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离子交换树脂的应用
崔春雨
（芜湖职业技术学院 材料工程学院 芜湖 241000）
摘 要：综述了离子交换树脂在日常生活及工业生产中的应用，从各个方面叙述了离子交换树脂的重要作用，从总体上评述了离子交换树脂的发展现状。还探讨了离子交换树脂合成工艺、应用技术等的发展方向，并对离子交换树脂的应用市场前景作出预测和展望【1】。
关键词：离子交换树脂；应用；展望
前 言
离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的分子结构中，一部分为树脂的基体骨架，另一部分为由固定离子和可交换离子组成的活性基团。离子交换树脂具有交换选择、吸附和催化等功能，在工业高纯水制备、医药卫生、食品行业等领域都得到了广泛的应用。近年来，离子交换树脂无论是从种类、结构还是性能上都出现了很大的变化，其生产和应用也都得到了很大的发展。
我国自20世纪50年代以来开始生产和应用离子交换树脂。经过半个多世纪的发展国内常规离子交换树脂的制造和应用技术已经较为成熟，水平与国外相当。离子交换树脂主要用于电力、食品、医药、电子和冶金等行业，随着锅炉给水、饮用水和电子用水等对离子交换出水的纯度要求日益提高，促使常规的离子交换树脂生产和应用技术不断完善，同时催生了许多新型的生产工艺不断涌现，使得离子交换树脂产品升级和技术进步的步伐也日益加快2】。
1．离子交换树脂概述

离子交换树脂是具有反应性基团的轻度交联的体型聚合物，利用其反应性基团实现离子交换反应的一种高分子试剂，是由交联结构的高分子骨架与以化学键结合在骨架上的固定离子基团和以离子键为固定基团以相反符号电荷结合的可交换离子构成的。离子交换树脂根据其基体的种类可分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂；根据树脂中化学活性基团的种类分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换，以及二者的转型树脂。
1．1阳离子交换树脂

阳离子交换树脂分子结构中含有酸性基团，如-SO3H、-PO3H2、-COOH等，能与溶液中阳离子进行交换。根据交换基团酸性的强弱，又可进一步把阳离子交换树脂分成以下几类。
1.1.1强酸性阳离子交换树脂
  如含官能团-SO3H、-CH2SO3H等树脂，其容易在溶液中离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团能吸附结合溶液中的其他阳离子，这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性阳离子交换树脂酸性相当于硫酸、盐酸等无机酸，它在碱性、中性、甚至酸性介质中都显示离子交换功能。这类树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使用。上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸附的阳离子，再与H结合而恢复原来的组成。
1.1.2弱酸性阳离子交换树脂
  弱酸性阳离子交换树脂主要为含弱酸性基团-COOH、-CH2OH、-OH等的树脂。这类树脂能在水中离解出H+而呈酸性，树脂离解后余下的负电基团，如R-COO-(R为碳氢基团)，能与溶液中的其它阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH=5～14)起作用。这类树脂亦是用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生）。
1.1.3中等酸性阳离子交换树脂
  中等酸性阳离子交换树脂其介于强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂之间，主要为含官能团-PO3H2、-PO3H3、-AsO3H2等树脂。

1．2 阴离子交换树脂

阴离子交换树脂一般含有碱性基团，如-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH、-NH2等，能与溶液中的阴离子进行交换。阴离子交换树脂根据交换基因碱性的强弱分成以下两类。
1.2.1强碱性阴离子交换树脂
  这类树脂含有强碱性基团,如-N(CH3)3OH、-N(CH3)2C2H4OH等，能在水中离解出OH-而呈强碱性。其碱性较强，相当于一般季胺碱。这种树脂的正电基团与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作，即在酸性、中性、甚至碱性介质中都可显示离子交换功能。用强碱(如NaOH)可进行再生。
1.2.2弱碱性阴离子交换树脂
  这类树脂含有弱碱性基团，如-NH2、-NHR、-NR2等,它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性，其碱性次序为-NR2>-NHR>-NH2。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH=1～9)下工作。弱碱性阴离子交换树脂可用Na2CO3、NH4OH进行再生。
 1.3 离子交换树脂的转型
在实际使用上，常将这些树脂转变为其他离子型式运行,以适应各种需要。例如，常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用。这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用,工作时放出Cl-而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液[3]。
2．离子交换树脂的应用情况
2.1离子交换树脂在含汞废水处理中的应用
含汞废水是危害最大的工业废水之一，离子交换树脂法适用于处理浓度低而排放量大、含有毒金属的废水。用树脂交换法除汞作为化学法的二级处理系统，能保证达到排放标准，且能实现封闭循环、连续稳定的运行，排放的废水可作为冷却水加以回用；提高了生产能力，单位产品的成本降低，节约了治理费用；应用树脂交换法还能对废水起到脱色作用，处理的水清晰透明。失效后的树脂不再回收，作为汞废渣回收汞，防止了二次污染。因此，应用离子交换法处理低浓度含汞废水，有明显的社会效益和经济效益[4]。
2.2离子交换树脂在医学的中应用
2.2.1药物的精制纯化
药物的精制纯化是将药液中有效成分转化成离子形式，与树脂发生离子交换，将有效成分吸附上去，利用酸碱成盐原理将有效成分转化成盐，再进行洗脱；将药物提取液中低浓度的有效成分经过吸附上柱后洗脱，提高有效成分含量,达到纯化精制目的。其应用以抗生素为主，在其他类药物中也有广泛的应用。
2.2.2药物树脂靶向给药系统
离子交换树脂除了上述用于口服药树脂缓控释系统外，还可用于靶向给药。近年来，越来越多的临床研究表明，抗肿瘤药物的选择性不高，从而限制了药效的进一步发挥。因此，将药物选择性地输送到特定部位以提高局部药物浓度、减少全身毒性和不良反应的靶向系统已越来越受到重视。靶向给药系统由药物与载体组成，常见的载体有微球、脂质体、单克隆抗体、复乳及细胞载体等，而利用离子交换原理可将药物制成非生物降解的药树脂微球。
一般认为，粒径大于50 µm的微粒在靶组织的滞留量少于粒径较小的微粒。因此，可根据药物的性质选择具有适宜交联度和孔径的离子交换树脂，制备成相应的药物树脂微球。由于血液中的离子种类和强度较为恒定且树脂微球体积较小，因而可将药树脂微球进行静脉注射并结合γ-闪烁照相技术对其靶向性进行评价，树脂微球的粒径和孔径是离子在树脂内部扩散的限速因素，而且影响其对组织的靶向性及在靶组织的释药行为[5]。
2.3离子交换树脂在催化剂中的应用
2.3.1酰基化、烷基化
  酰基化、烷基化反应是一类重要的有机合成反应。Friedel-Crafts 反应一般采用传统的催化剂，如Lewis 酸、AlCl3及 FeCl3等。采用沸石和离子交换树脂等固体催化剂取代传统催化剂是芳环烷基化和酰基化反应的一个突破性进展。由于离子交换树脂具有可回收利用优点，近几年来对它在烷基化、酰基化反应中的应用越来越多。
2.3.2环氧化反应和开环反应
烯烃的环氧化反应的氧化剂一般是双氧水或者有机过氧化物，如叔丁基过氧化物和异丙苯基过氧化物。采用离子交换树脂为催化剂，一般用钨、钼负载的阴离子交换树脂为催化剂。
作为亲电试剂，环氧化合物可以被碱性树脂的阴离子亲核试剂开环，或者在酸性树脂质子的帮助下与中性分子反应。环氧乙烷水解制备乙二醇可以采用重碳酸盐形式的阴离子交换树脂作为催化剂。环氧化物水解成二醇的反应还可以采用季磷型交换树脂代替季氨盐型交换树脂作为催化剂。植物油环氧化物在乙酸中可以开环，但是环氧化物的转化率很低[6]。

2.4离子交换树脂在食品工业中的应用
24.1味精
味精是常用调味佳品，主要由玉米发酵液经微生物作用而制得。发酵时得到含谷氨酸2%～5%的原液，可采用离子树脂法提取，当pH等于5时用磺酸型强酸离子树脂进行动态提取，谷氨酸回收率为80%～90%。研究发现，由丙烯睛、丁二烯与二乙烯苯发生共聚反应，用汽油做致孔剂制得的大孔离子树脂，可使用二百多次，而且洗脱峰也比较集中。
2.4.2天然甜味剂的提取
我国传统中草药甘草所含的甘草酸是重要甜味剂，可应用于食品及制药工业。甘草经水提取、酸析、醇提取后得到含40%甘草酸的粗品。粗品溶于水后通过装有吸附树脂的交换柱，甘草酸被树脂吸附，然后用乙醇洗脱，在经蒸发浓缩，可得91%含量的甘草酸精品。在国际上还普遍使用阴阳离子交换树脂、吸附树脂及鳌合树脂由甜叶菊提取液中提取甜菊昔。
2.4.3氨基酸、蛋白质的分离提纯
根据氨基酸等电点的不同，选择适当的pH值，可用离子交换树脂(多用强酸阳离子树脂将它们分离。蛋白质由氨基酸组成，也可根据等电点的不同用离子交换树脂分离[7]。

3展望

离子交换树脂作为一种具备选择吸附和交换功能的特殊的高分子化合物，已经在工业农业加工制造业等各个领域发挥了重要的作用。同时,随着各行业不断发展和科技水平的不断进步，离子交换树脂将在未来发挥更加重要的作用。因此，离子交换树脂市场规模越来越大。离子交换树脂除了继续在常规应用领域（如工业水处理、饮用水净化和食品工业等）继续发挥重要作用外，也开始向高端科技领域渗透和发展。例如，在“神州五号”、“神舟六号”载人宇宙飞船和“嫦娥一号”探月卫星工程中，哈尔滨晶体管厂负责提供军用电子元器件，而浙江争光实业股份有限公司提供的 ZG ER 树脂则为哈尔滨晶体管厂制得了高纯度的电子级生产用水。
  离子交换树脂应用也有不足，如一次性投资高，操作要求及管理严格，有的还存在再生问题、树脂的中毒和老化问题等。但有的问题已有相应的解决办法，提高也是可以做到的。充分发挥离子交换法的回收功能，不仅能保护环境，而且在经济效益方面极有优势。因此，离子交换树脂在工业合成、医药、食品等领域都具有广阔的发展空间。我们应加大在这些方面应用开发工作的力度，以促进离子交换树脂行业的发展[8]。

参考文献:
[1] 钱庭宝,《离子交换剂应用技术》,天津科学出版社,1985,115-125
[2] 何炳林等,《南开大学高分子学科论文摘要及成果目录》,南开大学高分子研究所,天津,
1988,10,1-169
[3] 张贵珠,史慧明。离子交换与吸附,1987,3(2),58
[4] 方强，王楚强.谈谈离子交换树脂在废水处理中的应用[J].现代经济信息，2010，（5）：153
[5] 李文秀，马英丽.离子交换树脂在药物制剂中的应用[J].中国技术新产品，2010（13）:19
[6] 齐秀玲.离子交换树脂催化剂的应用及发展趋势[J].精细与专用化学品，2012,20（7）：15-18
[7] 钱庭宝、刘维琳,《离子交换树脂应用手册》,南开大学出版社,1988年底出版.
[8] 黄艳，章志昕，韩倩倩，等.国内离子交换树脂生产及应用现状与前景[J].净水技术，20109,2（5）：11-16,29
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