离子交换树脂简介

dq / dt D c1 c2 /
影响离子交换扩散速度的因素 1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。 2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表 面积增大，使扩散速度越快。 3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大， 扩散速度越快。 4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜 变薄，这些都有利于离子扩散。 5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快 液膜扩散，但不影响内孔扩散。 6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩 散速度越慢。
化学性能
（一）有效PH值范围 由于树脂活性基团分为强酸、强碱、弱酸、弱碱性，水 的pH值势必对其交换容量产生影响。
表 各种类型树脂有效pH值范围
树脂类型 有效pH值范围 强酸性 0~14 弱酸性 4~14 强碱性 0~14 弱碱性 0~7
化学性能
(二) 交换容量 单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表 示法)可发生交换的活性基团数量。 容量表示法 EV ：mmol/ml、mol/l。 重量表示法 EW ：mmol/g、mol/kg。 Ew = Ev ×[湿比重×(1-含水率)] 全交换容量： 单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。 工作交换容量： 在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层 达到的平均交换容量。
3.1按交换基团的性质分类
单功能机
强酸：-SO3H,-CH2SO3H 中强酸：-PO(OH)2，-SeO2(OH) 弱酸：-COOH 磺酸加羧酸：-SO3H+-COOH 磺酸加酚：-SO3H+PhOH 磺酸加酚加羧酸 羧酸加酚 第I型，季胺-(CH)3N+Cl强碱 第II型，季胺-(CH)2N+(CH2CH2OH)Cl第一胺：-NH2 第二胺：-NRH 第三胺：-NR2 巯基：
阳离子交换树脂
多功能机
单功能机
阴离子交换树脂
弱碱
两性离子交换树脂 鳌合性离子交换树脂 氧化还原树脂
多功能机：兼带一、 膦基: 二、三胺和季胺
黄艳，净水技术 2010，29（5）：11-16，29
阳离子交换树脂大都含有磺酸基(—SO3H)、羧基 (—COOH)或苯酚基(—C6H4OH)等酸性基团，其中的氢离子能 与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。 例如,苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳 离子交换树脂，其结构式可简单表示为R—SO3H，式中R代表 树脂母体，其交换原理为 ： 硬水软化 的原理 2R-SO3Na＋Ca2+ (R—SO3)2Ca＋2Na+

阴离子交换树脂含有季胺基[-N(CH3)3OH]、胺基(—NH2) 或亚胺基(—NH2)等碱性基团。它们在水中能生成OH-离子，可 与各种阴离子起交换作用，其交换原理为： R-N(CH3)3OH＋Cl-R N(CH3)3Cl＋OH
各种螯合及螯合性交换剂 活性基团
I 酚，多元酚与取代酚 间苯二酚，苯三酚，水杨酸，二羟基苯甲酸，氨基苯酚，水杨酸 缩胺，间苯二胺四乙酸，硝基苯酚
(二) 含水率
树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高， 含水率高。
(三) 密度 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密 度) 。 单位均为mg/L. (四) 交联度 交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。
Hale Waihona Puke 3.2 按树脂的物理结构分类
凝胶型 大孔型
载体型
不同物理结构离子交换树脂的模型


凝胶型离子交换树脂：外观透明、具有均相高分子凝胶结构。在水中 会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔，可供无机小分子自由地通 过离子。 凝胶型树脂的高分子骨架，在干燥的情况下内部没有毛细孔。 它在吸水时润胀，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显 微孔。湿润树脂的平均孔径为2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。 大孔型离子交换树脂：外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。 即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，大孔树脂内部的孔隙 又多又大，表面积很大，活性中心多，离子扩散速度快，离子交换速度 也快很多，约比凝胶型树脂快约十倍。
阴离子交换树脂和两性离子交换树脂。
2.2 离子交换的原理
离子交换过程是被分离组分（即被提取、被纯化的离子或分子）在水 溶液与固体交换剂之间发生的一种化学计量分配过程，该过程遵循固一液 非均相扩散传质的普遍规律而又不同于传统分离过程。 当与溶液接触时，离子交换剂会与溶液中的特定离子进行交换，即离 子交换树脂上的可交换离子（阳离子或阴离子）被溶液中带同种电荷的特 定离子取代，而不溶性固体骨架在这一交换过程中不发生任何化学变化。 该过程一般可以用方程式表达为:R-B+A+ → R-A+B+（R代表树脂中 除可交换离子以外的其它部分，即惰性骨架与圆定基团；B为可交换离 子；A+为待分离组分)。
D D ¤ △ ▼ × ■
¤△
▼ ×
■
大孔树脂在名称前加D 分类代号（阴、阳、酸、碱、强、弱） 骨架分类代号 顺序号 凝胶型树脂后加*并注明交联度
表 分类代号
代号 0 1 2 3 4 5 6
功能基
强酸性
弱酸性
强碱性
弱碱性
螯合性
两性
氧化还原
表 骨架代号
代号
骨架类型
0
苯乙烯系
1
丙烯酸系
2
酚醛系
3
环氧系
化学性能
（三）选择性 对水中各种离子的交换能力不同 一般选择性顺序分别为：


强酸性阳离子交换树脂Fe3+﹥Al3+ ﹥ Ca2+ ﹥ Mg2+ ﹥ K+ ﹥ Na+ ﹥ H+ 弱酸性阳离子交换树脂H+ ﹥ Fe3+ ﹥ Al3+ ﹥ Ca2+ ﹥ Mg2+ ﹥ K+ ﹥ Na+ 强碱性阴离子交换树脂SO42- ﹥ NO3- ﹥ Cl- ﹥ OH- ﹥ F- ﹥ HCO3- ﹥ HSiO3弱碱性阴离子交换树脂OH- ﹥ SO42- ﹥ NO3- ﹥ Cl- ﹥ HCO3- ﹥ HSiO3-
7.1 水处理
水处理包括水质的软化、 水的脱盐和高纯水的制备等。 水处理是离子交换树脂最基本 的用途之一。
7.2
冶金工业
离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、 稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面 均起着十分重要的作用。 离子交换树脂还可用于选矿。在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆 中水的离子组成，使浮选剂更有利于吸附所需要的金属，提高浮选剂的选 性和选矿效率。
(五) 溶胀性
吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：
溶胀率
溶胀的原因 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀； 活性基团离解形成水合离子。 影响因素 树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。 活性基团：离解程度越大，溶胀率越大； 可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。
V后 V前 V前
100 %
载体型离子交换树脂：一种特殊用途树脂，主要用作液相色谱的固定 相。一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成。它可经 受液相色谱中流动介质的高压，又具有离子交换功能。 凝胶型交换容量大，但孔径小、易污染堵塞，而大孔型具有抗有机物污 染的能力。我国生产的离子交换树脂以凝胶型为主。

离子交换树脂按基体的组成
4
乙烯吡啶系
5
脲醛系
6
氯乙烯系
例如：001×7——(凝胶型)苯乙烯系强酸阳离子交换树脂，交联度为7 。 110×4——(凝胶型)丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂，交联度为4。 D201——大孔型苯乙稀系强碱性阴离子交换树脂。
在离子交换过程中，水中的阳离子（如Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等）与阳 离子交换树脂上的H+ 进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交 换到水中。 水中的阴离子（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，水 中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH- 交换到水中。而H+ 与OH- 相结合生成 水，从而达到脱盐的目的(见下页图) 。 该过程一般可以用方程式表达为:R-B+A+ → R-A+B+（R代表树脂中除可交换离子 以外的其它部分，即惰性骨架与圆定基团；B为可交换离子；A+为待分离组分)。
20世纪50年代末，国内外诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换 树脂。 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，更为突出的是应用得到迅速的发展。除了传统的水的脱盐、 软化外，在分离、纯化、脱色、催化等方面得到广泛的应用
2.1离子交换树脂的定义
离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高 分子化合物，它由不溶性的三维空间网状骨架、连接 在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可 交换离子三部分构成。 离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、
离子交换树脂的基体，制造原料主要有苯乙烯和丙烯 酸(酯)、环氧系、酚醛系及脲醛系。 苯乙烯系树脂是先使用的，丙烯酸系树脂则用得较后。
强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂
弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂
离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。
大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状或粉状。 树脂颗粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范围内，大部分在 0.4～0.6mm之间。 它们有较高的机械强度(坚牢性)，化学性质也很 稳定，在正常情况下有较长的使用寿命。