子交换树脂,一般是由苯乙烯和二乙烯基苯(DVB)共聚,再经磺化制得。共聚反应是将单体悬浮分散于水中进行的,常用的分散剂为聚乙烯醇或明胶。引发剂多用过氧化苯甲酰(BPO)。磺化反应是以适量的二氯乙烷、硝基苯或多氯乙烷、多氯乙烯作溶胀剂,在浓硫酸中进行。氯磺酸、三氧化硫也可用于磺化反应。
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