離子交換樹脂的用途與技術報告

離子交換樹脂在現代制糖工業中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和高級食用糖漿，多數使用離子交換樹脂將糖液脫色提純，而過去傳統用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉向使用離子交換樹脂的趨勢。 離子交換樹脂在現代制糖工業中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和高級食用糖漿，多數使用離子交換樹脂將糖液脫色提純，而過去傳統用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉向使用離子交換樹脂的趨勢。

離子交換技術有相當長的歷史，某些天然物質如泡沸石和用ú經過磺化制得的磺化ú都可用作離子交換劑。但是，隨著現代有機合成工業技術的迅速發展，研究制成了許多種性能優良的離子交換樹脂，并開發了多種新的應用方法，離子交換技術迅速發展，在許多行業特別是高新科技產業和科研領域中廣泛應用。近年國內外生產的樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。

在工業應用中，離子交換樹脂的優點主要是處理能力大，脫色范Χ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，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術的開發和應用還在迅速發展之中。 
離子交換樹脂的應用，是近年國內外制糖工業的一個重點研究課題，是糖業現代化的重要標志。膜分離技術在糖業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絡結構的骨架，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Χ內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度（堅牢性），化學性質也很穩定，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和類別。首先區分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩大類，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）。

離子交換樹脂根據其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂，及根據樹脂的物理結構分為凝膠型和大孔型。 
離子交換樹脂的品種很多，因化學組成和結構不同而具有不同的功能和特性，適應于不同的用途。應用樹脂要根據工藝要求和物料的性質選用適當的類型和品種。

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，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合，從而產生陽離子交換作用。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合，從而產生陰離子交換作用。 
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合，從而產生陰離子交換作用。這種樹脂在多數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，常將這些樹脂轉變為其他離子型式運行，以適應各種需要。例如常將強酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉變為鈉型樹脂再使用。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û有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產生的副作用（如蔗糖轉化和設備腐蝕等）。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變為氯型再使用，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。氯型樹脂也可轉變為碳酸氫型（HCO3－）運行。強酸性樹脂及強堿性樹脂在轉變為鈉型和氯型后，就不再具有強酸性及強堿性，但它們仍然有這些樹脂的其他典型性能，如離解性強和工作的pH范Χ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）兩大類，它們分別與交聯劑二乙烯苯產生聚合反應，形成具有長分子主鏈及交聯橫鏈的網絡骨架結構的聚合物。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，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，可充分發揮兩者的長處。 
樹脂的交聯度，即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分數，對樹脂的性質有很大影響。通常，交聯度高的樹脂聚合得比較緊密，堅牢而耐用，密度較高，內部空隙較少，對離子的選擇性較強；而交聯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。工業應用的離子樹脂的交聯度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯度一般不高于8%；單純用于吸附無機離子的樹脂，其交聯度可較高。 
除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外，離子交換樹脂還可由其他有機單體聚合制成。如酚醛系（FP）、環氧系（EPA）、乙烯吡啶系（VP）、脲醛系（UA）等。