功能高分子吸附分離高分子材料

第二章

吸附分離高分子材料當(dāng)前第1頁\共有130頁\編于星期五\3點內(nèi)容提綱1.吸附樹脂2.離子交換樹脂3.螯合樹脂4.高吸水性樹脂5.高分子絮凝劑當(dāng)前第2頁\共有130頁\編于星期五\3點吸附分離高分子材料是利用高分子材料與被吸附物質(zhì)之間的物理或化學(xué)作用，使兩者之間發(fā)生暫時或永久性結(jié)合，進而發(fā)揮各種功效的材料。當(dāng)前第3頁\共有130頁\編于星期五\3點吸附樹脂是指具有特殊吸附功能的一類樹脂，是一類多孔性的、高度交聯(lián)的高分子共聚物，又稱為高分子吸附劑。這類高分子材料具有較大的比表面積和適當(dāng)?shù)目讖剑蓮臍庀嗷蛉芤褐形侥承┪镔|(zhì)。與離子交換樹脂相比，吸附樹脂的組成中不存在功能基及功能基的反離子，它類似于不含功能基及功能基反離子的大孔樹脂。吸附樹脂與被吸附物質(zhì)之間的作用主要是物理作用，如范德華力、偶極-偶極相互作用和氫鍵等較弱的作用力。1.吸附樹脂當(dāng)前第4頁\共有130頁\編于星期五\3點2.1吸附樹脂分類與制備技術(shù)吸附樹脂目前尚無統(tǒng)一的分類方法，通常按其化學(xué)結(jié)構(gòu)分為以下幾類。非極性吸附樹脂。指樹脂中電荷分布均勻，在分子水平上不存在正負(fù)電荷相對集中的極性基團的樹脂。中極性吸附樹脂。這類樹脂的分子結(jié)構(gòu)中存在酯基等極性基團，樹脂具有一定的極性。極性吸附樹脂。分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺基、亞砜基、腈基等極性基團，這些基團的極性大于酯基。強極性吸附樹脂。強極性吸附樹脂含有極性很強的基團，如吡啶、氨基等。當(dāng)前第5頁\共有130頁\編于星期五\3點吸附樹脂成球技術(shù)：以懸浮聚合與反相懸浮聚合為主。疏水性單體的懸浮聚合，（加交聯(lián)劑）。含極性基團的取代烯烴單體的懸浮聚合，通在水相中加入食鹽或同時在有機相中加入非極性溶劑（增大有機相與水相的極性差異，避免兩相界面上的非成球聚合）；對可溶于水的強極性單體如丙烯酰胺，須采用反相懸浮聚合。水溶性單體的懸浮縮聚反應(yīng)，如酚醛樹脂線形高分子的懸浮交聯(lián)成球，主要用于天然來源高分子的交聯(lián)成球，如明膠-醛類交聯(lián)成球、殼聚糖-戊二醛交聯(lián)成球等。當(dāng)前第6頁\共有130頁\編于星期五\3點吸附樹脂成孔技術(shù)：主要研究孔的形成、孔徑大小、孔徑分布及孔隙率的控制。惰性溶劑致孔，在聚合過程中實現(xiàn)。線性高分子致孔，在懸浮聚合的單體相中加入線形高分子如聚苯乙烯，反應(yīng)結(jié)束后，溶劑抽提出聚合物球中的線形高分子，得到表面積較小、孔徑較大的大孔樹脂。后交聯(lián)成孔，先制備低交聯(lián)度或線形的高分子，然后再進行化學(xué)反應(yīng)以達到所需的交聯(lián)度。例交聯(lián)度在1%以下的苯乙烯樹脂，氯甲基化后，在較高溫度下引發(fā)傅-克反應(yīng)，實現(xiàn)交聯(lián)，得到大網(wǎng)均孔樹脂，比表面積可達1000m2/g以上。當(dāng)前第7頁\共有130頁\編于星期五\3點吸附樹脂的外觀一般為直徑為0.3～1.0mm的小圓球，表面光滑，根據(jù)品種和性能的不同可為乳白色、淺黃色或深褐色。吸附樹脂的顆粒的大小對性能影響很大。粒徑越小、越均勻，樹脂的吸附性能越好。但是粒徑太小，使用時對流體的阻力太大，過濾困難，并且容易流失。粒徑均一的吸附樹脂在生產(chǎn)中尚難以做到，故目前吸附樹脂一般具有較寬的粒徑分布。吸附樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。從SEM可觀察到樹脂內(nèi)部像一堆葡萄微球(大小約0.06～0.5μm范圍)，葡萄珠之間存在許多空隙，即是樹脂的孔。研究表明葡萄球內(nèi)部還有許多微孔。正是這種多孔結(jié)構(gòu)賦予樹脂優(yōu)良的吸附性能。2.2吸附樹脂的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第8頁\共有130頁\編于星期五\3點2.3吸附樹脂主要品種吸附樹脂主要有聚苯乙烯型、聚丙烯酸酯型以及其他的各類樹脂。聚苯乙烯型吸附樹脂。以苯乙烯為主要合成單體，以二乙烯苯作為交聯(lián)單體制備。聚甲基丙烯酸甲酯-雙甲基丙烯酸乙二酯交聯(lián)吸附樹脂。這是一種中極性性吸附樹脂，具有較好的耐熱性，軟化點在150oC以上；極性適中，既能從水溶液中吸附親酯性物質(zhì)，也能從有機溶液中吸附親水性物質(zhì)。其他類型的吸附樹脂。聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚酰胺、聚乙烯亞胺、纖維衍生物等也可以作為吸附樹脂。當(dāng)前第9頁\共有130頁\編于星期五\3點2.4吸附樹脂吸附分離原理吸附樹脂主要依靠吸附性和篩選原理實現(xiàn)分離。當(dāng)吸附氣體時，往往發(fā)生多層吸附，要用BET公式描述；當(dāng)溶液吸附時，多為單分子層吸附，符合Langmuir公式。。吸附樹脂的吸附量除受壓力或溶液中濃度的影響外，還受溫度影響，一般來說，溫度升高吸附量下降，特別對氣體物質(zhì)的吸附如此，在溶液中可能會出現(xiàn)隨溫度升高而吸附量增加的情形。吸附樹脂的動力學(xué)主要受膜擴散或粒擴散控制。脫附時，氣體可用升溫方法；溶液吸附后要用另一種有機溶劑淋洗。當(dāng)前第10頁\共有130頁\編于星期五\3點2.5吸附樹脂的應(yīng)用有機物的分離由于吸附樹脂具有巨大的比表面，不同的吸附樹脂有不同的極性，所以可用來分離有機物。例如，含酚廢水中酚的提取，有機溶液的脫色等等。在醫(yī)療衛(wèi)生中的應(yīng)用吸附樹脂可作為血液的清洗劑。這方面的應(yīng)用研究正在開展，已有搶救安眠藥中毒病人的成功例子。藥物的分離提取在紅霉索、絲裂霉素、頭孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附樹脂提取法。由于吸附樹脂不受溶液pH值的影響，不必調(diào)整抗菌素發(fā)酵液的pH值，因此不會造成酸、堿對發(fā)酵液活性的破壞。當(dāng)前第11頁\共有130頁\編于星期五\3點用吸附樹脂對中草藥中有效成分的提取研究工作正在開展，在人參皂甙、絞股蘭、甜葉菊等的提取中已取得卓著的成績。在制酒工業(yè)和天然食品添加劑中的應(yīng)用酒中的高級脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因此當(dāng)制備低度白酒時，需向高度酒中加水稀釋。隨著高級脂肪酸脂類溶解度的降低，容易析出而呈渾濁現(xiàn)象，影響酒的外觀。吸附樹脂可選擇性地吸附酒中分子較大或極性較強的物質(zhì)，較小或極性軟弱的分子不被吸附而存留。如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯和亞油酸乙酯等分子較大的物質(zhì)被吸附，而已酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等相對分子質(zhì)量較小的香味物質(zhì)不被吸附而存留，達到分離、純化的目的。當(dāng)前第12頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂是指具有離子交換基團的高分子化合物。它具有一般聚合物所沒有的新功能-離子交換功能，本質(zhì)上屬于反應(yīng)性聚合物。離子交換樹脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料，其歷史可追溯到上一世紀(jì)30年代。1935年英國的Adams和Holmes發(fā)表了關(guān)于酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂的離子交換性能的工作報告，開創(chuàng)了離子交換樹脂領(lǐng)域，同時也開創(chuàng)了功能高分子領(lǐng)域。1944年D’Alelio合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹脂，奠定了現(xiàn)代離子交換樹脂的基礎(chǔ)。

2.離子交換樹脂當(dāng)前第13頁\共有130頁\編于星期五\3點此后，Dow化學(xué)公司的Bauman等人開發(fā)了苯乙烯系磺酸型強酸性離子交換樹脂并實現(xiàn)了工業(yè)化；Rohm&Hass公司的Kunin等人則進一步研制了強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂。這些離子交換樹脂除應(yīng)用于水的脫鹽精制外，還用于藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。離子交換樹脂發(fā)展史上的另一個重大成果是20世紀(jì)50年代末開發(fā)的大孔型樹脂。與凝膠型離子交換樹脂相比，大孔型離子交換樹脂具有機械強度高、交換速度快和抗有機污染的優(yōu)點，因此很快得到廣泛的應(yīng)用。從離子交換樹脂出發(fā)，還引申發(fā)展了一些很重要的功能高分子材料。如離子交換纖維、吸附樹脂、螯合樹脂、聚合物固載催化劑、高分子試劑、固定化酶等。當(dāng)前第14頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂是一類帶有可離子化基團的三維網(wǎng)狀高分子材料，其外形一般為顆粒狀，不溶于水和一般的酸、堿，也不溶于普通的有機溶劑如乙醇、丙酮和烴類。粒徑一般為0.3～1.2mm。一些特殊用途的離子交換樹脂的粒徑可能大于或小于這一范圍。

離子交換樹脂外觀2.1離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)當(dāng)前第15頁\共有130頁\編于星期五\3點樹脂由三部分組成：三維空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架；骨架上連接的可離子化的功能基團；功能基團上吸附的可交換的離子。強酸型陽離子交換樹脂的功能基團是—SO3-H+，它可解離出H+，而H+可與周圍的外來離子互相交換。功能基團是固定在網(wǎng)絡(luò)骨架上的，不能自由移動。由它解離出的離子卻能自由移動，并與周圍的其他離子互相交換。這種能自由移動的離子稱為可交換離子。

聚苯乙烯型陽離子交換樹脂示意圖當(dāng)前第16頁\共有130頁\編于星期五\3點通過改變濃度差、利用親和力差別等，使可交換離子與其他同類型離子進行反復(fù)的交換，達到濃縮、分離、提純、凈化等目的。陽離子交換反應(yīng)：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應(yīng)：

Resin-N(CH3)3OH+Cl-=N(CH3)3Cl+OH-

Resin-N(CH3)3Cl+OH-=N(CH3)3OH+Cl–

通常，將能解離出陽離子、并能與外來陽離子進行交換的樹脂稱作陽離子交換樹脂；而將能解離出陰離子、并能與外來陰離子進行交換的樹脂稱作陰離子交換樹脂。從無機化學(xué)的角度看，可以認(rèn)為陽離子交換樹脂相當(dāng)于高分子多元酸，陰離子交換樹脂相當(dāng)于高分子多元堿。應(yīng)當(dāng)指出，離子交換樹脂除了離子交換功能外，還具有吸附等其他功能，這與無機酸堿是截然不同的。當(dāng)前第17頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂的分類方法有很多種，最常用和最重要的分類方法有以下兩種。按交換基團的性質(zhì)分類陽離子交換樹脂，包括強酸型、中酸型和弱酸型三種類型。如R-SO3H為強酸型，R-PO(OH)2為中酸型，R-COOH為弱酸型。習(xí)慣上，一般將中酸型和弱酸型統(tǒng)稱為弱酸型。陰離子交換樹脂，包括強堿型和弱堿型兩種。如R3-NCl為強堿型，R-NH2、R-NR?H和，R-NR??2為弱堿型。2.2離子交換樹脂的分類當(dāng)前第18頁\共有130頁\編于星期五\3點按樹脂的物理結(jié)構(gòu)分類按其物理結(jié)構(gòu)的不同，可將離子交換樹脂分為凝膠型、大孔型和載體型三類。不同物理結(jié)構(gòu)離子交換樹脂的模型當(dāng)前第19頁\共有130頁\編于星期五\3點凝膠型離子交換樹脂。凡外觀透明、具有均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)的離子交換樹脂統(tǒng)稱為凝膠型離子交換樹脂。這類樹脂表面光滑，球粒內(nèi)部沒有大的毛細(xì)孔。在水中會溶脹成凝膠狀，并呈現(xiàn)大分子鏈的間隙孔。大分子鏈之間的間隙約為2～4nm。一般無機小分子的半徑在1nm以下，因此可自由地通過離子交換樹脂內(nèi)大分子鏈的間隙。在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能。大孔型離子交換樹脂。針對凝膠型離子交換樹脂的缺點，研制了大孔型離子交換樹脂。大孔型離子交換樹脂外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結(jié)構(gòu)。即使在當(dāng)前第20頁\共有130頁\編于星期五\3點干燥狀態(tài)，內(nèi)部也存在不同尺寸的毛細(xì)孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。大孔型離子交換樹脂的孔徑一般為幾納米至幾百納米，比表面積可達每克樹脂幾百平方米，因此其吸附功能十分顯著。載體型離子交換樹脂。載體型離子交換樹脂是一種特殊用途樹脂，主要用作液相色譜的固定相。一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面上制成。它可經(jīng)受液相色譜中流動介質(zhì)的高壓，又具有離子交換功能。此外，為了特殊的需要，已研制成多種具有特殊功能的離子交換樹脂。如螯合樹脂、氧化還原樹脂、兩性樹脂等。當(dāng)前第21頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂的合成一般是先制備母體(通俗為珠體)、然后通過化學(xué)反應(yīng)引入相應(yīng)的離子交換基團。離子交換樹脂合成母體引入相應(yīng)離子交換基團加入致孔劑不加致孔劑大孔型凝膠型2.3離子交換樹脂的合成當(dāng)前第22頁\共有130頁\編于星期五\3點強酸型陽離子交換樹脂的制備。強酸型陽離子交換樹脂絕大多數(shù)為聚苯乙烯系骨架，通常采用懸浮聚合法合成樹脂，然后磺化接上交換基團。由上述反應(yīng)獲得的球狀共聚物稱為“白球”。將白球洗凈干燥后，即可進行連接交換基團的磺化反應(yīng)。

將干燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有機溶劑溶脹，然后用濃硫酸或氯磺酸等磺化。通常稱磺化后的球狀共聚物為“黃球”。當(dāng)前第23頁\共有130頁\編于星期五\3點當(dāng)前第24頁\共有130頁\編于星期五\3點含有－SO3H交換基團的離子交換樹脂稱為氫型陽離子交換樹脂，其中H+為可自由活動的離子。由于它們的貯存穩(wěn)定性不好，且有較強的腐蝕性，因此常將它們與NaOH反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為Na型離子交換樹脂。Na型樹脂有較好的貯存穩(wěn)定性。苯乙烯系陽離子交換樹脂當(dāng)前第25頁\共有130頁\編于星期五\3點弱酸型陽離子交換樹脂的制備。弱酸型陽離子交換樹脂大多為聚丙烯酸系骨架，因此可用帶有功能基的單體直接聚合而成。但是丙烯酸的水溶性較大，聚合不易進行，故常采用其酯類單體進行聚合后再進行水解的方法來制備。當(dāng)前第26頁\共有130頁\編于星期五\3點強堿型陰離子交換樹脂的制備。強堿型陰離子交換樹脂主要以季胺基作為離子交換基團，以聚苯乙烯作骨架。制備方法是：將聚苯乙烯系白球進行氯甲基化，然后利用苯環(huán)對位上的氯甲基的活潑氯，定量地與各種胺進行胺基化反應(yīng)。苯環(huán)可在路易氏酸如ZnCl2，AlCl3，SnCl4等催化下，與氯甲醚氯甲基化。當(dāng)前第27頁\共有130頁\編于星期五\3點所得的中間產(chǎn)品通常稱為“氯球”。用氯球可十分容易地進行胺基化反應(yīng)。當(dāng)前第28頁\共有130頁\編于星期五\3點弱堿型陰離子交換樹脂的制備。用氯球與伯胺、仲胺或叔胺類化合物進行胺化反應(yīng)，可得弱堿離子交換樹脂。也可利用羧酸類基團與胺類化合物進行酰胺化反應(yīng)，可制得含酰胺基團的弱堿型陰離子交換樹脂。例如將交聯(lián)的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯或苯乙酮中溶脹，然后在130～150℃下與多乙烯多胺反應(yīng)，形成多胺樹脂。再用甲醛或甲酸進行甲基化反應(yīng)，可獲得性能良好的叔胺樹脂。當(dāng)前第29頁\共有130頁\編于星期五\3點大孔型樹脂的制備方法與凝膠型離子交換樹脂基本相同。重要的大孔型樹脂仍以苯乙烯類為主。與凝膠型離子交換樹脂相比，制備中有兩個最大的不同之處：一是二乙烯基苯含量大大增加，一般達85％以上；二是在制備中加入致孔劑。致孔劑可分為兩大類：一類為聚合物的良溶劑，如苯，又稱溶脹劑；另一類為聚合物的不良溶劑，即單體的溶劑，如脂肪醇，它是聚合物的沉淀劑。一般來說，由不良溶劑致孔的大孔型樹脂比良溶劑致孔的大孔型樹脂有較大的孔徑和較小的比表面積。當(dāng)前第30頁\共有130頁\編于星期五\3點氧化還原樹脂。氧化還原樹脂也稱電子交換樹脂，指帶有能與周圍活性物質(zhì)進行電子交換、發(fā)生氧化還原反應(yīng)的一類樹脂。在交換過程中，樹脂失去電子，由原來的還原形式轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸问?，而周圍的物質(zhì)被還原。典型例子如下：

重要的氧化還原樹脂包括氫醌類、琉基類、吡啶類、二茂鐵類、吩噻嗪類等多種類型。當(dāng)前第31頁\共有130頁\編于星期五\3點兩性樹脂。將陰、陽兩種離子交換樹脂配合，可以除去溶液中的陰、陽離子，達到去鹽的目的。但在再生時，也需要將兩種樹脂分別用酸、堿處理，手續(xù)較繁瑣。為了克服這些缺點，研制了將陰、陽交換基團連接在同一樹脂骨架上的兩性樹脂。兩性樹脂中的兩種功能基團是以共價鍵連接在樹脂骨架上的，互相靠得較近，呈中和狀態(tài)。但遇到溶液中的離子時，卻能起交換作用。樹脂使用后，只需大量的水淋洗即可再生，恢復(fù)到樹脂原來的形式。兩性樹脂不僅可用于分離溶液中的鹽類和有機物，還可作為緩沖劑，調(diào)節(jié)溶液的酸堿性。當(dāng)前第32頁\共有130頁\編于星期五\3點還有一種所謂“蛇籠樹脂”。在這類樹脂中，分別含有兩種聚合物，一種帶有陽離子交換基團，一種帶有陰離子交換基團。其中一種聚合物是交聯(lián)的，而另一種是線型的，恰似蛇被關(guān)在籠網(wǎng)中，不能漏出，故形象地稱為“蛇籠樹脂”。在蛇籠樹脂中，可以是交聯(lián)的陰離子樹脂為籠，線型的陽離子樹脂為蛇，也可以是交聯(lián)的陽離子樹脂為籠，線型的陰離子樹脂為蛇。蛇籠樹脂的特性與兩性樹脂類似，也可通過水洗而再生。兩性樹脂通常是通過將分別帶有陰、陽離子交換基團的兩種單體共聚而制得的，而蛇籠樹脂則是先將一種單體進行體型聚合，然后將此體型聚合物在某種溶劑中溶脹，再將另一種單體在此溶脹聚合物中進行聚合制得的，相當(dāng)于一種半互穿網(wǎng)絡(luò)體系。當(dāng)前第33頁\共有130頁\編于星期五\3點交換容量。離子交換樹脂的交換容量是指單位質(zhì)量或單位體積樹脂可交換的離子基團的數(shù)量的能力。機械強度。交換樹脂的強度用磨后圓球率來考核。溶出物。溶出物是指樹脂中的低聚物以及殘留反應(yīng)物，通常是一些可溶性的有機物。粒徑。離子交換樹脂的顆粒大小可用粒徑表示。我國通用工業(yè)離子交換樹脂的粒徑范圍為0.315～1.2mm。樹脂的含水量。離子交換樹脂必須具有良好的吸水性。但樹脂在貯存過程的含水量不能太大，否則會降低其機械強度和體積交換容量，離子交換樹脂的含水量一般為30％～80％。比表面積、孔容、孔度、孔徑和孔徑分布熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性2.4離子交換樹脂的性能當(dāng)前第34頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂最主要的功能是離子交換，此外，它還具有吸附、催化、脫水等功能。離子交換功能離子交換樹脂相當(dāng)于多元酸和多元堿，它們可發(fā)生下列三種類型的離子交換反應(yīng)。2.5離子交換樹脂的工作原理中和反應(yīng)當(dāng)前第35頁\共有130頁\編于星期五\3點復(fù)分解反應(yīng)中性鹽反應(yīng)當(dāng)前第36頁\共有130頁\編于星期五\3點從上面的反應(yīng)可見，所有的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可進行中和反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)。僅由于交換功能基團的性質(zhì)不同，交換能力有所不同。中性鹽反應(yīng)則僅在強酸型陽離子交換樹脂和強堿型離子交換樹脂的反應(yīng)中發(fā)生。離子交換樹脂的離子交換選擇性樹脂的選擇性影響樹脂的交換效率，樹脂的選擇系數(shù)越大，處理后的溶液越純，但越不易再生。選擇系數(shù)除與離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)如高分子骨架、官能團有關(guān)外，還與交聯(lián)密度等有關(guān)。當(dāng)前第37頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂的再生所有上述反應(yīng)均是平衡可逆反應(yīng)，這正是離子交換樹脂可以再生的本質(zhì)。只要控制溶液的pH值、離子濃度和溫度等因素，就可使反應(yīng)向逆向進行，達到再生的目的。離子交換樹脂的性能劣化當(dāng)離子交換樹脂使用一段時間后，會出現(xiàn)處理液的純度下降，這是由于離子交換樹脂的性能下降造成的?？赡茉蛴校弘x子交換基團的化學(xué)分解；有機物及腐蝕生成物等不純物的污染；離子交換樹脂球粒的物理破碎等。當(dāng)前第38頁\共有130頁\編于星期五\3點水處理水處理包括水質(zhì)的軟化、水的脫鹽和高純水的制備等。水處理是離子交換樹脂最基本的用途之一。如下面是去離子水的制備裝置。2.6離子交換樹脂的應(yīng)用當(dāng)前第39頁\共有130頁\編于星期五\3點冶金工業(yè)離子交換是冶金工業(yè)的重要單元操作之一。在鈾、釷等超鈾元素、稀土金屬、重金屬、輕金屬、貴金屬和過渡金屬的分離、提純和回收方面，離子交換樹脂均起著十分重要的作用。離子交換樹脂還可用于選礦。在礦漿中加入離子交換樹脂可改變礦漿中水的離子組成，使浮選劑更有利于吸附所需要的金屬，提高浮選劑的選擇性和選礦效率。原子能工業(yè)離子交換樹脂在原子能工業(yè)上的應(yīng)用包括核燃料的分離、提純、精制、回收等。用離子交換樹脂制備高純水，是核動力用循環(huán)、冷卻、補給水供應(yīng)的唯一手段。離子交換樹脂還是原子能工業(yè)廢水去除放射性污染處理的主要方法。當(dāng)前第40頁\共有130頁\編于星期五\3點海洋資源利用利用離子交換樹脂，可從許多海洋生物（例如海帶）中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。在海洋航行和海島上，用離子交換樹脂以海水制取淡水是十分經(jīng)濟和方便的。化學(xué)工業(yè)離子交換樹脂在化學(xué)實驗、化工生產(chǎn)上已經(jīng)和蒸餾、結(jié)晶、萃取和過濾一樣，成為重要的單元操作，普遍用于多種無機、有機化合物的分離、提純，濃縮和回收等。離子交換樹脂用作化學(xué)反應(yīng)催化劑，可大大提高催化效率，簡化后處理操作，避免設(shè)備的腐蝕。當(dāng)前第41頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂的功能基連接上作為試劑的基團后，可以當(dāng)作有機合成的試劑，成為高分子試劑，用來制備許多新的化合物。這種方法具有控制及分離容易、副產(chǎn)物少、純度高等特點。目前在有機化合物的?；⑦^氧化、溴化二硫化物的還原、大環(huán)化合物的合成、肽鏈的增長、不對稱碳化合物的合成、羥基的氧化等方面都已取得顯著的效果。強酸型陽離子交換樹脂能強烈吸水，可用作干燥劑，吸收有機溶劑或氣體中的水分。食品工業(yè)離子交換樹脂在制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調(diào)味品等食品加工中都有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前第42頁\共有130頁\編于星期五\3點特別在酒類生產(chǎn)中，利用離子交換樹脂改進水質(zhì)、進行酒的脫色、去渾、去除酒中的酒石酸、水楊酸等雜質(zhì)，提高酒的質(zhì)量。酒類經(jīng)過離子交換樹脂的去銅、錳、鐵等離子，可以增加貯存穩(wěn)定性。經(jīng)處理后的酒，香味純，透明度好，穩(wěn)定性可靠，是各種酒類生產(chǎn)中不可缺少的一項工藝步驟。用離子交換樹脂可調(diào)節(jié)乳品的組成，增加乳液的穩(wěn)定性，延長存放時間。此外，用離子交換樹脂來調(diào)節(jié)牛奶中鈣的含量，除去乳品中離子性雜質(zhì)，如鍶(Sr)、碘(I2)等污染物，均是很成功的。在味精生產(chǎn)中，利用離子交換樹脂對谷氨酸的選擇性吸附，可除去產(chǎn)品中的雜質(zhì)和對產(chǎn)品進行脫色。這一方法在國內(nèi)已大規(guī)模地使用。當(dāng)前第43頁\共有130頁\編于星期五\3點醫(yī)藥衛(wèi)生離子交換樹脂在醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)中被大量應(yīng)用。如在藥物生產(chǎn)中用于藥劑的脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分的提取等。離子交換樹脂本身可作為藥劑內(nèi)服，具有解毒、緩瀉、去酸等功效，可用于治療胃潰瘍、促進食欲、去除腸道放射物質(zhì)等。對于外敷藥劑，用離子交換樹脂粉末可配制軟膏、粉劑及嬰兒護膚用品，用以吸除傷口毒物和作為解毒藥劑。將各種藥物吸附在離子交換樹脂上，可有效地控制藥物釋放速率，延長藥效，減少服藥次數(shù)。利用離子交換樹脂吸水后體積迅速膨脹的特點，將其與藥劑混合制成藥片，服后可迅速脹大崩解，更快更好地發(fā)揮藥物的作用。當(dāng)前第44頁\共有130頁\編于星期五\3點離子交換樹脂還是醫(yī)療診斷、藥物分析檢定的重要藥劑，如血液成分分析、胃液檢定、藥物成分分析等。具有檢測速度快、干擾少等優(yōu)點。環(huán)境保護離子交換樹脂在廢水，廢氣的濃縮、處理、分離、回收及分析檢測上都有重要應(yīng)用，已普遍用于電鍍廢水、造紙廢水、礦冶廢水、生活污水，影片洗印廢水、工業(yè)廢氣等的治理。例如影片洗印廢水中的銀是以Ag(SO3)23-等陰離子形式存在的，使用Ⅰ型強堿性離子交換樹脂處理后，銀的回收率可達90％以上，既節(jié)約了大量的資金，又使廢水達到了排放標(biāo)準(zhǔn)。又如電鍍廢水中含有大量有毒的金屬氰化物，如Fe(CN)63-，F(xiàn)e(CN)64-等，用抗有機污染力強的聚丙烯酰胺系陰離子交換樹脂處理后，可使金屬氰化物的含量降至10ppm以下。當(dāng)前第45頁\共有130頁\編于星期五\3點在分析化學(xué)，常利用絡(luò)合物既有離子鍵又有配價鍵的特點，來鑒定特定的金屬離子。將這些絡(luò)合物以基團的形式連接到高分子鏈上，就得到螯合樹脂。螯合樹脂的結(jié)構(gòu)特征為高分子骨架上連接有螯合基團。從結(jié)構(gòu)上分類，螯合樹脂可分為側(cè)鏈型和主鏈型兩類。從原料來分類，則可分為天然的（如纖維素、海藻酸鹽、甲殼素、蠶絲、羊毛、蛋白質(zhì)等）和人工合成的兩類。3.螯合樹脂當(dāng)前第46頁\共有130頁\編于星期五\3點螯合樹脂分離金屬離子的原理如下式所示。式中，ch為功能基團，對某些金屬離子有特定的絡(luò)合能力，因此能將這些金屬離子與其他金屬離子分離開來。當(dāng)前第47頁\共有130頁\編于星期五\3點主要配位原子和含這些原子的配位基團當(dāng)前第48頁\共有130頁\編于星期五\3點3.1β-二酮螯合樹脂這種高分子螯合樹脂可以由甲基丙烯酰丙酮單體聚合而成，也可以與苯乙烯或者甲基丙烯酸甲酯共聚生成共聚型螯合樹脂。該螯合樹脂可以與二價銅離子絡(luò)合形成穩(wěn)定的螯合物。該螯合樹脂除了可用于銅離子的吸附富集外，生成的絡(luò)合物還可以作為高分子催化劑用于過氧化氫分解反應(yīng)，其催化活性高于小分子乙酰丙酮螯合物。當(dāng)前第49頁\共有130頁\編于星期五\3點3.2冠醚型螯合樹脂冠醚型螯合樹脂可以絡(luò)合堿金屬和堿土金屬離子，而且只有體積大小與冠醚相適應(yīng)的金屬離子才能被絡(luò)合，因此選擇性非常好。從結(jié)構(gòu)上分析，冠醚的結(jié)構(gòu)可以處在側(cè)鏈上，也可以作為聚合物主鏈的一部分。當(dāng)前第50頁\共有130頁\編于星期五\3點3.3含有氨基的螯合樹脂乙二胺四乙酸（EDTA）是分析化學(xué)中最常用的分析試劑。它能在不同條件下與不同的金屬離子絡(luò)合，具有很好的選擇性。仿照其結(jié)構(gòu)合成出來的螯合樹脂也具有良好的選擇性。例如，下面兩種結(jié)構(gòu)的樹脂就是應(yīng)用十分成功的螯合樹脂。當(dāng)前第51頁\共有130頁\編于星期五\3點EDTA類螯合樹脂可通過許多途徑制得。下圖是它們的主要制備方法。這類螫合樹脂在pH=5時，對Cu2+的最高吸附容量為0.62mmol/g，可用HClO4溶液解吸。在pH=1.3時,對Hg2+

的最高吸附容量為1.48mmol/g?？梢妼μ胤N貴金屬有很好的選擇分離性。當(dāng)前第52頁\共有130頁\編于星期五\3點3.4肟類螯合樹脂肟類化合物能與金屬鎳（Ni）形成絡(luò)合物。在樹脂骨架中引入二肟基團形成肟類螫合樹脂，對Ni等金屬有特殊的吸附性。肟類螫合樹脂的制備方法如下：當(dāng)前第53頁\共有130頁\編于星期五\3點肟基近旁帶有酮基、胺基、羥基時，可提高肟基的絡(luò)合能．因此，肟類螫合樹脂常以酮肟、酚肟、胺肟等形式出現(xiàn)，吸附性能優(yōu)于單純的肟類樹脂。

酮肟酮肟酚肟胺肟當(dāng)前第54頁\共有130頁\編于星期五\3點3.58-羥基喹啉類螯合樹脂8-羥基喹啉類螯合樹脂有機合成和分析化學(xué)中常用的絡(luò)合物。將其引入高分子骨架中，就形成具有特殊絡(luò)合能力的8-羥基喹啉螫合樹脂。它能選擇吸附多種貴金屬離子，如對Cr2+，Ni2+，Zn2+等離子的吸附容量可高達2.39～2.99mmol/g。當(dāng)前第55頁\共有130頁\編于星期五\3點3.6聚乙烯吡啶類螯合樹脂高分子骨架中帶有吡啶基團時，對Cu2+，Ni2+，Zn2+等金屬離子有特殊的絡(luò)合功能。若在氮原子附近帶有羧基時，其作用更為明顯。這類螯合樹脂的結(jié)構(gòu)有以下幾種類型：當(dāng)前第56頁\共有130頁\編于星期五\3點肟類螯合樹脂與Ni的絡(luò)合反應(yīng)如下式所示：當(dāng)前第57頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂是一種含有強親水基團并有一定交聯(lián)度的功能高分子材料。傳統(tǒng)吸水材料如紙、棉花和海綿等，吸水能力很低(吸水量<自重20倍)。一旦受到外力作用，容易脫水，保水性很差。4.高吸水性樹脂普通吸水材料高吸水性樹脂當(dāng)前第58頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂是含有大量的親水性基團(如羧基、羥基、羧酸鹽基、酰胺基等)的低交聯(lián)度的三維空間網(wǎng)絡(luò)，一方面具有高分子電解質(zhì)的分子擴張性能，另一方面由于其微交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻礙了分子的進一步擴張，所以可以吸收和保持自身重量幾百甚至幾千倍的水。吸水前吸水后當(dāng)前第59頁\共有130頁\編于星期五\3點高保水能力高吸水性樹脂的保水性能也很好，在加壓和加熱下也不容易脫水。當(dāng)前第60頁\共有130頁\編于星期五\3點(1)不溶于水和有機溶劑。(2)吸水能力可達自重500-2000倍，最高可達5000倍，吸水后溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不易擠出來。(3)吸收水的樹脂經(jīng)干燥后，吸水能力可恢復(fù)。(4)高吸水性樹脂是一類高分子電解質(zhì)。水中鹽類物質(zhì)的存在會顯著影響樹脂的吸水能力，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。4.1高吸水性樹脂的特點當(dāng)前第61頁\共有130頁\編于星期五\3點4.2高吸水性樹脂的分類分類方法類別按原料來源分類(最為常用)淀粉類；纖維素類；合成聚合物類：聚丙烯酸鹽系；聚乙烯醇系；聚氧乙烯系等。按親水基團引入方式分類親水單體直接聚合；疏水性單體羧甲基化；疏水性聚合物用親水單體接枝；腈基、酯基水解。當(dāng)前第62頁\共有130頁\編于星期五\3點淀粉類。這類高吸水性樹脂具有以下優(yōu)點：原料豐富，產(chǎn)品吸水率較高，可達千倍以上；但也有明顯的缺點：吸水后凝膠強度低，長期保水性不佳。使用中易受細(xì)菌等微土物分解而失去吸水保水作用。如淀粉與丙烯腈進行接枝反應(yīng)后，用堿性化合物水解引入親水性基團制備高吸水性樹脂的方法，最先由由美國農(nóng)業(yè)部北方研究中心開發(fā)，用作土壤改良劑。而淀粉與親水性單體(如丙烯酸等)接枝聚合，然后用交聯(lián)劑交聯(lián)制備高吸水性樹脂的方法則由日本三洋化成公司首開先河。當(dāng)前第63頁\共有130頁\編于星期五\3點淀粉類高吸水樹脂的合成方法：先將丙烯腈接枝到淀粉等親水性天然高分子上，再加入強堿使氰基水解成羧酸鹽和酰胺基團。這種接枝化反應(yīng)通常采用四價鈰作引發(fā)劑，反應(yīng)在水溶液中進行。產(chǎn)品具有好的吸水能力，但會殘留有毒的單體，限制了它的應(yīng)用。當(dāng)前第64頁\共有130頁\編于星期五\3點原料糊化通氮凈化硝酸鈰胺硝酸丙烯腈氫氧化鈉溶液離心中和產(chǎn)品粉碎調(diào)PH、干燥淀粉與丙烯腈的制造流程圖當(dāng)前第65頁\共有130頁\編于星期五\3點先將日本三洋化成公司采取的改進方法是將淀粉和丙烯酸在引發(fā)劑作用下進行接枝共聚。這種方法的單體轉(zhuǎn)化率較高，殘留單體僅0.4％以下，而且無毒性。國內(nèi)的長春應(yīng)用化學(xué)研究所采用Co60-γ射線輻照玉米淀粉和土豆淀粉產(chǎn)生自由基，然后在水溶液中引發(fā)接枝丙烯酰胺，也得到了吸水率達2000倍的高吸水性淀粉樹脂。制備高吸水性樹脂淀粉主要采用玉米淀粉和小麥淀粉，也可采用土豆、紅薯和大米淀粉為原料，甚至有直接采用面粉為原料的。當(dāng)前第66頁\共有130頁\編于星期五\3點纖維素類。纖維素類高吸水性樹脂的制備是1978年由德國Holst公司首先報道的。優(yōu)點：原料來源豐富。缺點：吸水倍率較低，也易受細(xì)菌分解失去吸水、保水能力。纖維素類醚化或酯化法，如纖維素與一氯醋酸反應(yīng)引入羧甲基后，用交聯(lián)劑交聯(lián)而成的產(chǎn)物。纖維素與親水性單體接枝共聚產(chǎn)物。當(dāng)前第67頁\共有130頁\編于星期五\3點直鏈淀粉支鏈淀粉淀粉結(jié)構(gòu)纖維素結(jié)構(gòu)當(dāng)前第68頁\共有130頁\編于星期五\3點纖維素與其他單體進行接枝共聚引入親水性基團來制取高吸水性樹脂的方法，與淀粉類高吸水性樹脂的制備方法基本相同。與淀粉類高吸水性樹脂相比，纖維素類的吸水能力比較低，一般為自身重量的幾百倍。但是作為纖維素形態(tài)的吸水性樹脂在一些特殊形式的用途方面，淀粉類往往無法取代。例如，與合成纖維混紡制作高吸水性織物，以改善合成纖維的吸水性能。這方面的應(yīng)用顯然非纖維素類莫屬。當(dāng)前第69頁\共有130頁\編于星期五\3點纖維素接枝共聚法制備實例當(dāng)前第70頁\共有130頁\編于星期五\3點合成聚合物類。原則上可由任何水溶性高分子經(jīng)適度交聯(lián)合成高吸水性樹脂。目前主要分為聚丙烯酸(鹽)，聚乙烯醇兩大類。聚丙烯酸類：聚丙烯酸(鹽)，聚丙烯酰胺，丙烯酸與丙烯酰胺共聚；聚乙烯醇類：聚乙烯醇-酸酐交聯(lián)共聚，聚乙烯醇-丙烯酸接枝共聚，醋酸乙烯-丙烯酸脂共聚水解。聚丙烯酸鹽類目前生產(chǎn)最多的一類合成高吸水性樹脂。這類產(chǎn)品吸水率較高，一般均在千倍以上。由丙烯酸或其鹽類與具有二官能度的單體共聚而成。當(dāng)前第71頁\共有130頁\編于星期五\3點丙烯酸直接聚合皂化法當(dāng)前第72頁\共有130頁\編于星期五\3點聚丙烯腈水解物將聚丙烯腈用堿性化合物水解，再經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)得到。由于氰基的水解不易徹底，產(chǎn)品中親水基團含量較低，故這類產(chǎn)品吸水率一般不太高（500-1000倍）。這種方法較適用于腈綸廢絲的回收利用。將聚丙烯腈用堿水解，再用甲醛、氫氧化鋁等交聯(lián)劑交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分子，氫氧化鋁交聯(lián)后，最終產(chǎn)品的吸水率為自重700倍。當(dāng)前第73頁\共有130頁\編于星期五\3點改性聚乙烯醇類由聚乙烯醇與環(huán)狀酸酐反應(yīng)而成，不需外加交聯(lián)劑即可成為不溶于水的產(chǎn)物。吸水倍率較低，為150-400倍。初期吸水速度較快，耐熱性和保水性都較好。醋酸乙烯酯共聚物將醋酸乙烯酯與丙烯酸甲酯進行共聚，然后將產(chǎn)物用堿水解后得到乙烯醇與丙烯酸鹽的共聚物，不加交聯(lián)劑即可成為不溶于水的高吸水性樹酯。這類樹脂在吸水后有較高的機械強度，適用范圍較廣。當(dāng)前第74頁\共有130頁\編于星期五\3點順丁烯二酸酐交聯(lián)聚乙烯醇的反應(yīng)當(dāng)前第75頁\共有130頁\編于星期五\3點合成樹脂系高吸水性樹脂制備實例當(dāng)前第76頁\共有130頁\編于星期五\3點區(qū)別與聯(lián)系淀粉系纖維素系合成系價格低廉、生物降解性能好抗霉解性優(yōu)工藝簡單，吸水、保水能力強吸水速度較快耐水解，吸水后凝膠強度大，保水性強.抗菌性好.但可降解性差.適用于工業(yè)生產(chǎn)缺點

合成工藝復(fù)雜，易腐敗，耐熱性不佳，吸水后凝膠強度低，長期保水性差，耐水解性較差。優(yōu)點

儲量豐富，可不斷再生，成本低;無毒且能微生物分解，可減少對環(huán)境的污染。共同點

均是葡萄糖的多聚體，可以采用相類似的單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑進行吸水樹脂的制備當(dāng)前第77頁\共有130頁\編于星期五\3點其它天然高分子類。以海藻酸、蛋白質(zhì)、聚氨基酸、殼聚糖等天然高分子為原料也可合成可降解的高吸水性樹脂。目前這些吸水性樹脂雖然生物降解性好，原料來源廣，但在吸水性能方面與淀粉接枝系列、纖維素接枝系列以及合成系列相比差距較大，且工藝復(fù)雜、價格相對較高,使其大規(guī)模的開發(fā)、應(yīng)用受到了限制。除了羧甲基纖維素交聯(lián)物外，其它品種均處于實驗室階段。當(dāng)前第78頁\共有130頁\編于星期五\3點4.3高吸水性樹脂的吸水機理吸水實質(zhì)與紙張、棉花和海綿等材料的物理吸水作用不同，高吸水性樹脂的吸水能力是由化學(xué)作用和物理作用共同貢獻的。吸水實質(zhì)化學(xué)吸附物理吸附棉花、紙張、海綿等。毛細(xì)管的吸附原理。有壓力時水會流出。通過化學(xué)鍵的方式把水和親水物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個整體加壓也不能把水放出。當(dāng)前第79頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)與吸水機理疏水基團因疏水作用而易于斥向網(wǎng)格內(nèi)側(cè)，形成局部不溶性的微粒狀結(jié)構(gòu)，使進入網(wǎng)格的水分子由于極性作用而局部凍結(jié)，形成“偽冰”(Falseice)結(jié)構(gòu)。親水性基團疏水性基團交聯(lián)型高分子按此結(jié)構(gòu)計算，每克樹脂的親水性基團吸收的水合水的重量約為6-8克，加上疏水性基團所凍結(jié)的水分子，也不過15克左右。組成結(jié)構(gòu)重要影響親水性基團與水分子接觸時，會相互作用形成各種水合狀態(tài)。當(dāng)前第80頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂內(nèi)的水合狀態(tài)高吸水性樹脂內(nèi)所吸附的水可分成三類：結(jié)合水、非正常水、自由水。

結(jié)合水以很強的配位鍵或氫鍵與聚合物離子相結(jié)合，測不出熔點，所以又稱不凍水；而非正常水的熔點低于正常水；自由水的熔點與普通水相同。高吸水樹脂親水基團周圍水的構(gòu)造模型A結(jié)合水；B非正常水；C自由水當(dāng)前第81頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂的吸水過程（彈性凝膠理論）高吸水性樹脂的吸水過程可以分為三個階段：第一階段較慢。通過毛細(xì)管吸附和分散作用吸水。第二階段離子型親水基團在與水分子的氫鍵作用下開始離解，陰離子固定在高分子鏈上，而陽離子作為可移動離子在樹脂內(nèi)部以維持電中性。隨著離解過程的進行，高分子鏈上的陰離子數(shù)增多，離子之間的靜電斥力使得樹脂溶脹；同時，樹脂內(nèi)部的陽離子濃度增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓隨之增大，使水進一步進入。第三階段隨著吸水量的增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向于零，而網(wǎng)絡(luò)擴張的同時，其彈性收縮力也在增加，逐漸抵消陰離子的靜電排斥，最終達到吸水平衡。當(dāng)前第82頁\共有130頁\編于星期五\3點a)吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)滲透壓的產(chǎn)生H2O內(nèi)外b)吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖當(dāng)前第83頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂吸水后的形態(tài)一般認(rèn)為，高吸水性樹脂吸水后的形態(tài)隨吸水劑種類不同而不同。使用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察到淀粉接枝丙烯酸聚合物、聚乙烯醇-丙烯酸鹽嵌段共聚物呈海島型結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第84頁\共有130頁\編于星期五\3點淀粉－聚丙烯酸鈉接枝聚合物模型圖蜂窩狀結(jié)構(gòu)當(dāng)前第85頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂的相轉(zhuǎn)變理論凝膠的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象：將凝膠浸在溶劑中時，若溶劑的組成和溫度緩慢改變時，凝膠的體積也緩慢變化，但這種變化是不連續(xù)的，這種現(xiàn)象稱為凝膠的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。相轉(zhuǎn)變理論認(rèn)為：凝膠在外界條件的變化下，其體積的改變由它的滲透壓所決定。當(dāng)凝膠處于平衡狀態(tài)時，其滲透壓等于零。因而，高分子越硬，且每條高分子的抗衡離子數(shù)越多，凝膠相轉(zhuǎn)變的體積變化率就越大，相轉(zhuǎn)變溫度就越低。凝膠的相轉(zhuǎn)變理論開辟了高吸水性樹脂在開關(guān)、機器人調(diào)節(jié)器、記憶元件等方面應(yīng)用的道路。當(dāng)前第86頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂的保水機理水分子進入高分子網(wǎng)格后，由于網(wǎng)格的束縛，水分子的熱運動受限制，不易從網(wǎng)格逸出。因此，具有良好的保水性。丙烯腈接枝淀粉的熱失水率牌號100℃時失水率（％）150℃時失水率（％）SAN529.944.6SAN5311.139.3SAN615.4—SAN6210.547.3SAN6311.649.2當(dāng)前第87頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂利用分子中大量的羧基、羥基和酰氧基團與水分子之間的強烈范德華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。高吸水性樹脂吸足水后即形成溶脹的凝膠體，凝膠體的保水能力很強，即使在加壓下也不易擠出來。高吸水性樹脂與棉花加壓保水性比較吸水材料吸收液吸液率（g/g）未加壓加壓7kg/cm2棉花去離子水尿液40322.11.8HSPAN去離子水尿液8505481040當(dāng)前第88頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂的吸水性能包括最大吸水率、吸水速率和凝膠強度等。高的吸水率和凝膠強度、快的吸水速率往往是人們追求的主要指標(biāo)，也是高吸水性樹脂實際運用時考慮的主要參數(shù)。交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對吸水性的影響研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)交聯(lián)的樹脂基本上沒有吸水功能、而少量交聯(lián)后，吸水率則會成百上千倍地增加。隨著交聯(lián)密度的增加，吸水率反而下降。適當(dāng)增大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于吸水能力的提高。4.4高吸水性樹脂的吸水性能影響因素當(dāng)前第89頁\共有130頁\編于星期五\3點交聯(lián)密度過高對吸水性并無好處。因而需要精確控制交聯(lián)密度，即交聯(lián)劑的用量。據(jù)測定，當(dāng)網(wǎng)格有效鏈長為10-100?，有最大吸水性。聚丙烯酸甲酯HPMA吸水率與交聯(lián)劑三乙二醇雙丙烯酸酯TEGDMA用量的關(guān)系。當(dāng)前第90頁\共有130頁\編于星期五\3點親水基團的影響。親水基團的親水性越強，樹脂與水的親和力也就越大，吸水率越高。親水基團的親水能力大小次序為：-SO3H>-COOH>-CONH2>-OH。電荷密度的影響。通常樹脂上的電荷密度越大，吸水率越高。但超過某個峰值后，高分子鏈充分伸展，使得相鄰電荷之間的距離過遠(yuǎn)，影響了電荷之間協(xié)同效應(yīng)的充分發(fā)揮，反而會使吸水率下降。外部溶劑的離子強度。外部溶劑的離子強度（包括離子的濃度和價數(shù)）越大，樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓越低；同時，固定在樹脂上的電荷會受到外界離子的屏蔽作用，降低靜電斥力。這兩種因素都導(dǎo)致吸水倍數(shù)的下降。當(dāng)前第91頁\共有130頁\編于星期五\3點pH值的影響。pH值對聚丙烯酸甲酯HPMA吸水率的影響當(dāng)前第92頁\共有130頁\編于星期五\3點鹽分的影響。高吸水性樹脂是高分子電解質(zhì)，水中鹽類物質(zhì)的存在顯著影響樹脂的吸水能力。一方面，影響親水的羧酸鹽基團的解離。另一方面，由于鹽效應(yīng)而使原來在水中應(yīng)擴張的網(wǎng)格收縮，與水分子親和力降低。

離子型高吸水性樹脂在生理鹽水中的吸水倍數(shù)為去離子水中的1/10左右，耐鹽性差；而非離子型樹脂由于受離子屏蔽效應(yīng)的影響小，耐鹽性優(yōu)于離子型樹脂。不同鹽對吸水倍數(shù)的影響不同，其影響次序為:NaCl<Na2SO4<MgCl2<CaCl2。高吸水性樹脂在鹽水中的吸水倍數(shù)是評價其性能的一個重要指標(biāo)。如何提高離子型高吸水性樹脂的耐鹽性是亟待解決的問題。當(dāng)前第93頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂SanwetIM-1000對電解質(zhì)溶液的吸收能力當(dāng)前第94頁\共有130頁\編于星期五\3點吸水速率高吸水性樹脂吸水時，一方面水向吸水性樹脂內(nèi)部擴散，另一方面組成吸水劑的高分子鏈在水的作用下彼此分離、擴展。吸水速率取決于水向高吸水性樹脂內(nèi)部的擴散速率以及高分子鏈在水的作用下擴展的速率。高吸水性樹脂吸水速率的因素主要有：吸水劑的種類、表面積大小以及表面結(jié)構(gòu)。吸水速率除受化學(xué)組成和交聯(lián)度影響外，也受其形狀所影響。表面積越大，吸水速度也越快。為提高樹脂吸水速率，可將其制成薄膜狀、多孔狀、鱗片狀等，而與水接觸后易聚集成團的粉末狀樹脂的吸水速度相對較慢。

離子型高吸水樹脂的吸水速度較慢，達到最大吸水量需數(shù)小時甚至幾十小時。非離子型高吸水樹脂的吸水速度非?？?，達到飽和吸水量只需20min~1h。4.5高吸水性樹脂的其它特性當(dāng)前第95頁\共有130頁\編于星期五\3點樹脂形狀對吸水速率的影響當(dāng)前第96頁\共有130頁\編于星期五\3點吸氨性，高吸水性樹脂一般為含羧酸基的高分子，其中30％左右的羧酸基團保留下來，使樹脂呈現(xiàn)一定的弱酸性，使得它們對氨等堿性物質(zhì)有強烈的吸收作用。吸水材料吸氨能力比較高吸水性樹脂的這種吸氨性，特別有利于尿布、衛(wèi)生用品和公共廁所等場合的除臭。當(dāng)前第97頁\共有130頁\編于星期五\3點增稠性，許多水溶性高分子，如聚氧乙烯、聚甲基纖維素、聚丙烯酸鈉等，均可作為水性體系的增稠劑使用。而且高吸水性樹脂增稠效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通增稠劑。如用0.4%的高吸水性樹脂，能使水的粘度增大約1萬倍，而用普通的增稠劑，加入0.4%時水的粘度幾乎不變。經(jīng)高吸水性樹脂增稠的體系，通常表現(xiàn)出高觸變性。HPMA增稠體系的觸變性當(dāng)前第98頁\共有130頁\編于星期五\3點日常生活和衛(wèi)生用品高吸水樹脂制作的日常衛(wèi)生用品有嬰兒一次性尿布、宇航員尿巾、婦女衛(wèi)生用品、餐巾、繃帶、手術(shù)床襯墊等。例如，一般日常衛(wèi)生用品的高吸水樹脂用量約為5-10％。在總重量為5克的衛(wèi)生用品中含0.4克高吸水性樹脂，吸液率為120克左右，提高70％，同時還能吸收異味，保濕性好，重量輕。4.6高吸水性樹脂的應(yīng)用醫(yī)用吸水膠布嬰兒一次性尿布當(dāng)前第99頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水樹脂用作公共廁所、車站、碼頭等人流量大的公共場所和家庭等的芳香除臭劑，有其獨特的效果。利用高吸水樹脂的增稠性，可用于化妝品、洗滌劑、水性涂料等的增稠劑。高吸水樹脂作為無土栽培的基材，在家庭養(yǎng)花和插花應(yīng)用越來越普遍。各式吸潮劑植物養(yǎng)護泥當(dāng)前第100頁\共有130頁\編于星期五\3點農(nóng)業(yè)應(yīng)用將高吸水樹脂加入土壤中，可改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加透氣、透水和保水性能，避免肥料的流失。有利于植物根系的生長發(fā)育。例如，在土壤中加入0.1%高吸水性樹脂，可使小麥平均增產(chǎn)10-15%，煙草增產(chǎn)35-40%，種子發(fā)芽周期縮短2-3天。高吸水性樹脂用作苗木移植保水劑，可大大降低苗木死亡率。例如，將山茶花樹苗根部裸露放置24h后移植，成活率為零；而若將它們的根部在0.1%SanwetIM-300水溶脹液中浸漬后放置24h，然后移植，成活率均達100%。當(dāng)前第101頁\共有130頁\編于星期五\3點植物保水劑當(dāng)前第102頁\共有130頁\編于星期五\3點工業(yè)應(yīng)用利用高吸水性樹脂的增稠性和潤滑性，將其混入水泥漿或灰漿，可改善運輸狀況，提高土建工程的效率。將高吸水樹脂與塑料或橡膠混合制成密封材料，此材料一到水就急速膨脹，因此具有很好的密封性。利用高吸水性樹脂的吸水性大，同時幾乎不吸收油和非極性溶劑的性質(zhì)，可將高吸水性樹脂用作工業(yè)脫水劑。當(dāng)前第103頁\共有130頁\編于星期五\3點醫(yī)療衛(wèi)生材料將聚乙烯醇系高吸水性樹脂水凝膠用于人工骨關(guān)節(jié)的滑動部位以代替軟骨。使用高吸水性樹脂的人工關(guān)節(jié)當(dāng)前第104頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂成功的用作人造皮膚。使用高吸水性樹脂的人造皮膚示意圖當(dāng)前第105頁\共有130頁\編于星期五\3點食品工業(yè)“接觸脫水薄板”技術(shù)在食品包裝材料方面應(yīng)用，將高吸水性樹脂的高吸水性和滲透壓較高的蔗糖溶液的吸水力結(jié)合起來，得到脫水能力很強的脫水薄板材料。當(dāng)前第106頁\共有130頁\編于星期五\3點高吸水性樹脂用于食品的保鮮，比聚烯烴薄膜有效得多。例如，用聚乙烯薄膜包裝碗豆英，鮮活期為7天，而用含0.1％聚乙烯醇類高吸水性樹脂的聚乙烯薄膜包裝，鮮活期可達15天。高吸水樹脂無毒無味，不易被人體吸收，可用作食品添加劑。例如，在奶制品中添加高吸水性樹脂，可提高制品的固體含量，改善制品的成型工藝性；將其加入到面包、蛋糕等焙烤食品中，能起到既膨松食品又降低熱量的作用。這些應(yīng)用稱為食品增量劑。此外，用高吸水性樹脂進行食品脫水處理、果汁飲料的澄清、酒類中有害金屬離子的去除以及食品工業(yè)廢水的處理等，都已得到實際的應(yīng)用。當(dāng)前第107頁\共有130頁\編于星期五\3點絮凝沉淀法是指在廢水中加入一定量的絮凝劑，使其進行物理化學(xué)反應(yīng)，達到水體凈化的目的。利用高分子絮凝劑處理各種工業(yè)用水、工業(yè)廢水、生活用水、生活廢水時，具有促進水質(zhì)澄清，減少泥渣數(shù)量，濾餅便于處理，焚燒灰分少等優(yōu)點，同時處理成本也較低。絮凝：將溶液中不需要的成分通過絮狀凝集方式去除的過程。在此過程中用到的助劑稱為絮凝劑。絮凝劑共同特點是：能夠?qū)⑷芤褐械膽腋∥⒘＞奂?lián)結(jié)形成粗大的絮狀團?；驁F塊。5.高分子絮凝劑當(dāng)前第108頁\共有130頁\編于星期五\3點按照絮凝劑的原料來源，可分為無機高分子絮凝劑、微生物絮凝劑、有機高分子絮凝劑。無機高分子絮凝劑這類絮凝劑相對于傳統(tǒng)的無機小分子絮凝劑（硫酸鋁、氯化鐵等），它不僅降低了成本，而且使功效得到了提高。主要包括聚合硫酸鋁、聚合硫酸鐵等聚鐵、聚鋁以及一些復(fù)合改性的產(chǎn)品，如聚硅鋁（鐵）、聚磷鋁（鐵）等。5.1絮凝劑的分類當(dāng)前第109頁\共有130頁\編于星期五\3點無機高分子絮凝劑中存在大量多羥基絡(luò)合離子，以O(shè)H-為架橋形成多核絡(luò)合離子，能夠強烈吸附膠體微粒，通過黏附、架橋和交聯(lián)作用，從而使膠體凝聚，比其他的無機絮凝劑有更好的絮凝效果和能力。還能中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，降低Zeta電位，使粒子的相斥變?yōu)橄辔?，破壞膠團的穩(wěn)定性，碰撞形成絮狀混凝沉淀。也就是說，聚合物既有吸附脫穩(wěn)作用，又可發(fā)揮黏附、橋連以及卷掃絮凝作用。當(dāng)前第110頁\共有130頁\編于星期五\3點微生物絮凝劑微生物絮凝劑主要有糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等，一般是利用生物技術(shù)通過微生物如細(xì)菌、真菌等的發(fā)酵、抽提和精制而得到的。它能快速絮凝各種顆粒物質(zhì)，具有可生物降解性，無毒，安全可靠，對環(huán)境無二次污染。有機高分子絮凝劑有機高分子絮凝劑包括天然有機高分子絮凝劑和人工合成有機高分子絮凝劑。與無機絮凝劑相比，高分子絮凝劑用量少，pH適用范圍廣，受鹽類及環(huán)境因素影響小，污泥量少，處理效果好，應(yīng)用十分廣泛。當(dāng)前第111頁\共有130頁\編于星期五\3點根據(jù)有機絮凝劑所帶基團能否解離及解離后所帶離子的電性可分為：陰離子型主要的品種有聚丙烯酰胺（PAM）,聚丙烯酸鈉（PAA），聚苯乙烯磺酸鈉等。如PAA，具有較高分子量，在水中有很好的溶解度，本身帶電荷，可促使帶有不同表面電荷的懸浮粒子凝聚；還具有活性吸附機能，能將懸浮粒子吸附于其表面，使懸浮粒子相互凝聚，形成大塊絮凝團。具有凈化、促進沉降和有利過濾等作用。當(dāng)前第112頁\共有130頁\編于星期五\3點陽離子型常用的陽離子基團有季銨鹽基，吡啶鎓離子基和喹啉鎓離子基。主要的品種有聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDMDAAC)、環(huán)氧氯丙烷與胺的反應(yīng)產(chǎn)物、胺改性聚醚和聚乙烯吡啶等。其中，聚二烯丙基二甲基氯化銨是一種高效陽離子絮凝劑，它在油田污水、含油污水和除濁處理中都有很好的性能，它對含色污水的處理也有很好的效果，同時也能降低COD值。與其他陽離子絮凝劑相比，環(huán)氧氯丙烷與胺的反應(yīng)物在含氯分散相的分散體中不與氯化物起作用，從而不會降低其絮凝效果。當(dāng)前第113頁\共有130頁\編于星期五\3點非離子型不帶電荷，在水溶液中借質(zhì)子作用產(chǎn)生暫時性電荷，其凝聚作用是以弱氫鍵結(jié)合，形成的絮體小且宜遭破壞。主要的品種有非離子型聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯（PEO）等。其中，PEO是由環(huán)氧乙烷在催化劑存在下經(jīng)開環(huán)聚合而成，高聚合度的PEO對水中懸浮的細(xì)小粒子具有絮凝作用，其分子量越高絮凝效果越好。該化合物在用量大時表現(xiàn)出分散性，只有用量小時才表現(xiàn)出絮凝性。當(dāng)前第114頁\共有130頁\編于星期五\3點兩性離子型兼有陰、陽離子基團的特點，在不同介質(zhì)條件下，其離子類型肯可能不同，適于處理不同電荷的污染物，特別對于污泥脫水，不僅有電性中和，吸附架橋作用，而且有分子間的“纏繞”包裹作用，使處理的污泥顆粒粗大，脫水性好。其適用范圍廣，在酸性、堿性介質(zhì)中均可使用，抗鹽性也較好。當(dāng)前第115頁\共有130頁\編于星期五\3點當(dāng)前第116頁\共有130頁\編于星期五\3點為了聚長補短，還開發(fā)了無機/有機復(fù)合絮凝劑：一般是將鋁系、鐵系、鐵鋁系、聚硅酸鹽等無機絮凝劑與有機高分子絮凝劑如甲殼素、聚丙烯酰胺、PDMDAAC等進行組合。無機/有機復(fù)合絮凝劑具有以下優(yōu)點：提高絮凝效果，提高澄清度;加快絮體形成、沉淀、過濾等過程的速度，從而提高絮凝處理能力;提高固液分離時的濃縮、過濾和離心分離效率;增大絮體體積、強度和吸附活性;改善和提高污泥的可壓縮性，縮小其含水量;降低絮凝劑用量，節(jié)省成本;擴大絮凝劑的有效作用PH范圍。當(dāng)前第117頁\共有130頁\編于星期五\3點在凝聚的程度上可分為凝聚和絮凝：若微粒相互