离子交换技术

离子交换技术
1.定义：利用离子交换剂来进行物质的分离和提纯的方法
2.原理：基于物质在固相与液相之间的分配
3.离子交换剂分类：有机离子交换树脂和无机离子交换剂
天然海绿砂
无机质
人造合成沸石
离子交换剂
碳质磺化煤强酸性磺酸基(-SO3H)
阳离子型
有机质弱酸性羧酸基（－COOH）
强碱性Ⅰ型｛-N(-CH3)3｝OH
离子交换树脂阴离子型Ⅱ型｛－N(CH3)2｝OH
弱碱性（－(NH3)OH、（＝NH2）OH 或
（≡NH）OH
其他－氧化还原型、有机物清除型等
无机离子交换剂的优点：耐高温、抗辐射缺点：交换能力低、化学稳定性差、机械稳定性差
有机离子交换树脂的特点：网状结构、难溶（水、酸、碱、有机溶剂）、性质稳定（热、机械、化学）、含活性基团（-SO3H、-COOH、≡NROH）
4.离子交换树脂结构：
网状骨架上有许多功能团，以苯乙烯和二乙烯苯交联共聚体为骨架，以磺酸基为功能团。

5. 离子交换树脂分类：
按物理结构分类：凝胶型（孔径为5nm);大孔型（孔径为20—100nm);
按合成的树脂所用原料单体分类：
苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、乙烯吡啶系
最常用的分类是依据树脂离子交换功能团分：
强酸性阳离子交换树脂;弱酸性阳离子交换树脂;
强碱性阴离子交换树脂;弱碱性阴离子交换树脂
特殊的离子交换树脂：电子交换树脂，大孔离子交换树脂，螯合树脂，萃淋树脂，氧化还原树脂和纤维交换剂等
6. 离子交换树脂作用原理：
（1）电离
RSO 3H RSO 3−+H +
最常见的聚苯乙烯苯磺酸树脂，以苯乙烯和二乙烯苯交联共聚体为骨架，以磺酸基为功能团，当树脂浸泡在水溶液中，水渗入树脂相，功能团电离产生可供交换的游离离子，如上式，SO 3−联结在树脂骨架上不能自由运动，使树脂带上固定的电荷，被称为固定离子，与固定离子电荷相反的离子（如H +）称反离子，在树脂相内形成一种类似高分子电解质的“溶液”，外来离子扩散入树脂相，便能置换这些反离子，而发生
（2）交换反应
Ｒ−ＳＯ
３−Ｈ＋＋Ｍ＋ＲＳＯ３−Ｍ＋＋Ｈ＋
所以，Ｍ＋被吸附在树脂上，而Ｈ＋
被解吸进入溶液中，这就是离子交换树脂上的离子交换过程，也可称作吸附和吸解过程。

7. 离子交换树脂物理性质：
7.1外观
（1）颜色：透明或半透明的物质，颜色各异。

在使用中，由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因，其颜色会发生变化。

（2）形状：一般均呈球形。

树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率，称为圆球率。

对于交换柱水处理工艺来说，圆球率愈大愈好，它一般应达90%以上。

7.2粒度
树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。

颗粒大，交换速度就慢；颗粒小，水通过树脂层的压力损失就大。

如果各个颗粒的大小相差很大，则对水处理的工艺过程是不利的。

有效粒径是指筛分树脂时，10%体积的树脂颗粒通过，而90%体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。

均一系数是指能通过60%体积树脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂的筛孔直径之比。

均一系数越接近1，表明树脂颗粒越均匀。

常常见到用筛目数表示树脂粒度。

7.3密度
（1）真体积V真：质量为w1的含有平衡水的湿树脂加到水中，观察排开水的量，即得到树脂的真体积V真。

（2）视体积V视：将含平衡水的树脂装入量筒，敲击振动使体积极小，得树脂空间体积，即为视体积V视。

（3）干真密度：在干燥状态下树脂本身的密度
干树脂质量g/mL
干真密度＝
树脂的真体积
此值一般为1.6左右,在实用意义不大,常用在研究树脂性能方面。

（4）湿真密度：指树脂在水中经过充分膨胀后，树脂颗粒的密度
湿树脂质量g/mL
湿真密度＝
湿树脂的真体积
（5）湿视密度：指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度
湿树脂质量g/mL
湿视密度＝
湿树脂的堆体积
湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量,此值一般在0.60～0.85之间。

7.4含水率
含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小。

对凝胶型树脂，交联度对含水量的影响比较大。

7.5溶胀性
当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变大,这种现象称为溶胀。

影响溶胀率大小的因素有以下几种：
（1）溶剂。

树脂在极性溶剂中的溶胀性,通常比在非极性溶剂中强。

（2）交联度。

高交联度树脂的溶胀能力较低。

（3）活性基团。

此基团愈易电离，树脂的溶胀性愈强。

（4）交换容量。

高交换容量离子交换树脂的溶胀性要比低交换容量的强。

（5）溶液深度。

溶液中电解质浓度愈大，由于树脂内外溶液的渗透压差减小，树脂的溶胀率愈小。

（6）可交换离子的本质。

可交换的水合离子半径愈大，其溶胀率愈大，因而在其交换和再生的过程中会发生胀缩现象，多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂。

7.6耐磨性
一般，其机械强度应能保证每年的树脂耗损量不超过3%～7%。

7.7溶解性
离子交换树脂含有的少量低聚物较易溶解。

离子交换树脂在使用中，有时也会发生转变成胶体渐渐溶入水中的现象，即所谓胶溶。

7.8耐热性
通常，盐型要比酸型或碱型稳定。

7.9抗冻性
7.10耐辐射性能
在有核反应堆的企业中，所用离子交换剂的抗辐射性是很重要的。

一般而论，无机离子交换剂的耐辐射性能较好，而树脂均易降解，其中又以阴树脂为严重。

7.11导电性
干燥的离子交换树脂不导电，纯水也不导电，但用纯水润湿的离子交换树脂可以导电，所以这种导电属于离子型导电。

这种导电在离子交换膜及树脂的催化作用上很重要。

8.离子交换树脂化学性质
8.1酸碱性
离子交换树脂是聚电解质，其功能团释出H+或OH–能力的不同表示它们的酸碱性。

8.2交联度
使各个单体交联而形成树脂交聚物的物质称交聚剂，树脂中含交聚剂的重量百分数称交联度。

交联度大小反映了树脂网状结构间空隙的大小。

交联度大，树脂间空隙小；交联度小，空隙大。

不同空隙大小影响了离子交换的速度和对不同离子的选择性。

8.3交换容量
离子交换树脂的交换容量表示其可交换离子量的多少。

（1）全交换容量（Q）。

表示离子交换树脂中所有活性基团的总量，即将树脂中所有活性基团全部再生成某种可交换的离子，然后测定其全部交换下来的量。

（2）工作交换容量（QG）。

工作交换容量是在交换柱中，模拟水处理实际运行条件下测得的交换容量，就是把离子交换树脂放在动态交换柱中，通过需要处理的水，直到滤出液中有要交换的离子漏出为止所发挥出的交换容量，称为工作交换容量。

（3）平衡交换容量（QP）。

离子交换树脂完全再生后，求它和一定组成的水溶液作用到平衡状态时的交换容量，称为平衡交换容量。

8.4离子交换树脂的选择性与化学稳定性
离子交换树脂吸着各种离子的能力不一，离子被置换下来的能力也不同，这种性能称为离子交换的选择性。

选择性会影响到离子交换树脂的交换和再生过程。

化学稳定性：主要指耐化学试剂、耐氧化、耐辐射的性能。

8.5离子交换反应的可逆性
离子交换反应的可逆性，是离子交换树脂可以反复使用的重要性质。

8.6中和与水解
离子交换树脂的中和与水解的性能和通常的电解质一样。

9.离子交换速度
离子交换过程，是在水中离子和离子交换树脂的可交换基团间进行的。

离子交换化学反应本身的速度，一般是很快的，所以通常说的离子交换速度，不单指此种化学反应，而是表示水溶液中离子浓度改变的速度。

影响阳离子交换速度的一些因素：
（1）树脂交换基团。

离子间化学反应速度是很快的，树脂交换基团的不同
一般并不影响交换速度。

但对于会形成弱电解质的离子交换树脂，情况就不同。

（2）树脂的交联度。

树脂的交联度越大，网孔越小，则其颗粒内扩散越慢，交换速度就越慢，当水中有粒径较大的离子存在时，对交换速度影响就更为显著。

（3）树脂的颗粒。

树脂颗粒越小，交换速度越快。

（4）溶液的浓度。

浓度越大，扩散速度越快。

（5）水温。

提高水温能同时加快内扩散和膜扩散。

（6）搅拌或提高流速。

交换过程中的搅拌或提高水的流速，只能加快扩散，但不能影响内扩散。

（7）离子的本性。

它对内扩散的速度影响较大，离子水合半径越大，内扩散越慢；离子电荷数越多，内扩散越慢，根据实验结果，阳离子增加一个电荷，其内扩散速度约减慢为原来的1／10。

10.应用
水处理（复合床式离子交换法除盐、阴阳离子交换树脂混合柱中和酸碱性）
阴离子交换剂从铀矿硫酸浸出液中提取铀（主要是含铀品位较低的矿石浸出液、碱性浸出液也适用、阳离子树脂无效）
稀土元素和超铀元素的分离（阳离子交换树脂）
镎中除钍（阳离子交换树脂、根据离子吸附在阳离子树脂上能力的强弱）氨基酸的分离。