有機離子交換劑主要是指以離子交換樹脂為代表的一類高分子化合物，其中以離子交換樹脂的研究最為成熟，其套用也最為廣泛。
基本介紹
- 中文名：有機離子交換劑
- 類型：高分子化合物
- 吸附樹脂：物質的分離淨化目的
- 離子交換樹脂：高分子電解質
簡介,分類,其他,
簡介
離子交換樹脂是一種不溶於水、酸和鹼的高分子電解質。它是由交聯結構的高分子骨架(稱母體)與能離解的交換基團兩個基本部分所構成。它雖不溶於酸或鹼，卻具有酸鹼的性能，能與水中帶有同性電荷的離子進行交換反應，而且這種反應是可逆的。
分類
有機離子交換樹脂大致可分為以下幾個類型：
一、陽離子交換樹脂
這類交換樹脂含有酸性基團，如-SO3H、-PO3H2、-C0OH等,能與溶液中陽離子進行交換的。根據交換基因酸性的強弱，又可進一步把陽離子交換樹脂分成如下幾類：
強酸性陽離子交換樹脂(含官能團-SO3H、-CH2SO3H等)
其酸性相當於硫酸、鹽酸等無機酸，它在鹼性、中性、甚至酸性介質中都顯示離子交換功能。
以苯乙烯-二乙烯苯共聚球體為基礎的強酸性陽離子交換樹脂，是用途最廣、用量最大的一種離子樹脂，它是用濃硫酸或發煙硫酸、氯磺酸等磺化以上共聚球體而,因此通常只能獲得5毫克當量/克左右的交換容量，證明在每個苯環上只引入了一個磺酸基。磺化後的樹脂是H+式，為貯存和運輸方便、生產廠家都把它轉變成Na+式。
此外，尚有早期發明的以苯酚-甲醛縮聚物磺化而得的強酸性樹脂。這種樹脂後來也可以作成球狀。因它的綜合性能不如聚苯乙烯系強酸性樹脂，目前很少用它。
中等酸性陽離子交換樹脂(含宮能團-PO3H2、- PO3H3、-AsO3H2等)
弱酸性陽離子交換樹脂(含官能閉-COOH、-CH2OH、-OH等)
以上兩種交換樹脂僅能在接近中性和鹼性介質中才能解離而顯示離子交換功能。含羧酸基的弱酸性離子樹脂常是用甲基丙烯酸或丙烯酸與二乙烯苯進行懸浮共聚合、亦或甲基丙烯酸甲脂或丙烯酸甲脂與二乙烯苯懸浮共聚合而後水解的方法製得。過去，聚丙烯酸系弱酸性樹脂以對鏈黴素的特殊選擇交換吸附性能而主要用於鏈黴素的分離提煉。近年來，根據它的高達9毫克當量/克左右的交換容量、容易再生、以及對二價金屬離子具有較好選擇性的特點，已廣泛用於水處理及工業廢水處理等方面。
二、 陰離子交換樹脂
陰離子交換樹脂含有鹼性基團，如：-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH、-NH2等，能與溶液中的陰離子進行交換，根據交換基因酸性的強弱，又可進一步把陰離子交換樹脂分成如下幾類：
強鹼性陰離子交換樹脂(含官能團-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH等)
其鹼性較強而相當於一般季胺鹼，它在酸性、中性、甚至鹼性介質中部可顯示離子交換功能。
常用的強鹼性離子交換樹脂，是用苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒經氯甲基化和叔胺胺化而得。當用三甲胺胺化時，得到I型強鹼性陰離子樹脂；用二甲基乙醇胺胺化得到Ⅱ型強鹼性陰離子樹脂。它們的鹼性都很強，不僅可交換一般無機酸根陰離，也可交換吸附矽酸，醋酸那樣的弱酸。I型強鹼性樹脂的鹼性比Ⅱ型更強，用途更廣泛。0H-式強鹼性陰離子樹脂熱穩定性較差，限於60℃以下使用。
弱鹼性陰離子交換樹脂(含官能團-NH2、-NHR、-NR2等，其鹼性次序為-NR2>-NHR>-NH2)[3]
這種樹脂只在中性及酸性介質中才顯示離子交換功能。可通過聚合或縮聚的方法而得。而常用的弱鹼性陰離子樹脂是使苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒經氯甲基化而後伯胺或仲胺胺化製得的。因這種樹脂鹼性很弱，只能交換鹽酸、硫酸、硝酸這樣的無機酸陰離子，而對矽酸等弱酸幾乎沒有交換吸附能力。較高的交換容量和容易再生是這種陰離子交換樹脂的重要特點。
近年來，還開發了聚丙烯酸系的弱鹼性陰離子交換樹脂[4]。
三、 吸附樹脂
吸附樹脂就是樹脂吸附劑，是利用樹脂能發生吸附-解吸作用，以達到物質的分離淨化目的。樹脂一般是按照製備大孔型離子交換樹脂骨架的方法製得的，未經功能基反應．不帶離子交換基團的多孔性樹脂骨架，外觀多半是不到一毫米的白色小顆粒；有些由帶極性基閉單體製得，也就是離子交換樹脂，兩者很難嚴格區分。吸附樹脂和活性炭、氧化鋁、矽膠等吸附劑的作用很相象，又不相同。它的特點是容易再生，可以反覆使用。
對於以苯乙烯為骨架的吸附樹脂，連線在主鏈上的苯環是一個電子均勻分布的平面，對於一些性質相近的分子，如苯酚等具有很強的吸附能力，最能吸附不溶於水而又高度溶解於醇類、丙酮等有機溶劑、“長尾巴”帶極性的分子。樹脂的吸附一般是隨被吸附分子的親油性而增加，特別適用於廢水的脫酚、去油、除去水中三硝基甲苯(TNT)及含氯農藥廢水、各種印染、造紙廢水的淨化、糖液的脫色、氣體的淨化，也可用於天然產物、生物製品、有機化合物的分離提純、放射性元素等濃縮、分離，還可以當作醫療藥劑、酶、農藥、化學反應催化劑的載體。吸附樹脂的另一方面重要套用是作為氣相及液體色譜柱的載體和凝膠滲透色譜(GPC)柱的填料。
四、螯合樹脂
一般的離子交換樹脂對不同離子之間的選擇性差別並不很大。選擇性主要決定於樹脂所帶功能基的性能，改變骨架的作用並不很大，因此在套用的範圍及效果上都要求合成帶特殊功能基、具有專一選擇性的樹脂。鰲合樹脂是指帶有具有螯合能力的基團，對特定離子具有特殊選擇能力的樹脂，因為它既有生成離子鍵又有形成配價鍵的能力，在螯合物形成後，結構上有點像螃蟹，故形象地叫螯合樹脂。理想的樹脂應具有特殊選擇性，但是真正做到並不容易。人們從絡合物的研究、分析化學的發展得到啟示，設計合成了多種多樣的螯合樹脂，至今真正商品化的也並不多，其中主要是羧酸胺類，如美國的Dowex A-1、IRC-718、日本的Diaion CR-10、蘇聯的K-1、-2等套用最為普遍。它對於某些金屬，如Cr3+、In3+、Hg2+、Co2+、Hg22+、Ca2+、Ni2+等具有特殊的選擇性。
其他以商品形式出現的是去汞的巰基、酚醛硫脲、胺基硫代甲酸鹽(ALM)、分離貴金屬的硫脲 (BTU，Srafion NMRR)、分離鎳的胺基肟類(Duo1ite CS-346)、吸附硼的多羥基(Ainberlite XE-153)、243樹脂等。至於多胺、膦酸樹脂，有時列入陰陽樹脂範圍內敘述。許多螯合樹脂還處於研究階段，但這是發展方向。
五、氧化還原樹脂
氧化還原樹脂也叫電子交換樹脂，是指帶有能與周圍的活性物質進行電子交換、發生氧化還原的一類樹脂。樹脂失去電子，由原來的還原形式變為氧化形式而周圍的物質就被還原。帶氫醌基的樹脂與水及氧氣作用，樹脂變為醌式，水中出現過氧化氫是一個典型的例子。生命的機制也是由於氧化酶及還原酶的作用，都屬於高分子氧化還原系統。如纖維印染、彩色照相及工業廢物的生化處理等都涉及氧化還原樹脂，估計在抗氧劑、非擴散性穩定劑、水去氧及催化化學反應方面都有一定用處，特別是在生物化學方面其用途更是日益擴大。
六、 兩性樹脂
陰、陽兩種樹脂混合使用，可以除去溶液中的陰、陽離子，達到去鹽的目的，但是再生時要求將兩種樹脂分開，分別用酸鹼處理。為了克服分開樹脂的繁瑣手續，將兩種性質相反的陰、陽離子交換功能基(一至四胺及磺酸、膦酸、羧酸)連線在同一樹脂骨架上，就構成兩性樹脂。
此種樹脂骨架上的兩種類型功能基彼此接近，在與溶液里的陰陽離子交換以後，只要用通過水，稍稍改變體系的酸鹼條件即可發生相反的水解反應恢復樹脂原來的型式，可以再用。例如，在離子阻滯法中，用此種樹脂可以把溶液中的鹽類與有機物分開，也可以用作緩衝劑，調節溶液的酸鹼性。
七、蛇籠樹脂
蛇籠樹脂與兩性樹脂相似，在同一個樹脂顆粒裡帶有陰、陽交換功能的兩種聚合物，一種是以交聯的陰樹脂為籠，而以線型的聚丙烯酸為蛇；另一種也可以以交聯的多元酸為籠，而以線型多元鹼為蛇，就象蛇關於籠網，不能漏出，故形象地稱為蛇籠樹脂。
此種樹脂的兩種功能基可以互相接近，幾乎相互吸引中和，但遇到溶液中的離子時，還能起交換作用，可以使溶液脫鹽。在使用後，它只需用大量水洗即可恢復交換能力。蛇籠樹脂套用的原理是離子阻滯，即利用蛇籠樹脂中所帶陰陽兩種功能基截留阻滯處理液中強電解質(鹽)而排斥有機物(乙二醇)，使有機物在流出液中首先出現，所以叫離子阻滯法。
八、 磁性樹脂
粉狀樹脂解決了樹脂套用中的速度問題，但粉狀樹脂的沉降很慢，過濾和再生等操作都很困難。磁性樹脂主要是利用樹脂所帶的磁性，通過磁場的作用，加速粉狀樹脂的沉降，以便快速分離，提高效率。它在自動化大規模生產，特別是在使用反應速度較慢的弱酸、弱鹼樹脂的熱再生法中是很為重要的。
將γ-Fe203等磁性物質機械地與樹脂顆粒結合在一起，製成磁性樹脂粉末，在磁場的作用下，樹脂粉末就能很快沉降，速度幾乎可以與一般樹脂顆粒一樣。此種絮凝物略經攪拌，很易重新分散開來，進行化學反應。磁性樹脂兼具了粉狀樹脂反應速度快和一般材脂處理方便的兩種特點，為自動化和大規模生產提供了良好條件。磁性樹脂可以在懸浮物存在下套用，省免了過濾等預處理。
一、陽離子交換樹脂
這類交換樹脂含有酸性基團，如-SO3H、-PO3H2、-C0OH等,能與溶液中陽離子進行交換的。根據交換基因酸性的強弱，又可進一步把陽離子交換樹脂分成如下幾類：
強酸性陽離子交換樹脂(含官能團-SO3H、-CH2SO3H等)
其酸性相當於硫酸、鹽酸等無機酸，它在鹼性、中性、甚至酸性介質中都顯示離子交換功能。
以苯乙烯-二乙烯苯共聚球體為基礎的強酸性陽離子交換樹脂，是用途最廣、用量最大的一種離子樹脂，它是用濃硫酸或發煙硫酸、氯磺酸等磺化以上共聚球體而,因此通常只能獲得5毫克當量/克左右的交換容量，證明在每個苯環上只引入了一個磺酸基。磺化後的樹脂是H+式，為貯存和運輸方便、生產廠家都把它轉變成Na+式。
此外，尚有早期發明的以苯酚-甲醛縮聚物磺化而得的強酸性樹脂。這種樹脂後來也可以作成球狀。因它的綜合性能不如聚苯乙烯系強酸性樹脂，目前很少用它。
中等酸性陽離子交換樹脂(含宮能團-PO3H2、- PO3H3、-AsO3H2等)
弱酸性陽離子交換樹脂(含官能閉-COOH、-CH2OH、-OH等)
以上兩種交換樹脂僅能在接近中性和鹼性介質中才能解離而顯示離子交換功能。含羧酸基的弱酸性離子樹脂常是用甲基丙烯酸或丙烯酸與二乙烯苯進行懸浮共聚合、亦或甲基丙烯酸甲脂或丙烯酸甲脂與二乙烯苯懸浮共聚合而後水解的方法製得。過去，聚丙烯酸系弱酸性樹脂以對鏈黴素的特殊選擇交換吸附性能而主要用於鏈黴素的分離提煉。近年來，根據它的高達9毫克當量/克左右的交換容量、容易再生、以及對二價金屬離子具有較好選擇性的特點，已廣泛用於水處理及工業廢水處理等方面。
二、 陰離子交換樹脂
陰離子交換樹脂含有鹼性基團，如：-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH、-NH2等，能與溶液中的陰離子進行交換，根據交換基因酸性的強弱，又可進一步把陰離子交換樹脂分成如下幾類：
強鹼性陰離子交換樹脂(含官能團-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH等)
其鹼性較強而相當於一般季胺鹼，它在酸性、中性、甚至鹼性介質中部可顯示離子交換功能。
常用的強鹼性離子交換樹脂，是用苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒經氯甲基化和叔胺胺化而得。當用三甲胺胺化時，得到I型強鹼性陰離子樹脂；用二甲基乙醇胺胺化得到Ⅱ型強鹼性陰離子樹脂。它們的鹼性都很強，不僅可交換一般無機酸根陰離，也可交換吸附矽酸，醋酸那樣的弱酸。I型強鹼性樹脂的鹼性比Ⅱ型更強，用途更廣泛。0H-式強鹼性陰離子樹脂熱穩定性較差，限於60℃以下使用。
弱鹼性陰離子交換樹脂(含官能團-NH2、-NHR、-NR2等，其鹼性次序為-NR2>-NHR>-NH2)[3]
這種樹脂只在中性及酸性介質中才顯示離子交換功能。可通過聚合或縮聚的方法而得。而常用的弱鹼性陰離子樹脂是使苯乙烯-二乙烯苯共聚球粒經氯甲基化而後伯胺或仲胺胺化製得的。因這種樹脂鹼性很弱，只能交換鹽酸、硫酸、硝酸這樣的無機酸陰離子，而對矽酸等弱酸幾乎沒有交換吸附能力。較高的交換容量和容易再生是這種陰離子交換樹脂的重要特點。
近年來，還開發了聚丙烯酸系的弱鹼性陰離子交換樹脂[4]。
三、 吸附樹脂
吸附樹脂就是樹脂吸附劑，是利用樹脂能發生吸附-解吸作用，以達到物質的分離淨化目的。樹脂一般是按照製備大孔型離子交換樹脂骨架的方法製得的，未經功能基反應．不帶離子交換基團的多孔性樹脂骨架，外觀多半是不到一毫米的白色小顆粒；有些由帶極性基閉單體製得，也就是離子交換樹脂，兩者很難嚴格區分。吸附樹脂和活性炭、氧化鋁、矽膠等吸附劑的作用很相象，又不相同。它的特點是容易再生，可以反覆使用。
對於以苯乙烯為骨架的吸附樹脂，連線在主鏈上的苯環是一個電子均勻分布的平面，對於一些性質相近的分子，如苯酚等具有很強的吸附能力，最能吸附不溶於水而又高度溶解於醇類、丙酮等有機溶劑、“長尾巴”帶極性的分子。樹脂的吸附一般是隨被吸附分子的親油性而增加，特別適用於廢水的脫酚、去油、除去水中三硝基甲苯(TNT)及含氯農藥廢水、各種印染、造紙廢水的淨化、糖液的脫色、氣體的淨化，也可用於天然產物、生物製品、有機化合物的分離提純、放射性元素等濃縮、分離，還可以當作醫療藥劑、酶、農藥、化學反應催化劑的載體。吸附樹脂的另一方面重要套用是作為氣相及液體色譜柱的載體和凝膠滲透色譜(GPC)柱的填料。
四、螯合樹脂
一般的離子交換樹脂對不同離子之間的選擇性差別並不很大。選擇性主要決定於樹脂所帶功能基的性能，改變骨架的作用並不很大，因此在套用的範圍及效果上都要求合成帶特殊功能基、具有專一選擇性的樹脂。鰲合樹脂是指帶有具有螯合能力的基團，對特定離子具有特殊選擇能力的樹脂，因為它既有生成離子鍵又有形成配價鍵的能力，在螯合物形成後，結構上有點像螃蟹，故形象地叫螯合樹脂。理想的樹脂應具有特殊選擇性，但是真正做到並不容易。人們從絡合物的研究、分析化學的發展得到啟示，設計合成了多種多樣的螯合樹脂，至今真正商品化的也並不多，其中主要是羧酸胺類，如美國的Dowex A-1、IRC-718、日本的Diaion CR-10、蘇聯的K-1、-2等套用最為普遍。它對於某些金屬，如Cr3+、In3+、Hg2+、Co2+、Hg22+、Ca2+、Ni2+等具有特殊的選擇性。
其他以商品形式出現的是去汞的巰基、酚醛硫脲、胺基硫代甲酸鹽(ALM)、分離貴金屬的硫脲 (BTU，Srafion NMRR)、分離鎳的胺基肟類(Duo1ite CS-346)、吸附硼的多羥基(Ainberlite XE-153)、243樹脂等。至於多胺、膦酸樹脂，有時列入陰陽樹脂範圍內敘述。許多螯合樹脂還處於研究階段，但這是發展方向。
五、氧化還原樹脂
氧化還原樹脂也叫電子交換樹脂，是指帶有能與周圍的活性物質進行電子交換、發生氧化還原的一類樹脂。樹脂失去電子，由原來的還原形式變為氧化形式而周圍的物質就被還原。帶氫醌基的樹脂與水及氧氣作用，樹脂變為醌式，水中出現過氧化氫是一個典型的例子。生命的機制也是由於氧化酶及還原酶的作用，都屬於高分子氧化還原系統。如纖維印染、彩色照相及工業廢物的生化處理等都涉及氧化還原樹脂，估計在抗氧劑、非擴散性穩定劑、水去氧及催化化學反應方面都有一定用處，特別是在生物化學方面其用途更是日益擴大。
六、 兩性樹脂
陰、陽兩種樹脂混合使用，可以除去溶液中的陰、陽離子，達到去鹽的目的，但是再生時要求將兩種樹脂分開，分別用酸鹼處理。為了克服分開樹脂的繁瑣手續，將兩種性質相反的陰、陽離子交換功能基(一至四胺及磺酸、膦酸、羧酸)連線在同一樹脂骨架上，就構成兩性樹脂。
此種樹脂骨架上的兩種類型功能基彼此接近，在與溶液里的陰陽離子交換以後，只要用通過水，稍稍改變體系的酸鹼條件即可發生相反的水解反應恢復樹脂原來的型式，可以再用。例如，在離子阻滯法中，用此種樹脂可以把溶液中的鹽類與有機物分開，也可以用作緩衝劑，調節溶液的酸鹼性。
七、蛇籠樹脂
蛇籠樹脂與兩性樹脂相似，在同一個樹脂顆粒裡帶有陰、陽交換功能的兩種聚合物，一種是以交聯的陰樹脂為籠，而以線型的聚丙烯酸為蛇；另一種也可以以交聯的多元酸為籠，而以線型多元鹼為蛇，就象蛇關於籠網，不能漏出，故形象地稱為蛇籠樹脂。
此種樹脂的兩種功能基可以互相接近，幾乎相互吸引中和，但遇到溶液中的離子時，還能起交換作用，可以使溶液脫鹽。在使用後，它只需用大量水洗即可恢復交換能力。蛇籠樹脂套用的原理是離子阻滯，即利用蛇籠樹脂中所帶陰陽兩種功能基截留阻滯處理液中強電解質(鹽)而排斥有機物(乙二醇)，使有機物在流出液中首先出現，所以叫離子阻滯法。
八、 磁性樹脂
粉狀樹脂解決了樹脂套用中的速度問題，但粉狀樹脂的沉降很慢，過濾和再生等操作都很困難。磁性樹脂主要是利用樹脂所帶的磁性，通過磁場的作用，加速粉狀樹脂的沉降，以便快速分離，提高效率。它在自動化大規模生產，特別是在使用反應速度較慢的弱酸、弱鹼樹脂的熱再生法中是很為重要的。
將γ-Fe203等磁性物質機械地與樹脂顆粒結合在一起，製成磁性樹脂粉末，在磁場的作用下，樹脂粉末就能很快沉降，速度幾乎可以與一般樹脂顆粒一樣。此種絮凝物略經攪拌，很易重新分散開來，進行化學反應。磁性樹脂兼具了粉狀樹脂反應速度快和一般材脂處理方便的兩種特點，為自動化和大規模生產提供了良好條件。磁性樹脂可以在懸浮物存在下套用，省免了過濾等預處理。
其他
另外，還有熱再生樹脂、碳化樹脂、粉狀樹脂、離子交換膜、離子交換纖維、離子交換液、特種樹脂等不同類型的有機離子交換樹脂。
