本發(fā)明涉及陽離子交換樹脂，尤其涉及一種凝膠陽離子交換樹脂及其制備方法與應用。

背景技術：

1、陽離子交換樹脂是由高分子聚合物構成的材料，它們含有能夠與溶液中的陽離子進行交換的反應性基團。這些樹脂通常用于水處理、化工、食品加工、制藥和環(huán)保等多個領域。樹脂的基本結構包括一個樹脂基質，這通常是由聚苯乙烯、丙烯腈或乙烯基苯等材料構成的，以及附著在基質上的功能基團。這些功能基團可以是強酸性的，如磺酸基(-so3h)，也可以是弱酸性的，如羧基(-cooh)。強酸性樹脂在廣泛的ph范圍內都能進行有效的離子交換，而弱酸性樹脂則主要在接近中性或堿性的條件下工作。陽離子交換樹脂的孔隙結構允許水分子和離子通過，這有助于提高交換效率。這些孔隙可以是物理孔隙，也可以是化學孔隙，它們的大小和分布會影響樹脂的性能。

2、制備陽離子交換樹脂的過程包括原料準備、合成、聚合反應和后處理。在合成過程中，基礎樹脂、交聯(lián)劑、功能單體和催化劑等原料被混合并聚合，形成具有特定結構和功能的樹脂。后處理步驟包括洗滌、干燥和篩分，以確保樹脂的純凈度和一致性。陽離子交換樹脂的應用非常廣泛，包括但不限于：水處理：去除水中的鈣、鎂等陽離子，降低水硬度?；瘜W分離和提純：用于分離和提純氨基酸、核苷酸等化合物。環(huán)境保護：去除廢水中的重金屬離子和放射性物質?；どa：用于制備高純度化學品，如鹽酸、硫酸等。食品工業(yè)：用于食品中的離子交換和脫鹽過程，改善食品品質。陽離子交換樹脂因其高效的離子交換性能和廣泛的應用范圍，在工業(yè)和科研中扮演著重要角色。

3、專利cn111040065a涉及陽離子交換樹脂技術領域，特別描述了一種無溶劑凝膠型苯乙烯系陽離子交換樹脂的制備技術。該技術通過在引發(fā)劑的作用下，將苯乙烯、二乙烯苯和第三種單體進行懸浮聚合，形成白球；隨后，白球與硫酸進行磺化反應，并在反應完成后進行后處理，最終得到無溶劑凝膠型苯乙烯系陽離子交換樹脂。這一制備方法避免了使用1,2-二氯乙烷作為白球溶脹試劑，從而提高了產品的安全性，簡化了精制過程，并降低了企業(yè)的成本。

4、專利cn106243263a則披露了一種腰果酚接枝聚苯乙烯多元共聚陽離子交換樹脂的制造方法。該方法包括水相和油相的制備、復合樹脂微球的制備以及離子交換樹脂的合成。樹脂微球的骨架由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和乙烯基三甲氧基硅烷交聯(lián)構成。這種聚苯乙烯多元共聚陽離子交換樹脂具備優(yōu)異的耐高溫和耐化學穩(wěn)定性，適用范圍廣泛，機械強度高，孔徑均勻性好，離子交換容量高，特別是在吸附重金屬污染物方面表現(xiàn)出色，非常適合用于處理含重金屬的廢水。

5、現(xiàn)有的凝膠型陽離子交換樹脂在水處理領域扮演著重要角色，它們通過內部的功能基團與水中的重金屬離子進行離子交換反應，實現(xiàn)對重金屬的有效去除。這些功能基團，如硫酸基和胺基等，具有高度選擇性地吸附和釋放特定的陽離子。陽離子交換樹脂的基本結構包括樹脂基質、功能基團和孔隙結構，這些結構共同作用，使得樹脂能夠吸附和置換水中的重金屬離子，如鉛、銅、鎘等。然而，與物理吸附材料相比，凝膠型陽離子交換樹脂的吸附容量可能較小，對重金屬離子的吸附性有限。物理吸附材料，如某些天然材料或經過特殊處理的吸附劑，可能因為其高比表面積和多孔結構，展現(xiàn)出更大的吸附容量。此外，凝膠型陽離子交換樹脂的吸附容量也受到樹脂結構的影響。離子交換樹脂的離子交換容量包括總交換容量、工作交換容量和再生交換容量，這些容量反映了樹脂在不同條件下的離子交換能力。在實際應用中，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構不同而異?？偟膩碚f，雖然凝膠型陽離子交換樹脂在去除水中重金屬方面具有一定的效果，但其吸附容量和對重金屬離子的吸附能力相較于某些物理吸附材料存在局限性。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供了一種凝膠陽離子交換樹脂及其制備方法與應用。

2、凝膠型陽離子交換樹脂在去除水中重金屬離子方面具有一定的效果，但其吸附容量相對較低，對重金屬離子的吸附能力存在一定的局限性。為了提升這種樹脂的性能，可以通過特定的改性方法來增強其對重金屬的吸附能力。本發(fā)明通過丙烯酸系白球與液堿進行水解后再加酸，得到的樹脂再經改性得到陽離子交換樹脂。這種改性過程中，引入了羥肟酸基團、巰基基團，羥肟酸基團能夠與金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物，尤其是與重金屬離子如銅、鎳和鉛等形成穩(wěn)定的五元環(huán)結構，顯示出高親和力。這種結構的形成極大地增強了樹脂對重金屬離子的吸附能力，從而顯著提高了陽離子交換樹脂的吸附效率。而巰基中的硫原子具有較大的原子半徑和較低的電負性，能夠與重金屬離子形成穩(wěn)定的配位鍵。硫原子的孤對電子可以與重金屬離子的空軌道雜化，形成強的金屬-硫鍵。這種配位作用尤其對“軟酸”型重金屬離子(如hg2+、pb2+、cd2+等)表現(xiàn)出極高的親和力。羥肟酸基團以及巰基基團的引入不僅增強了樹脂的吸附能力，還提高了其選擇性，使得樹脂在復雜的水環(huán)境中能夠更有效地識別并吸附特定的重金屬離子。這種改性后的陽離子交換樹脂在水處理和重金屬污染治理中顯示出了巨大的應用潛力。通過這種改性方法，可以有效地提升陽離子交換樹脂的性能，使其在去除水中重金屬離子方面更加高效和專一，這對于環(huán)境保護和水資源管理具有重要意義。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種凝膠陽離子交換樹脂的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、將丙烯酸系白球與氫氧化鈉水溶液混合，升溫至70～80℃后進行水解，水解放熱后升溫至100～110℃，蒸餾1～2h，密閉下升溫至130～150℃保溫4～6h，控制壓力＜0.3mpa；

5、s2、過濾，水洗，洗滌至ph呈中性后結束，通入蒸汽進行蒸煮，壓強控制＜0.18mpa，蒸煮三次，每次蒸煮2～3h，過濾，得到的物料與硫酸混合后，再加入過氧乙酸，攪拌1～2h后過濾，水洗至ph呈中性后用于下一步；

6、s3、將上一步的物料與n,n'-羰基二咪唑、n,n-二甲基甲酰胺混合在30～40℃攪拌1～2h，再加入改性劑，升溫攪拌，過濾，水洗后干燥、包裝、入庫即得。

7、進一步的，所述氫氧化鈉水溶液的濃度為20～40wt％。

8、進一步的，所述硫酸的濃度為10～30wt％。

9、進一步的，所述丙烯酸系白球與氫氧化鈉水溶液、硫酸、過氧乙酸的質量比為0.3～0.5:0.4～0.6:0.05～0.15:0.001。

10、進一步的，所述改性劑為2-氨基-n-羥基-丁酰胺、(z)-2-氨基-n-羥基戊酰胺或(3s)-3-氨基-n,n'-二羥基-2-氧代己二胺、(2r)-2-氨基-n-羥基-3-硫代丙酰胺中的一種。

11、進一步的，所述步驟s3中上一步的物料與n,n'-羰基二咪唑、改性劑的質量比為1:2～3:3～4。

12、進一步的，所述步驟s3中升溫的溫度范圍為80～100℃。

13、進一步的，所述步驟s3中升溫攪拌的時間為6～10h。

14、本發(fā)明還提供了一種凝膠陽離子交換樹脂，由上述方法制備而成，以及該凝膠陽離子交換樹脂在重金屬吸附、水處理中的應用。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、發(fā)明通過丙烯酸系白球與液堿進行水解后再加酸，得到的樹脂再經改性得到陽離子交換樹脂，由于改性劑中具備羥肟酸基團以及巰基基團，而羥肟酸基團以及巰基基團的引入不僅增強了樹脂的吸附能力，還提高了其選擇性，使得樹脂在復雜的水環(huán)境中能夠更有效地識別并吸附特定的重金屬離子。因此所得到的陽離子交換樹脂對重金屬的吸附能力顯著提高，這對于提升陽離子交換樹脂的性能十分重要。