也许我们正在为沙漠变绿洲的美丽梦想而奋斗；也许我们正在为水资源的污染而担忧；也许我们正在为亲人失去身体的某个器官而忧心忡忡；也许我们还在为昂贵的医药费而紧锁眉头；你想知道是什么新材料在帮我们实现沙漠变绿洲的梦想吗？你想知道是什么新材料在帮我们守住清新的水世界吗？你想知道是什么新材料为我们的生命保驾护航吗？在这一章我们将一一为大家揭开这新材料神秘的面纱。
4.1特能“喝”水的超强吸水性树脂
自古以来，一代又一代的先辈们一直在为荒漠变成绿洲的美丽梦想而奋斗，但都未能如愿以偿。众所周知，沙漠中之所以不能生长植物，关键原因不是缺水，而是无法将水保留住。当雨水降落到沙漠之地时，颗粒粗糙的沙子，不能像土壤那样吸附住相当的水分，只好任凭雨水快速渗入到地下消失不见，大雨之后的沙漠，用不了多久就会变得和原来一样干旱。面对沙漠的这种特点，现在科学家研制出一种超强性能吸水树脂，它不仅不憎水，反而能大量吸附周围的水分，受热之后，又可以将这些水分缓慢地释放出来。今天，超强吸水树脂经过不断地改良，已达到能吸附自身重量200倍的水，最多的甚至达到几千倍。要使沙漠变绿洲，就必须使沙漠储存足够的可供植物吸收的水分。超强吸水树脂的出现，给沙漠变绿洲带来了新的希望。现在超强吸水性树脂应用于沙漠的改造工作，已经取得了较好的效果，引起了世人的极大关注。
4.1.1超强吸水性树脂吸水机理
现在对功能高分子材料的研制和开发已经成为材料学领域的研究热点之一。其中，超强吸水性树脂就是近年来得到迅速发展的一类新型的功能高分子材料。它的研究开发始于20世纪60年代后期，1966年美国农业部北方研究所Fanta等进行了淀粉接枝丙烯腈的研究，从此开始了超强吸水性树脂的发展。
4纯水世界的卫士超强吸水性树脂为网状结构，不仅可以吸收大量的水分（可吸收自身重量的上千倍的水，而海绵仅能吸收自身重量的20倍之水），而且其保水性能也相当强（海绵吸水后，受到压力，易放出水；超强吸水性树脂受压，水不容易从树脂中放出来），热稳定性好（淀粉类吸水树脂在150℃加热1小时，开始变黑，吸水能力迅速下降，超强吸水性树脂储存在密封容器中，150℃储存3～4小时，其吸水能力不变）。超强吸水性树脂吸水后呈水凝状，增稠效果明显。超强吸水性树脂与水之间存在3种作用：①水分子与高分子电负性强的氧原子形成氢键结合；②水分子与疏水基团的相互作用；③水分子与亲水基团的相互作用。
超强吸水性树脂亲水基团周围水的结构模型超强吸水性树脂吸水前后形态变化4.1.2超强吸水性树脂的类型（1）淀粉淀粉是一种原料来源广泛、种类多、价格低廉的多羟基天然化合物，与淀粉进行接枝共聚反应的单体主要是亲水性和水解后变成亲水性的乙烯类单体。目前合成超强吸水树脂通常采用的是自由基型接枝共聚。
（2）合成树脂系
合成树脂系的种类很多，且随着研究的深入，种类也越来越多。主要有丙烯酸类、聚丙烯醇类等，其中以丙烯酸类最重要。
（3）纤维系类
由于淀粉系超强吸水性树脂的出现，人们想到用纤维素为原料制备超强吸水性树脂。纤维原料来源广泛，能与多种低分子反应，是近十年来超强吸水性树脂发展的一个方面。
（4）有机-无机复合超强吸水性树脂
20世纪80年代Pandurange等将超强吸水性树脂与其他材料复合，发现可以有效地改善其耐盐性、凝胶强度、热稳定性和保水性等性能。因此，有机-无机复合材料得到迅速的发展，并在超强吸水性树脂领域占据了重要位置。
4.1.3超强吸水性树脂的应用
（1）石油化工方面
随着石油开采领域的不断扩大，开采强度和难度也不断增大。功能性新型超强吸水性树脂具有奇特的吸水性和较好的耐盐性，可作为油田固化剂、堵水剂、泥浆凝胶剂、钻头润滑剂等。将超强吸水性树脂与塑料或橡胶材料混合，再加入表面活性剂，使它们的相容性提高，可制成密封材料，当这种材料遇到水或其他水性流体时就急剧膨胀，具有很好的密封性，特别是对于输油、输气管线的密封。此外，超强吸水性树脂还可用作油田的化学堵漏材料。超强吸水性树脂亦可有效脱除油品中的少量水分，在含有少量水分的煤油中加入超强吸水性树脂，充分搅拌后，滤出树脂，可以得到脱除全部水分的油品。由于超强吸水性树脂对不同盐溶液的吸液能力不同，使得其在应用过程中受到了一定程度的限制，因此有必要进一步提高其耐盐性。
（2）农林抗旱有保障
超强吸水性树脂不但具有奇特的吸水、保水能力，而且能在土壤中形成团状颗粒，从而降低昼夜温差，同时还能有效吸收肥料、农药，防止水土流失，因此，在农林业生产中占据着重要的地位。在果树栽培中进行了高吸水性树脂抗旱保水实验，不仅减少了灌溉次数，还有利于提高水果产量和质量。将羧甲基纤维素接枝丙烯酸保水剂施入农田后，提高了土壤的保水能力，并且可防止表土结皮，有效抑制土壤中水分蒸发。薄膜状、凝胶状或泡沫状的高吸水性树脂用于正在生长的蔬菜和花的种子，可以增加生产的稳定性和产量。
（3）食品保鲜更持久
利用超强吸水保水剂的吸液性，将其与成膜剂、杀菌剂、除氧剂等混合制成保鲜剂，涂抹在水果、蔬菜的表面，或将蔬菜、水果浸在保鲜剂中，可达到保鲜效果。将玉米淀粉接枝丙烯酸盐超强吸水保水剂、水、丙二醇以一定配比均匀混合制成水凝胶，把鱼浸入其中10秒后取出，保鲜12天后仍保持原有的光泽，且肉质弹性良好，而未经处理的鱼在第6天就已霉烂变质。
（4）助推医疗卫生上新台阶
超强吸水性树脂吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，对人体无刺激性、无不良反应、不发生炎症、不引起血液凝固等，这些都为其在医药方面的应用创造了条件。近年来，超强吸水性树脂已被广泛地应用于医药的各个方面，如用于保持部分被测液的医用检验试片；含水量大、使用舒适的外用药膏，能吸收手术及外伤出血和分泌液、并可防止化脓的医用绷带和棉球，能使水分和药剂通过而微生物不能透过的抗感染性人造皮肤等。卫生及医用材料是超强吸水性树脂应用研究较为成熟的领域。有的国家90%左右的超强吸水树脂用于生产卫生及医用材料。在我国，由于超强吸水树脂本身质量还有一定的欠缺，再加上人们对此还需要一个适应的过程，所以卫生用品制造商很少使用超强吸水性树脂，即便是使用也基本靠进口解决。随着人们生活水平的提高，此类需求将大大增加，因而国内市场具有很大的潜力。
（5）在建筑及其他领域毫不逊色
超强吸水性树脂在建筑材料中可用作止水、隔水材料，如用作管道、设备及阀门垫片，用作填缝、堵水、防漏材料等。在英法海底隧道的修建中超强吸水树脂就得到成功的应用。另外，超强吸水性树脂既可作为耐火被覆材料，又可作为有效的灭火材料。超强吸水性树脂还可用于建筑物结露防止剂、调湿材料，也可用于吸水性涂料的制备等。今后在建筑材料领域应重点加强超强吸水性树脂在房屋漏水、墙壁渗水、改造江河、防洪抗灾、光缆和电缆的止水防水等方面的实际应用开发研究。人工智能材料方面是超强吸水性树脂应用的一个比较有前景的领域。超强吸水性树脂高分子水凝胶在水溶液中，环境的变化（如温度、pH值、其他溶剂浓度、离子强度、光、电等条件的变化）都会引起它的结构和形态发生改变，即发生膨胀和收缩的可逆转变。由于这种随外界环境条件变化而发生的力化学能的变换、传递的材料是一种感知材料，具有高度敏感性、应答性，因而是一种新型的智能高分子材料，可以广泛应用于化学活门、光活门、转换器、记忆元件、指示装置、调节控制器、药物释放控制器、机器人等的制造。因此，加强这一领域的研究开发和应用具有十分重要的意义。除此之外，超强吸水性树脂还有很多用途，如制作吸水性衣料、酶的提纯和固定、药剂的回收、溶液的分离、太阳能的利用、人造雪的制造、放射性物质的处理、铸造用的黏结剂、矿石的小颗粒化剂、煤的成型剂、静电防止剂、电池阳极凝胶化剂、纤维制冷系统等。现在，超强吸水性树脂已广泛地应用于各个领域，在国民经济建设中也将会起到越来越重要的作用。
（6）沙漠变绿洲不再是痴人说梦
超强吸水性树脂的出现使人们能够战胜干旱，从而实现沙漠变成绿洲的理想。目前很多国家进行的相关研究，把超强吸水性树脂用作土壤保水剂来治理沙漠是一项行之有效的方法。如法国制造出一种吸水土，已用于改造沙漠。日本也将吸水性树脂的技术向印度出售，以开发印度的沙漠，日本已在中东和非洲地区做了多年试验，将高吸水树脂配制成0.3%～0.4%的凝胶液，撒入10～15厘米深的沙漠中，就可在其中种植蔬菜和一般农作物，收到了较好的效果。比利时、以色列、南非、北非各国数年前就将吸水性树脂用于沙漠治理，并都取得了显著的效果。这项工作的开展对我国北方地区少雨干旱、土地沙化的现状具有重要的意义和潜在的市场前景。现正在实施利用超强吸水树脂的工程使沙漠变绿洲将逐步成为现实。
4.2只需交换别无他求——离子交换树脂
众所周知，水资源是人类赖以生存的重要资源。然而随着当今社会科学经济的发展，在水资源匮乏的同时，水污染状况也令人担忧。河流作为陆地上最为重要的水体，工业区和城市绝大部分必须建立在河流之滨才能依靠河流供水、运输，与此同时也带来了把废水排入河流产生严重的环境污染的现象。水体受到污染后会对人体的健康、工业生产、农作物生产等产生许多危害和不良影响。水污染治理的好坏可以说是关系国计民生的大事。所以，研究如何降低废水中重金属的含量，减轻重金属对环境的污染具有重大意义。离子交换树脂的出现为解决这一问题带来希望。
离子交换技术在治理重金属工业废水的同时，可实现金属的回收利用，具有较高的经济合理性，对增加可利用资源和改善环境质量具有十分重要的意义。
离子交换设备与交换后得到的纯净水
4.2.1离子交换树脂简介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。它具有一般聚合物所没有的新功能——离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。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、冶金行业、生物工程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。
离子交换树脂的外形1935年英国的dams和Holmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂领域的研究工作。1944年，Alelio合成了具有优良物理和化学性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂，奠定了现代离子交换树脂的基础。此后，陶氏化学公司的Bauman等人开发了苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业化。Rohm和Hass公司的Kunin等人则进一步研制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂。这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。
离子交换树脂发展史上的另一个重大成果是大孔型树脂的开发。20世纪50年代末，国内外包括我国的南开大学化学系在内的诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换树脂。与凝胶型离子交换树脂相比，大孔型离子交换树脂具有机械图离子交换树脂的化学结构强度高、交换速度快和抗有机污染的优点，因此很快得到广泛的应用。
20世纪60年代后期，离子交换树脂除了在品种和性能等方面得到了进一步的发展，应用方面也得到迅速的发展。除了传统的水的脱盐、软化外，在分离、纯化、脱色、催化等方面也得到广泛的应用。例如离子交换树脂在水处理以外的应用由80年代以前占离子交换树脂总用量的不足10％增加到目前的30％左右。
目前，离子交换树脂的应用已经历了70多年的发展历史，离子交换树脂已发展到当前的在化工、电力、电子、环境科学、湿法冶金、分析化学、食品加工、医疗药物甚至航天领域中大显身手。
4.2.2离子交换树脂的性能指标