化學(xué)結(jié)構(gòu)
高聚物骨架
功能基
離子交換原理
物理結(jié)構(gòu)
交聯(lián)高分子鏈
大孔樹脂
孔結(jié)構(gòu)參數(shù)
大孔樹脂性能"/>
其物理結(jié)構(gòu)含交聯(lián)高分子鏈、凝膠相空隙和凝膠間孔穴。交聯(lián)鏈未接功能基時(shí)不親水,接觸水或有機(jī)溶劑時(shí)空隙會(huì)變化,形成化學(xué)孔。大孔樹脂有物理孔,大小、數(shù)量可控,利于大"/>
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離子交換樹脂結(jié)構(gòu)

作者:星臨技術(shù)部瀏覽數(shù):157

離子交換樹脂結(jié)構(gòu)概述

離子交換樹脂作為一種在眾多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用的材料,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了它的性能與應(yīng)用。了解離子交換樹脂的結(jié)構(gòu),有助于更深入地理解其工作原理和使用特性。

1.2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)

離子交換樹脂主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成,其基本組成單元包括高聚物骨架、連接在骨架上的功能基以及功能基中可交換的離子。
  • 高聚物骨架:呈現(xiàn)立體的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),高分子鏈相互聯(lián)結(jié)、纏結(jié),賦予樹脂高度的物理和化學(xué)穩(wěn)定性,使其不溶于酸、堿溶液以及有機(jī)溶劑。

  • 功能基:連接在高分子鏈上,可分為帶電荷和帶有自由電子對(duì)兩類。帶電荷的功能基會(huì)結(jié)合帶相反電荷的離子,即反離子,反離子能夠與外界同種電荷的離子進(jìn)行交換。例如在水處理中,強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂的磺酸基\(-SO_3H\)中的氫離子(反離子),可以與水中的鈣、鎂離子交換,從而實(shí)現(xiàn)水的軟化。而不帶電荷僅有自由電子對(duì)的功能基,則通過(guò)自由電子對(duì)結(jié)合極性分子、離子和離子化合物。

  • 離子交換原理:功能基與反離子之間的連接類似電解質(zhì)內(nèi)部或極性分子與電解質(zhì)之間的連接,在一定條件下會(huì)發(fā)生解離或解吸,這是離子交換樹脂實(shí)現(xiàn)離子交換性能的關(guān)鍵。比如在離子交換過(guò)程中,當(dāng)含有特定離子的溶液與樹脂接觸時(shí),反離子會(huì)根據(jù)溶液中離子濃度的差異和交換平衡原理,與溶液中的目標(biāo)離子進(jìn)行交換,從而達(dá)到分離、提純或去除特定離子的目的。

1.2.2 物理結(jié)構(gòu)

離子交換樹脂的物理結(jié)構(gòu)由交聯(lián)的高分子鏈(帶功能基和反離子)、凝膠相中高分子鏈之間的空隙(含水時(shí)充滿結(jié)合水)以及凝膠相間的孔穴(僅大孔樹脂具備)三部分組成。
  • 交聯(lián)高分子鏈與空隙變化:交聯(lián)的高分子鏈在未連接功能基時(shí)不親水,干態(tài)和浸于水中時(shí)內(nèi)部不含水,鏈間空隙極小。當(dāng)浸于有機(jī)溶液,因其親油性,鏈間會(huì)滲入有機(jī)溶劑,使空隙有所增加,但交聯(lián)結(jié)構(gòu)限制了滲入量,空隙增加有限。而干態(tài)離子交換樹脂浸于水中時(shí),親水性功能基大量結(jié)合水,使鏈間空隙增加,樹脂發(fā)生膨脹,同樣交聯(lián)結(jié)構(gòu)限制了結(jié)合水量,空隙增加程度有限。這種由交聯(lián)結(jié)構(gòu)中鏈間空隙增加形成的分子和離子通道,一般小于 5nm,被稱為化學(xué)孔。

  • 大孔樹脂的物理孔:凝膠相間的孔穴是大孔樹脂特有的物理孔,其大小和數(shù)量可人為控制,通常大于 1nm,甚至可達(dá)幾千納米或更大。這一特性使得大分子能夠更順暢地進(jìn)出離子交換樹脂,極大地拓展了其應(yīng)用范圍。例如在生物制藥領(lǐng)域,大孔離子交換樹脂可用于分離和提純蛋白質(zhì)等大分子生物活性物質(zhì)。大孔樹脂內(nèi)部的孔由眾多大小不等、形狀各異的孔道相互交叉、相通,構(gòu)成通道網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(因此也被稱為大孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樹脂)。由于這些孔非常微小,一般顯微鏡難以觀察,需借助電子顯微鏡。

  • 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與大孔樹脂性能描述:通常用比表面積、孔容(或孔度)、孔徑(平均孔徑或孔徑分布)這三個(gè)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)描述離子交換樹脂的孔結(jié)構(gòu)狀況。對(duì)于大孔樹脂性能,一般有以下三種描述:

    • 孔徑在 20nm 以上,較大的孔徑為大分子物質(zhì)的交換和吸附提供了便利條件。

    • 具有**性孔穴,在干態(tài)時(shí)用電子顯微鏡透視能清晰看到明顯孔穴,而相同條件下凝膠樹脂則無(wú)孔穴顯現(xiàn)。

    • 符合濕態(tài)樹脂不透明,比表面積大于 5m2/g,孔徑大于 5nm,樹脂密度和視密度之差大于 0.5g/mL 這四個(gè)條件,這些指標(biāo)綜合反映了大孔樹脂獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。

深入了解離子交換樹脂的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu),對(duì)于在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)不同需求選擇合適的樹脂品種、優(yōu)化使用條件以及開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。


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