陽離子交換樹脂采用的是離子交換技術(shù)，在現(xiàn)代制糖工業(yè)中起著很重要的作用。陽離子交換樹脂是一種化學物質(zhì)，主要用于制造精糖和高級食用糖漿的提純。離子交換樹脂一般呈現(xiàn)多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.5~1.0mm。

種類和性能

世界上許多糖廠制造精糖和高級食用糖漿，多數(shù)使用離子交換樹脂將糖液脫色提純，而過去傳統(tǒng)用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉(zhuǎn)向使用離子交換樹脂的趨勢。

離子交換技術(shù)有相當長的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)代有機合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是高新科技產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應用。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。

在工業(yè)應用中，離子交換樹脂的優(yōu)點主要是處理能力大，脫色范圍廣，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(chǔ)的多種新技術(shù)，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(shù)的開發(fā)和應用還在迅速發(fā)展之中。

離子交換樹脂的應用，是近年國內(nèi)外制糖工業(yè)的一個重點研究課題，是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)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(wǎng)絡結(jié)構(gòu)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(shù)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 范圍內(nèi)，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(zhì)也很穩(wěn)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(zhì)和類別。首先區(qū)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(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂，及根據(jù)樹脂的物理結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當?shù)念愋秃推贩N。

基體組成

離子交換樹脂 - ionresin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(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應，形成具有長分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)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?！?/p>

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(shù)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(zhì)，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(fā)揮兩者的長處。

樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分數(shù)，對樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密，堅牢而耐用，密度較高，內(nèi)部空隙較少，對離子的選擇性較強；而交聯(lián)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(yè)應用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無機離子的樹脂，其交聯(lián)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(huán)氧系 - epa、乙烯吡啶系 - vp、脲醛系 - ua等。

物理結(jié)構(gòu)

離子樹脂 常分為凝膠型和大孔型兩類。

凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒有毛細孔。它在吸水時潤脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細的孔隙，通常稱為顯微孔 - micro-pore。濕潤樹脂的平均孔徑為2～4nm - 2×10－6 ～4×10－6mm。

這類樹脂較適合用于吸附無機離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進入這類樹脂的顯微孔隙中。

大孔型樹脂是在聚合反應時加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量永久性的微孔，再導入交換基團制成。它并存有微細孔和大網(wǎng)孔 - macro-pore，潤濕樹脂的孔徑達100～500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時控制?？椎赖谋砻娣e可以增大到超過1000m2/g。這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴散的路程，還增加了許多鏈節(jié)活性中心，通過分子間的范德華引力 - van de waal's force產(chǎn)生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴大它的功能。一些不帶交換功能團的大孔型樹脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠廢水中的酚類物。

大孔樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時的作用快、效率高，所需處理時間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對有機大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強，并較容易再生。

交換容量

離子交換樹脂進行離子交換反應的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當量數(shù)，meq/g - 干或 meq/ml - 濕；當離子為一價時，毫克當量數(shù)即是毫克分子數(shù) - 對二價或多價離子，前者為后者乘離子價數(shù)。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。

１、總交換容量，表示每單位數(shù)量 - 重量或體積樹脂能進行離子交換反應的化學基團的總量。

２、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。

３、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學基團再生復原的程度。

通常，再生交換容量為總交換容量的50～90% - 一般控制70～80%，而工作交換容量為再生交換容量的30～90% - 對再生樹脂而言，后一比率亦稱為樹脂的利用率。

在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異?，F(xiàn)仍未能分別進行計算，在具體設計中，需憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修正，并在實際運行時復核之。

離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團起反應。而在實際應用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低于用無機離子測出的數(shù)值。這種情況與樹脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。

物理性質(zhì)

離子交換樹脂的顆粒尺寸和有關(guān)的物理性質(zhì)對它的工作和性能有很大影響。

- １? 樹脂顆粒尺寸

離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹脂顆粒較細者，反應速度較大，但細顆粒對液體通過的阻力較大，需要較高的工作壓力；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著。因此，樹脂顆粒的大小應選擇適當。如果樹脂粒徑在0.2mm - 約為70目以下，會明顯增大流體通過的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。

樹脂顆粒大小的測定通常用濕篩法，將樹脂在充分吸水膨脹后進行篩分，累計其在20、30、40、50……目篩網(wǎng)上的留存量，以90%粒子可以通過其相對應的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效粒徑”。多數(shù)通用的樹脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。

樹脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測定樹脂的“有效粒徑”坐標圖上取累計留存量為40%粒子，相對應的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹脂 - ir-120的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得均勻系數(shù)為2.0。

- ２? 樹脂的密度

樹脂在干燥時的密度稱為真密度。濕樹脂每單位體積 - 連顆粒間空隙的重量稱為視密度。樹脂的密度與它的交聯(lián)度和交換基團的性質(zhì)有關(guān)。通常，交聯(lián)度高的樹脂的密度較高，強酸性或強堿性樹脂的密度高于弱酸或弱堿性者，而大孔型樹脂的密度則較低。例如，苯乙烯系凝膠型強酸陽離子樹脂的真密度為1.26g/ml，視密度為0.85g/ml；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽離子樹脂的真密度為1.19g/ml，視密度為0.75g/ml。

- ３? 樹脂的溶解性

離子交換樹脂應為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹脂分解生成的物質(zhì)，會在工作運行時溶解出來。交聯(lián)度較低和含活性基團多的樹脂，溶解傾向較大 。

- ４? 膨脹度

離子交換樹脂含有大量親水基團，與水接觸即吸水膨脹。當樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂由h 轉(zhuǎn)為na ，陰樹脂由cl－轉(zhuǎn)為oh－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大。在設計離子交換裝置時，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應生產(chǎn)運行時樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化。

- ５? 耐用性

樹脂顆粒使用時有轉(zhuǎn)移、磨擦，膨脹和收縮等變化，長期使用后會有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機械強度和耐磨性。通常，交聯(lián)度低的樹脂較易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強度。如大孔樹脂，具有較高的交聯(lián)度者，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐反復再生 。