1.概述
离子交换树脂是由苯乙烯、二乙烯苯、甲基丙烯酸、环氧氯丙烷、多乙烯多胺、甲醛等单体缩聚或加聚而合成的聚合物，因在聚合过程中加入了交联剂等助剂，使树脂成为以高分子骨架，且骨架以化学键相连带有固定离子和反离子组成的离子化基团的结构。在一定条件下树脂中的可交换离子和与介质中可交换离子进行交换，即可完成净化、浓缩、分离、脱水脱色和催化等工作。另外，改变条件后可发生可逆离子交换反应，可使树脂再生并重复利用。
（1）离子交换机理 分成交换机理及再生机理两部分介绍。
1）交换机理。以在水中离子交换过程为例，当树脂在水中时，水中的化合物与树脂都会发生解离，将各自可交换的离子从离子化基团中解离出来，化合物离子在溶液中逐渐扩散到树脂表面且进入树脂内部将树脂中可解离的反离子交换出来，且在树脂中“定居”下来并吸附在树脂中，而树脂中被交换出来的反离子按与上述相反方向扩散到溶液中，即完成交换反应。
2）再生机理。当交换反应经一定时间后达到饱和状态时即会自动停止交换，此时需按不同树脂采用不同的方法。使其发生交换的逆反应，如用再生液或对热再生交换树脂，可采用浸于热水中等方法，使饱和的树脂发生可逆再生反应，使树脂恢复到原来离子状态，即可再生重复使用。
（2）离子交换树脂的分类 可按合成方式、树脂结构和树脂品种等进行分类。
1）按合成方式离子交换树脂可分为缩聚型树脂和加聚型树脂，缩聚型树脂有甲醛/苯酚、甲醛/芳香胺、多乙胺/环氧丙烷（反应后为带有氨基的交联物）；加聚型树脂有苯乙烯/二乙烯苯共聚物（交联）等。加聚物性能优良应用广，而缩聚物只用于特殊用途。
2）按树脂结构离子交换树脂可分为凝胶型树脂、大孔型树脂和载体型树脂。其结构示意如图16-1所示。
凝胶型树脂为均相结构透明体，利用溶胀时分子链间孔隙，可允许小分子物向内扩散，交换离子。其优点体积交换容量大，生产工艺简单，成本低，缺点耐渗透强度差，易被有机物污染而使性能易劣化。
大孔型树脂为海绵状多孔结构，不透明体，不同品种可制成孔径从几纳米到几百纳米或微米级的多孔体，比表面积大，每克可达几百至几千平方米，其优点是耐渗透强度高，耐有机物污染，可交换相对分子质量大的离子；缺点是体积交换容量小，合成工艺复杂，成本高。在实际应用中应酌情选用凝胶型或大孔型。
图16-1 三种离子交换树脂的结构示意图
a）凝胶型 b）大孔型 c）载体型
载体型树脂为一种将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠表面上制成的物料，用作液相色谱的固定相，可受液相色谱中流动介质的高压，具有特殊的用途。
3）按树脂品种分类。大多数离子交换树脂都是以高分子材料为骨架并带有可离化基团的三维网状交联物，但不同树脂结构需选用不同品种树脂，如凝胶型离子交换树脂按品种可分为聚苯乙烯系及丙烯酸系，且各自可分为阳离子交换型（又可分为强酸性型、弱酸性型）及阴离子交换型（又可分为强碱性型、弱碱性型）两种，分别用于不同极性离子交换的场合。此外，还有螯合系列、两性（即高分子骨架上同时带有强碱/弱酸离子或弱碱/强酸离子）系列、氧化还原类树脂和苯酚/甲醛缩聚物等。
对大孔型离子交换树脂，按组成骨架树脂的品种可分为苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系、乙烯吡啶系、脲醛系和氯乙烯系等。
2.离子交换树脂性能指标
离子交换树脂最重要的基本性能是交换功能，为此要求有必要的物理化学性能：
（1）形状 离子交换树脂一般在流体冲击下工作，故物料应具有球形颗粒状，粒径一般为0.315～1.20mm，且保证其颗粒度均匀，故常用有效粒径和均一系数为控制参数。有效粒径指在保留90%树脂样品（湿态）时筛孔径数；均一系数是保留40%树脂样品（湿态）时筛孔孔径数与有效粒径之比，其数值越小粒料均匀性越好。
对大孔树脂，其比表面积也是重要的指标，主要指其内比表面积，一般应在1～1000m2/g以上。外比表面积较小，一般在0.1m2/g左右（在一定粒径范围内变化不大）。其他还有树脂的孔容（指单位质量树脂的孔体积）、孔度（指树脂孔容占树脂总体积之比）、孔径（指树脂内孔穴近似为圆柱形时的直径）等指标。
（2）树脂含水量 绝大多数树脂在水溶液中工作，水可使树脂溶胀，扩大容积，有利于离子扩散交换，但含水量太大会降低强度和体积交换量，一般含水量为30%～80%。
（3）树脂密度 树脂密度包括堆密度（干态树脂质量/颗粒本身体积）、骨架密度（干态树脂骨架本身的密度）、湿真密度（湿态树脂质量/颗粒本身体积）、湿视密度（湿态树脂质量/树脂本身与其间的空隙所占体积）。
（4）树脂交换容量 它是指单位质量或单位体积树脂在一定条件下能达到的可交换离子基团量，可分为四项指标：
1）总交换容量是指该树脂理论上可达到的总交换容量。
2）工作容量是指在一定工作条件下测定的实际达到的交换容量。
3）再生容量是指当存在再生剂时测定的交换容量，它与工作容量之和小于总交换容量。
4）贯流交换容量是指在填充满交换树脂的交换柱中，当处理流体注入流出后，测量流出液中发现被交换离子，且达到一定浓度以上时测出的交换离子容量。(www.xing528.com)
（5）树脂物理、化学特性 交换树脂一般为不溶于任何溶剂，也不熔融的聚合物，且具有较高的强度（如耐压强度、滚磨强度和渗磨强度），以减少使用中的破损。同时，树脂也应具有耐热性、热稳定性和化学稳定性，且要求在较高工作温度时树脂交换量下降不大。通常，酸性阳离子树脂允许使用温度比碱性阴离子树脂高，弱酸（碱）性树脂比强酸（碱）性树脂高，丙烯酸系比苯乙烯系高。
此外，树脂还应具有耐化学分解、耐有机物及腐蚀物污染性，应便于再生清理，防止性能劣化而降低使用寿命。
由于树脂长期在反复溶胀及收缩、离子交换、再生离子交换、混合等条件下工作，故应具有耐溶胀疲劳、粒料间滚磨、渗磨等性能，以防止过早物理破碎。
3.几种离子交换树脂的性能
常用的树脂中以苯乙烯系及丙烯酸系树脂为主。苯乙烯系树脂价格便宜，来源广泛，共聚物具有优良的物理力学性，且不易氧化，不易水解和热降解，故应用较广。丙烯酸系树脂亲水性、耐有机污染性和耐热性优于苯乙烯，如弱碱性阴离子树脂交换量大，强度高，但其耐氧化性差、酰胺键易水解，故应用不及苯乙烯树脂。几种离子交换树脂的应用及生产厂见表16-2。
表16-2 几种离子交换树脂应用及生产厂
4.离子交换树脂的功能
离子交换树脂可制成球颗粒状、薄膜、纤维、纸张、无机离子和液体离子交换剂等形式，可用于不同场合制成离子交换装置。离子交换树脂主要的功能有以下几个方面
（1）离子交换作用 这是离子交换树脂的最基本的功能。当离子交换树脂与电解质溶液接触时，树脂粒子内部的可活动反离子就离解，并与进入树脂内溶液中的离子发生交换反应。
离子交换反应通常是平衡可逆的，反应方向受树脂交换基团的性质、溶液中离子的性质、浓度、溶液pH值、温度等因素的影响，利用这种可逆平衡性质，可以使交换饱和的离子交换树脂得到再生而反复使用。对于螯形树脂和对某种离子具有较大选择性的树脂，交换反应一般不可逆，必须采取其他的方式使被交换吸附的离子解吸。
（2）吸附作用 离子交换树脂与溶液接触时还有从溶液中吸附非电解物质的功能，这种吸附作用也是可逆的，可用适当的溶剂使其解吸。
大孔型树脂的吸附功能大大提高。不仅可以从极性溶剂中吸附弱极性或非极性物质，而且可以从非极性溶剂中吸附弱极性物质，以及作为气体吸附剂作用。
（3）脱水作用 离子交换树脂中的交换基团是强极性的，有很强的亲水性，因此干燥的离子交换树脂有很强的吸水作用可用作脱水剂，如强酸性阳离子交换树脂对各种有机溶剂都有脱水性作用。
（4）催化作用 离子交换树脂就是高分子酸、碱，介质对某些有机化学反应可起催化作用，特别是大孔型离子交换树脂已大量用于在酯化反应、烷基化反应、烯烃水合、缩醛化反应、水解反应、脱水反应以及缩合反应中作催化剂。与一般低分子液体酸、碱作催化剂相比，离子交换树脂具有反应生成物与催化剂易于分离、使反应后处理大大简化、树脂对设备没有任何腐蚀性等优点。
（5）脱色作用 色素大多数为阴离子性物质或弱极性物质，可用离子树脂除去它。特别是大孔型树脂具有很强的脱色作用，可作为优良的脱色剂。如葡萄糖、蔗糖、甜菜糖等用离子交换树脂作脱色精制效果很好。与活性炭相比，用离子交换树脂脱色具有反复使用周期长、使用方便等优点，且还可用其吸附去除某些有机物。
（6）其他 离子交换树脂还具有物质净化、浓缩、分离、物质离子组分转换等功能。
5.离子交换树脂的主要用途
1）水处理。可以用于水的软化、脱碱、水的脱盐及高纯水制备。
2）糖及多元醇的处理。葡萄糖的脱色精制，蔗糖、甜菜糖浆的软化、脱色精制，甘油的纯化，山梨糖醇的纯化。
3）工业废水处理。含铬、汞、铜废水处理，含金、银废水处理及回收。
4）原子能工业。铀、钍的提炼，反应堆用水的净化，放射性废水的处理。
5）催化剂。用于蔗糖的转化、酯化反应、水解反应、水合反应、脱水反应、烷基化反应、缩合反应等。
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