關(guān)于離子交換技術(shù)，你了解多少？

離子交換技術(shù)是利用離子交換劑中的可交換基團(tuán)與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來(lái)進(jìn)行分離的一種技術(shù)，是一種固液分離的方法。

離子交換可起到提取、分離、濃縮和精制的作用。

離子交換工藝過(guò)程包括清洗、離子交換、反洗、再生和正洗五個(gè)階段，樹脂的再生是利用離子交換反應(yīng)的可逆性進(jìn)行的，陽(yáng)離子交換樹脂失效后可采用酸液再生；陰離子交換樹脂失效后可采用堿液再生。

離子交換樹脂是一類帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物。離子交換樹脂具有交換、選擇、吸附和催化等功能，根據(jù)交換基團(tuán)性質(zhì)的不同，可分為陽(yáng)離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。

陽(yáng)離子交換樹脂，一般是以鈉離子（Na+型）或氫離子（H+型）置換溶液中的陽(yáng)離子從而將其去除。

陰離子交換樹脂，一般是以羥基（OH-）離子置換溶液中的陰離子從而將其去除。

離子交換樹脂的制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)兩大類。

它們分別與交聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應(yīng)，形成具有長(zhǎng)分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的聚合物。

離子交換樹脂還可由其他有機(jī)單體聚合制成。如酚醛系(FP)、環(huán)氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。

苯乙烯系樹脂擅長(zhǎng)吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負(fù)電的或不帶電的)；但在再生時(shí)較難洗脫。

丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。

因此，糖液先用丙烯酸樹脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進(jìn)行精脫色

離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。

凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒有毛細(xì)孔。它在吸水時(shí)潤(rùn)脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔(micro-pore)。濕潤(rùn)樹脂的平均孔徑為2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。

這類樹脂較適合用于吸附無(wú)機(jī)離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機(jī)物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進(jìn)入這類樹脂的顯微孔隙中。

大孔型樹脂是在聚合反應(yīng)時(shí)加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量永久性的微孔，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成。

它并存有微細(xì)孔和大網(wǎng)孔(macro-pore)，潤(rùn)濕樹脂的孔徑達(dá)100～500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時(shí)控制?？椎赖谋砻娣e可以增大到超過(guò)1000m2/g。

當(dāng)其他條件相同時(shí)，高價(jià)離子通常被優(yōu)先吸附，而低價(jià)離子的吸附較弱。在同價(jià)的同類離子中，直徑較大的離子被吸附較強(qiáng)。

離子的交換能力的大小通常用交換容量表示，它可分為全交換容量（指交換樹脂中所有活性基團(tuán)全部再生成可交換的離子總量）和工作交換容量（指交換過(guò)程中實(shí)際起到交換作用的可交換離子的總量）。

表示每單位數(shù)量（重量或體積）樹脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量。

表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。

表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量，表明樹脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度。

再生交換容量為總交換容量的50～90%（一般控制70～80%），而工作交換容量為再生交換容量的30～90%（對(duì)再生樹脂而言）。

離子交換工藝過(guò)程包括清洗、離子交換、反洗、再生和正洗五個(gè)階段，樹脂的再生是利用離子交換反應(yīng)的可逆性進(jìn)行的，陽(yáng)離子交換樹脂失效后可采用酸液再生；陰離子交換樹脂失效后可采用堿液再生。

樹脂中的離子通過(guò)與溶液中的離子置換，用樹脂吸附溶液中所需的離子物質(zhì)，如金屬離子、氯離子、鎂離子、鈣離子等，從而達(dá)到過(guò)濾、處理溶液，提取溶液中的所需離子。

離子交換樹脂對(duì)溶液中的不同離子有不同的親和力，對(duì)它們的吸附有選擇性。各種離子受樹脂交換吸附作用的強(qiáng)弱程度有一般的規(guī)律，但不同的樹脂可能略有差異。

樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)。

通常，交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密，堅(jiān)牢而耐用，密度較高，內(nèi)部空隙較少，對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)；而交聯(lián)度低的樹脂孔隙較大，脫色能力較強(qiáng)，反應(yīng)速度較快，但在工作時(shí)的膨脹性較大，機(jī)械強(qiáng)度稍低，比較脆而易碎。

工業(yè)應(yīng)用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無(wú)機(jī)離子的樹脂，其交聯(lián)度可較高。

離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒。樹脂顆粒較細(xì)者，反應(yīng)速度較大，但細(xì)顆粒對(duì)液體通過(guò)的阻力較大，需要較高的工作壓力；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著。

如果樹脂粒徑在0.2mm（約為70目）以下，會(huì)明顯增大流體通過(guò)的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。

含水率通常以每克濕樹脂(去除表面水分后)所含水分百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

離子交換樹脂的相對(duì)密度有三種表示方法:干真密度、濕真密度和濕視密度。

干密度是指在115℃真空干燥后的密度；

濕真密度是指樹脂在水中充分膨漲后的質(zhì)量與樹脂所占體積(不包括空隙)之比；

濕視密度是指樹脂在水中充分膨漲后單位體積樹脂所具有的質(zhì)量。

離子交換樹脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹脂分解生成的物質(zhì)，會(huì)在工作運(yùn)行時(shí)溶解出來(lái)。交聯(lián)度較低和含活性基團(tuán)多的樹脂，溶解傾向較大。

離子交換樹脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹。當(dāng)樹脂中的離子變換時(shí)，如陽(yáng)離子樹脂由H+轉(zhuǎn)為Na+，陰樹脂由Cl－轉(zhuǎn)為OH－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹脂的體積。

通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大。

樹脂顆粒使用時(shí)有轉(zhuǎn)移、摩擦、膨脹和收縮等變化，長(zhǎng)期使用后會(huì)有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。

通常，交聯(lián)度低的樹脂較易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強(qiáng)度。

耗氧量主要反映受有機(jī)污染的程度。樹脂被有機(jī)物污染后，清洗用水消耗急劇增加，工作交換量下降，出水水質(zhì)較差。

離子交換技術(shù)主要應(yīng)用于水處理（水的軟化、水的脫鹽、冷凝水和超純水的制備），生化提?。ㄌ烊簧镂镔|(zhì)的分離回收、發(fā)酵產(chǎn)物的分離回收、制藥工業(yè)的應(yīng)用），三廢處理（含放射性核素廢水的處理、其他工業(yè)有害廢水廢氣的處理），濕法冶金等。

水處理領(lǐng)域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽(yáng)離子的去除。

離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

在有機(jī)合成中常用酸和堿作催化劑進(jìn)行酯化、水解、酯交換、水合等反應(yīng)。用離子交換樹脂代替無(wú)機(jī)酸、堿，同樣可進(jìn)行上述反應(yīng)，且優(yōu)點(diǎn)更多。

如樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器不會(huì)被腐蝕，不污染環(huán)境，反應(yīng)容易控制等。

甲基叔丁基醚(MTBE)的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑。

離子交換樹脂更為穩(wěn)定，提取分離藥物離子，進(jìn)行濃縮和提純，是較為安全、能較大程度達(dá)到預(yù)料藥物效果的材料。

離子交換樹脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工業(yè)裝置上。例如：高果糖漿的制造是由玉米中萃出淀粉后，再經(jīng)水解反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖與果糖，而后經(jīng)離子交換處理，可以生成高果糖漿。

工業(yè)離子交換設(shè)備主要有固定床、移動(dòng)床和流動(dòng)床。目前使用最廣泛的是固定床，包括單床、多床、復(fù)合床和混合床。

區(qū)別于普通的陰陽(yáng)樹脂，特種離子交換樹脂是對(duì)某一種或者幾種目標(biāo)污染物離子具有選擇性吸附能力的樹脂。特種樹脂的官能團(tuán)是在普通樹脂官能團(tuán)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)特殊的高分子化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了一定的修飾改性或者直接使用了對(duì)某種污染物離子具有特殊親和性的物質(zhì)做官能團(tuán)。

EDI將離子交換技術(shù)、離子交換膜技術(shù)和離子電遷移技術(shù)(電滲析技術(shù))相結(jié)合的純水制造技術(shù)。

EDI技術(shù)利用離子交換能深度脫鹽來(lái)克服電滲析極化而脫鹽不徹底，又利用電滲析極化而發(fā)生水電離產(chǎn)生H和OH離子實(shí)現(xiàn)樹脂自再生來(lái)克服樹脂失效后通過(guò)化學(xué)藥劑再生的缺陷