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來源: 發(fā)布時(shí)間:2024-02-19

1、 定義

離子交換樹脂是一類帶有功能基的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物:

● 不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架

● 連接在骨架上的功能基團(tuán)

● 功能集團(tuán)上帶有相反電荷的可交換離子



2、 分類

● 按母體材質(zhì)分為:無機(jī)和有機(jī)

● 按結(jié)構(gòu)特征分為:大孔、等孔、凝膠型

● 按化學(xué)活性基團(tuán)性質(zhì)(交換基或官能團(tuán)):陽離子交換樹脂(弱酸性、強(qiáng)酸性)、陰離子交換樹脂(弱堿性、強(qiáng)堿性)。



實(shí)際使用上,常將這些樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌x子形式運(yùn)行,以適應(yīng)各種需要。例如常將強(qiáng)酸性陽離子樹脂與氯化鈉作用,轉(zhuǎn)變成鈉型樹脂再使用。工作時(shí),鈉型樹脂放出鈉離子,與溶液中的鈣離子、鎂離子等陽離子交換吸附,除去這些離子。反應(yīng)式?jīng)]有放出氫離子,可避免容易PH下降和由此產(chǎn)生的副作用,如設(shè)備腐蝕。



● 按基體種類分為:苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂。





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大孔樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大,表面積很大,活性中心多,離子擴(kuò)散速度快,離子交換速度也快很多,約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時(shí)的作用快、效率高,所需處理時(shí)間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點(diǎn):耐溶脹,不易碎裂,耐氧化,耐磨損,耐熱及耐溫度變化,以及對(duì)有機(jī)大分子物質(zhì)較易吸附和交換,因而抗污染力強(qiáng),并較容易再生。

4、離子交換樹脂的離子交換容量


離子交換樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能,表現(xiàn)在它的“離子交換容量”,即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù),meq/g(干)或 meq/mL(濕);當(dāng)離子為一價(jià)時(shí),毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子,前者為后者乘離子價(jià)數(shù))。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。


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三  離子交換的基本原理

離子交換的選擇性定義為離子交換劑對(duì)于某些離子顯示優(yōu)先活性的性質(zhì)。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一,有些離子易被交換樹脂吸附,但吸著后要把它置換下來就比較困難;而另一些離子很難被吸著,但被置換下來卻比較容易,這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對(duì)水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯(lián)度、交換基團(tuán)、可交換離子的性質(zhì)、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關(guān)。離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團(tuán)上的可交換離子發(fā)生交換。一般來說,離子交換樹脂對(duì)價(jià)數(shù)較高的離子的選擇性較大。對(duì)于同價(jià)離子,則對(duì)離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價(jià)的金屬離子中,原子序數(shù)較大的離子其水合半徑較小,陽離子交換樹脂對(duì)其的選擇性較大。對(duì)于強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂來說,它對(duì)一些離子的選擇性順序?yàn)椋篎e3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng),但是這種可逆反應(yīng)并不是在均相溶液中進(jìn)行的,而是在固態(tài)的樹脂和溶液的接觸界面間發(fā)生的。這種反應(yīng)的可逆性使離子交換樹脂可以反復(fù)使用。

5.4 試劑的制備和提純


如試劑級(jí)的亞硝酸鉀,只含KNO294%,而其中大量的雜質(zhì)是KNO3,使用結(jié)晶法不能除去KNO3。將試劑級(jí)的亞硝酸鉀溶液1mol/L通過NO2-式的陰離子交換樹脂柱,由于NO2-的離子交換親和力比NO3-小,NO3-完全定量地交換到樹脂上,并將樹脂上的NO2交換下來,流出液中的KNO2的純度**少達(dá)99.9%。交換柱可用純NaNO2再生后重復(fù)使用。


5.5 催化作用


在有機(jī)合成中常用酸和堿做催化劑進(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機(jī)酸、堿同樣可以進(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)器不易腐蝕,不污染環(huán)境,反應(yīng)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做催化劑,由異丁烯與甲醇反應(yīng)而成,代替了原油的可對(duì)環(huán)境造成污染的四乙基鉛。


5.6 環(huán)境保護(hù)


許多水溶液或非水溶液中含有的有 毒離子或非離子物質(zhì),都可以用數(shù)值進(jìn)行回收使用,如去除電鍍廢液中的金屬離子,回收電影制片廢液里的有用物質(zhì)等。


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4.3 選擇吸附順序

根據(jù)以上影響交換速度的因素,可以推斷:

1)在常溫、稀溶液中離子價(jià)數(shù)越高,與固定離子的靜電引力越大,越優(yōu)先交換。

Cr3+ > Ca2+ > Na+     PO43 -> SO42-> Cl-

2)稀溶液中,同價(jià)離子原子序數(shù)越大,與固定離子的靜電引力越大;稀土元素相反。

   K+ > Na+> H+

3)在高濃度的溶液中,由于離子的水化作用不充分,水合離子的半徑接近離子半徑,原子序數(shù)越大,離子半徑增大,離子表面電荷密度相對(duì)減小,與固定離子的靜電引力越小。


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在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)原水水質(zhì)、出水要求、生產(chǎn)能力等來確定合適的離子交換工藝。

1、 原水水質(zhì)




2、 出水水質(zhì)

● 軟化---強(qiáng)酸性陽樹脂或與弱酸性陽樹脂組合。

● 除鹽—一定選用強(qiáng)型樹脂,或與弱型樹脂組合。



3、 水處理設(shè)備類型

● 移動(dòng)床、流動(dòng)床---耐磨、強(qiáng)度高的樹脂

● 混床---選用濕真密度相差大的樹脂



4、 應(yīng)用范圍

● 化工行業(yè)工藝用水:化工產(chǎn)品制造用水、化妝品用水、化工循環(huán)水等。

● 電子工業(yè)用超純水:集成思路、顯示管、硅晶片等電子元器件沖洗水。

● 食品工業(yè)用水:飲用純凈水、飲料、啤酒等。

● 電力行業(yè)鍋爐補(bǔ)給水:火力發(fā)電廠鍋爐等。

● 生活飲用水:住宅小區(qū)分質(zhì)供水、軟水機(jī)等。


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