离子交换的基本物理原理
纯化水的制备
离子交换树脂的类型
（一）离子交换树脂的类型 我国医药生产中，常用的树脂有两种，一 种是 732 型苯乙烯强酸性阳离子交换树脂， 另一种是 717 型苯乙烯强碱性阴离子交换 树脂
离子交换树脂的结构
骨架
酚醛树脂
聚乙烯树脂 活性基团
带有活性基团的网状高分子聚合物
OH + CH2O
CH=CH2 +
CH=CH2
只要原水质量较好，此种装置可较长期地 使用，必要时可定期消毒。
电渗析法
• 当原水含盐量高达 3000mg/L 时，离子交 换法不宜制纯化水，但可采用电渗析法处 理。本法原理为：将阳离子交换膜装在阴 极端，显示负电场；
• 阴离子交换膜装在阳极端，显示正电场。 在电场作用下，负离子向阳极迁移，正离 子向阴极迁移，从而去除水中的电解质而 得纯化水。
谢谢！
• 检查方法：取交换水 10ml ，加氨 - 氯化铵缓冲液 10 滴， 铬黑 T 指示液 2-3 滴，应呈纯蓝色，不得呈紫红。
• 2 、 Cl - 的检查：当其在交换水出现，可能是阴树脂老化 或操作不当。
• 检查方法：取交换水 10ml ，加硝酸银试液 4 滴，不得发 生浑浊。
• 3 、 pH 值的检查：如果原水中阳离子不能完全吸附，而 阴离子均完全吸附，这时出水的 pH 值将偏碱，反之，出 水将偏酸。
新树脂的处理和转型
• 物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒 度均匀的树脂颗粒；
• 化学处理：转型（氢型或钠型） 阳离子树脂 酸—碱—酸 阴离子树脂 碱—酸—碱
最后以去离子水或缓冲液平衡
树脂柱的组合
• 四种形式：
单床，
复合床
联合床，
注意
混合床
在各种组合中（除混合床外）阳离子交换 树脂床必须排在首位，不可颠倒。
离子交换钢化玻璃原理
离子交换钢化玻璃原理
离子交换钢化玻璃是一种采用钠离子与钾离子进行交换处理的
玻璃材料。
该原理是在高温下，将玻璃表面浸入盐类溶液中，使盐类溶液中的离子与玻璃表面的离子交换，从而改变材料的物理性质和化学性质。
经过离子交换处理后的玻璃表面具有更高的强度和更好的耐热性能，能够承受更大的压力和温度变化，同时也具有一定的防爆、防火和防弹性能。
因此，离子交换钢化玻璃广泛应用于建筑、汽车、航空航天等领域。
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水处理技术 4第四章 离子交换除盐
4.1 离子交换树脂
某些物质遇到溶液时，可以将其本身所具有的离子和溶液中同符 号离子发生相互交换，这种现象称为离子交换，具有离子交换性能 的这种物质称为离子交换剂。
• 新树脂常含有未参加反应的有机物和铁、铅、铜等无机杂质，使用前必须进 行处理，以除去这些杂质，
• 离子交换树脂在运行过程中，可能受到进水中氧化剂如游离氯的氧化而变质， 这种变质是无法恢复的。也可受到外来杂质的污染而改变其性能，影响出水 水质和周期制水量。但可以采取适当措施，清除污染物，使树脂性能复原或 有所改进。阳树脂的污染和复苏，阳树脂会受到进水中的悬浮物、铁、铝、 油、CaSO4等物质的污染。运行中可针对污染物的种类采取不同的处理方 法。
当增加离子交换剂层高度时，树脂交换能 力的平均利用率会提高。热力发电厂水处理用 的离子交换剂层的高度，一般最低不低于 1.0m，有的高达3.5m。但不能太高，否则水 通过交换剂时压降太大，给运行带来困难。
RH树脂与水中Ca2+、Mg2+、Na+交换时出水水质
4.3 水的离子交换处理
一、离子交换除盐系统
2.氢氧根离子交换反应 交换反应式为：
SO4
SO4
2ROH
H
Cl 2 2CO
3
R
Cl 2 2 ( HCO3)
2
2H 2O
SiO3
( HSiO3) 2
再生反应式为：
SO4
R
Cl 2 2 ( HCO3) 2
2NaOH
2ROH
SO4
Na
Cl 2 2CO
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：
离子交换柱层析原理
离子交换层析介质得应用离子交换层析分离纯化生物大分子得过程,主要就是利用各种分子得可离解性、离子得净电荷、表面电荷分布得电性差异而进行选择分离得。
现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁得纯化技术之一。
离子交换层析(IｏｎExcｈａnｇｅChromatｏgraphｙ简称为IＥC)就是以离子交换剂为固定相,依据流动相中得组分离子与交换剂上得平衡离子进行可逆交换时得结合力大小得差别而进行分离得一种层析方法。
离子交换层析就是目前生物化学领域中常用得一种层析方法,广泛得应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等得分离纯化。
1、离子交换层析得基本原理:ﻫ离子交换层析就是通过带电得溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化得方法,也可以认为就是蛋白质分子中带电得氨基酸与带相反电荷得介质得骨架相互作用而达到分离纯化得方法。
离子交换层析法主要依赖电荷间得相互作用,利用带电分子中电荷得微小差异而进行分离,具有较高得分离容量。
几乎所有得生物大分子都就是极性得,都可使其带电,所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子得分离、中等纯化及精制得各个步骤中。
由于离子交换层析法分辨率高,工作容量大,并容易操作,因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立得操作单元,也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化得一种重要得方法。
目前,在生化分离中约有75%得工艺采用离子交换层析法。
2、离子交换层析介质:离子交换层析得固定相就是离子交换剂,它就是由一类不溶于水得惰性高分子聚合物基质通过一定得化学反应共价结合上某种电荷基团形成得。
离子交换剂可以分为三部分:高分子聚合物基质、电荷基团与平衡离子。
电荷基团与高分子聚合物共价结合,形成一个带电得可进行离子交换得基团。
平衡离子就是结合于电荷基团上得相反离子,它能与溶液中其它得离子基团发生可逆得交换反应。
平衡离子带正电得离子交换剂能与带正电得离子基团发生交换作用,称为阳离子交换剂;平衡离子带负电得离子交换剂与带负电得离子基团发生交换作用,称为阴离子交换剂。
离子交换膜在电化学中的应用公开课
离子交换膜在电化学中的应用公开课导言：离子交换膜是一种特殊的薄膜，其具有离子选择性通透性，可以在电解过程中起到重要作用。
本文将探讨离子交换膜在电化学中的应用，并介绍其原理和优势。
一、离子交换膜的原理离子交换膜是由聚合物材料制成的，其内部有大量的离子交换基团。
这些基团可以选择性地吸附和释放电解质中的离子，实现离子的传输。
离子交换膜通常分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种类型，可以根据需要选择使用。
二、离子交换膜在电解过程中的应用1. 燃料电池燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中离子交换膜起到关键作用。
在燃料电池中，离子交换膜将氢离子（H+）从阳极传输到阴极，同时阻止了氢气与氧气的直接反应，保证了电池的正常工作。
2. 电解水在电解水过程中，离子交换膜可以将水分解为氢气和氧气。
离子交换膜的选择性传输特性使得只有阳离子或阴离子能够通过，从而实现了氢气和氧气的分离。
这对于制取纯净的氢气具有重要意义。
3. 盐水淡化离子交换膜还可以应用于盐水淡化过程中。
通过将盐水通过离子交换膜，离子交换膜可以选择性地阻止盐离子的传输，从而将盐水中的盐分去除，得到淡水。
这是一种高效的海水淡化方法。
4. 电解质传感器离子交换膜还可以应用于电解质传感器中。
电解质传感器通过测量电解质的浓度来检测化学反应或生物过程的变化。
离子交换膜可以实现离子的选择性传输，从而提高传感器的灵敏度和准确性。
三、离子交换膜的优势1. 高选择性：离子交换膜可以选择性地传输特定类型的离子，从而实现分离和纯化的目的。
这种高选择性使得离子交换膜在许多电化学应用中非常有用。
2. 低电阻：离子交换膜具有较低的电阻，可以有效地传输离子。
这有助于提高电化学反应的效率，并减少能量的损耗。
3. 高稳定性：离子交换膜具有较好的化学和物理稳定性，可以在广泛的温度和pH范围内工作。
这使得离子交换膜适用于各种极端条件下的应用。
4. 易于制备：离子交换膜的制备相对简单，成本较低。
阴阳离子交换树脂的原理
阴阳离子交换树脂的原理
阴阳离子交换树脂是通过采用极性疏水交换机理，将水中含有的不性质离子选择性地
转移到交换树脂上，以使水质达到洁净化的作用，它主要由改性精细颗粒制成，具有超强
的吸附、离子交换功能。
它采用阴离子交换过程，通过分子间电解反应，将含氯水中的阴
离子和阳离子反应，以减少氯份含量。
阴阳离子交换树脂原理：阴阳离子交换树脂原理其实就是一种两相拌和动力学的理论，它的本质是利用不同的阴阳离子，在硅胶膜提供的空间不可分解能量作用下，形成不可分
解的分子链结构，以实现对物质的转移，两相拌和。
这种拌和，是由极性疏水性交换机理
来实现的，它具有极强的疏水性金属离子交换能力，核心是在水中转移溶液中的盐分，物
理状态，原子结构的改变。
这种交换过程，有效地对水质中的有害物质进行分离，实现水
质净化。
阴阳离子交换树脂的工作实际就是通过引发一系列的电解反应和二相拌和反应，将含
氯水中的阴离子和阳离子反应，以降低氯份含量，在改善水质的同时又保护了体外环境，
使介质物安全达标，从而有效地净化了水质。
此外，当阳离子和阴离子发生反应，会产生
结晶，从而使水中的离子得以捕获，不仅能够起到净化水质的作用，而且还有助于减少水
中的酸碱度，抗菌作用也是不容忽视的，为满足净水和环境保护的需要提供了有效技术保
障和环保方案。
阳离子交换树脂原理
阳离子交换树脂原理阳离子交换树脂是一种常用的离子交换材料，具有很强的离子吸附能力，广泛应用于水处理、化工、制药等领域。
其原理是通过树脂中的功能基团与水中的阳离子发生化学反应，实现阳离子的吸附和交换。
下面将详细介绍阳离子交换树脂的原理及其应用。
首先，阳离子交换树脂的结构特点决定了其离子交换的原理。
树脂通常是由交联聚合物构成的，具有大量的功能基团，如硫酸基、羧基等。
这些功能基团能够与水中的阳离子发生化学反应，形成盐类或络合物，并将其吸附在树脂表面。
同时，树脂的交联结构也赋予了其良好的物理性能，如机械强度高、化学稳定性好等，保证了其在离子交换过程中的稳定性和可靠性。
其次，阳离子交换树脂的原理在于离子的亲和作用和排斥作用。
当树脂中的功能基团遇到水中的阳离子时，它们会与之发生化学反应，形成化合物并释放出相应的阴离子。
这种亲和作用使得阳离子被吸附在树脂表面，从而实现了离子的分离和富集。
同时，树脂中已经吸附的阳离子也会受到新来的更强离子的排斥作用，从而与之交换位置，实现了离子的交换和再生。
再次，阳离子交换树脂的原理决定了其在水处理、化工等领域的广泛应用。
在水处理中，阳离子交换树脂可以用于软化水、除盐、除铁、除锰等，有效去除水中的有害离子，改善水质。
在化工生产中，阳离子交换树脂可以用于离子交换、分离纯化、催化反应等，提高产品纯度和产率。
此外，阳离子交换树脂还可以用于药物制剂、食品加工、环境保护等领域，发挥着重要的作用。
总之，阳离子交换树脂的原理是通过树脂中的功能基团与水中的阳离子发生化学反应，实现离子的吸附和交换。
其结构特点、离子的亲和作用和排斥作用决定了其在水处理、化工等领域的广泛应用。
阳离子交换树脂在提高水质、改善环境、提高产品质量等方面发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景。
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离子交换的基本物理原理
在多组分氧化物玻璃中，根据各种构成物的离子与氧原子间束缚键的强弱，可将它们分成三类。
与氧原子间键能最强的一类氧化物成为网络构成物，包括SiO、BO、GeO、PO等。
玻璃中网络构成物的比例越高，通常玻璃的相变温度223225 也越高，同等温度下的粘稠度也越高。
还有一种氧化物成为网络中间物，它们不能单独形成玻璃，但加强了玻璃网格的联系。
最后一种氧化物称为网络修正物，如Na2O、CaO、KO等，它们同网络的残余键之间保持着相对疏松的联系，它们2 中的氧原子参加配位网结构，金属离子(网格修正离子)则无确定位置。
通过添加它们到玻璃中，可以赋予玻璃一些期望的属性。
在一定条件下，可以用具有相同价态和化学属性的其他离子取代一些玻璃网络中的修正物离子。
所形成的交换区域中，玻璃的某些性质将得以改变。
离子交换就是将氧化物玻璃浸入熔盐中，使熔盐重的一价碱金属离子与玻璃表面处的网格修正离子发生交换，从而使玻璃的折射率增加或减小。
离子交换有以下两种基本驱动机制:在足够高的温度下，玻璃中存在的热扰动，离子穿过玻璃基片、引起离子流的电势差。
热驱动机制可以单独使用，最终可以制备出课题所需的发光玻璃，此方法为熔盐法离子交换。
当选用掩模法时，只是在基体玻璃选用后在基体玻璃上镀上一层金属保护膜，然后进行相关的离子交换实验，去掉其金属保护膜，最终同样制备出课题所需的发光玻璃。
离子交换机制示意图如下:
图1 离子交换机制示意图
从定性的角度讲，熔盐法离子交换可以这样理解:一种含有A离子的玻璃基片浸入一种熔盐溶液中，这种熔盐含有一种与A离子的化学性质较为类似的离子，此处可以称为B离子。
在玻璃--熔盐界面处，两种离子的初始浓度迅速地从一定的值降为零(如图2.1)。
无论是在熔盐里还是玻璃里，处于非平衡状态下的A离子和B 离子之间几乎总是可以非常好的相互交换。
因此，在界面处的扰动产生了随机碰撞时，一个B离子取代了一个A离子，并且这一过程逐渐地从界面向基片内部扩展。
当然，在熔盐中的A离子相对于玻璃中的B离子可以更加迅速地离开界面(而进入熔盐溶液内部后即可忽略不计了)。
而进入到玻璃中的B离子只能缓慢地在玻璃移动，最后到达距离玻璃表面非常近的薄层中。
这一过程在较高温度下会被明显的加速，一方面因为在较高温度下会有更强烈的热扰动，发生碰撞取代反应的几率更大。
另一方面由于发生了这些离子运动，玻璃的网络结构变
得不那么坚固。
当玻璃被从熔盐中取出，但若仍保持在一个较高的温度下，此时交换将在没有新的外来B离子的情况下继续进行。
对于已经进入玻璃中的B离子，将倾向于重新分布。
基片表面处B离子的浓度减小，向基片深处移动，最终达到平衡(即:整个基片中的A离子和B离子趋向于均匀分布)。
这一过程只有在移去热源，基片冷却到室温之后才会停止(或相对变得无限慢)。
由于这一过程具有这样的属性和特点，最终得到的B离子浓度分布是在玻璃基片的表面处出现最大值，然后随着向基片内部的深入单调减小。
所谓离子交换:熔盐溶液中的待交换离子A与基体玻璃中的离子B发生离子交换。
此过程可以分为两步:首先是熔盐溶液中的待交换离子A和基体玻璃中的离子B的离子交换过程;其次是进入玻璃的待交换离子A在玻璃内部形成扩散层的过程。
这种离子交换过程可以用一个化学反应的表达式来描述:
式1 ABAB，,，
式中上划线的离子代表玻璃表面以内的阳离子。
在交换过程中，离子交换速率主要受以下三方面的影响:(1)熔液在玻璃表面处的反应物与生成物的迁移;(2)分界处的反应动力学;(3)阳离子在玻璃中的运输。
当把含有B离子的玻璃浸入含有A离子的熔盐时，两种离子在界面处均有很大的浓度梯度，那么热扰动产生的随机碰撞很容易使A、B离子互相替代，并逐渐扩散远离界面。
在无辅助电场影响的情况下，玻璃中的扩散形成的离子流密度为:
式2 j,,,DC
D是自扩散系数。
自扩散系数D的大小取决于温度和玻璃组份。
低于玻璃熔点的温度范围内，D可以用Arrhenius方程来计算:
式3 DDQRT,,0exp(/)i
Q称为激活能(J/mol)，Q一般由两个因素决定，分离正负电荷所需的库仑能量以及将离子注入玻璃网络的能量。
至于玻璃内部的扩散机制，存在几种不同的说
法，到目前尚无一种比较统一的理论。
公式(2.2)是最简单的一种描述，它假定阳离子在得到足够的能量后可以冲破能量势垒从一个空位迁移到其邻近的另一个空位上。
在二元离子交换体系中，玻璃中有两种可移动离子。
可以认为这些离子是单价的，并在玻璃网格中占据相似的位置，被相同的机制驱动扩散，因此它们之间是可以完全互换的。
在离子扩散过程中，两种离子迁移率的不同导致了电场的出现。
两种离子分所带电荷为e，则各自的电流密度分别为:
式 4 jDaCCDeEfKTAAAAA,,,，/()
式5 jDaCCDeEfKTBBBBB,,,，/()
其中e为电子电量，为电场强度。
玻璃衬底保持电中性，故有 E
式6 C+C=C AB0
式7 ,(C+C)=0 AB
这里的C是迁移离子的总浓度，为一常数。
相应于电流密度的总离子i =e j00 流密度为:
式8 j =j+j 0AB
将式4和5代入8式中，并结合6和7的条件，可以得到玻璃中的电场为: 式9 e/[(1)/]/[(1)]EfKTMCMjDCMC,,,，,，AAA00
根据式9，离子流密度可表示为: jA
式10 jDCCMCJCMCAAAAA,,,，,，[]/[(1)]000
其中的是M自扩散系数比，。
通常假设A离子为用来交换入玻璃M =D/DAB 的掺杂离子，B离子为玻璃中的原始离子。
交换过程中浓度C的变化，作为时间At的函数，可以由Fick第二定律得到:
式11 ,,,,,CtjAA/
利用相对离子流方程，和相对浓度式，得到电场C =C/CA0J=j /CA0J=j/C000 辅助的离子交换扩散方程为:
22DMCMJC(1)(),,，,DC,0 式12 ,,,,Ct/2CMCM(1)1[(1)1],，,，
离子流J正比于电流密度，并具有速度的量纲——事实上，它正是玻璃中0 离子的局部平均迁移速度。
解扩散方程时，要对公式12需要限定边界条件。
由于在离子交换过程中玻璃基片浸入熔盐中，可以认为熔盐浓度恒定，是恒定的扩散源，所以在玻璃表面，
扩散离子的归一化浓度始终为熔液中的归一化浓度，在玻璃深处远离扩散的地方，其归一化浓度也是恒定值，等于玻璃内部的离子归一化浓度。
这两个条件就
是求解的边界条件。