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离子交换树脂、设备及其运行

2024-10-14

1. 定义

离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶物酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物。离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可在网络骨架和溶液间自由迁移的活性离子。

离子交换树脂的交换机理：

①A⁺ 自溶液中扩散到树脂表面；

②A⁺ 从树脂表面再扩散到树脂内部的活性基团；

③A⁺ 在树脂内部的活性基团中发生交换反应；

④交换出来的 B⁺ 从树脂内部的活性基团扩散到树脂表面；

⑤B⁺ 从树脂表面扩散到溶液中。

根据电荷中和原则，步骤 ①和步骤⑤ 同时发生，同样步骤 ②和步骤④ 也同时发生，交换速度均相等。

2. 离子交换树脂分类

（1）按树脂骨架分类，离子交换树脂可分为：

聚苯乙烯型树脂；

聚丙烯酸型树脂；

酚醛型树脂等。

（2）按离子交换树脂聚合的化学反应可分为：

共聚型树脂；

缩聚型树脂。

（3）按树脂骨架的物理结构分类，离子交换树脂可分为：

凝胶型树脂（亦称微孔树脂）；

大网格树脂（亦称大孔树脂）；

均孔树脂。

（4）按离子交换树脂活性基团电离程度及其与溶液中阴、阳离子交换情况，分为：

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。

在实际应用过程中，强酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂常常被预先转化为不再具有强酸性、强碱性，却仍旧保留其他特性的钠型和氯型。钠型树脂在离子交换过程中，释放出钠离子，而非氢离子，可避免溶液 pH 值降低和由此造成的设备腐蚀等副作用。同理，氯型树脂在离子交换过程中，释放出氯离子，而非氢氧根，避免了溶液 pH 值升高。钠型树脂、氯型树脂在再生时均采用食盐水作为再生剂，无需采用强酸和强碱。

3. 影响离子交换速度的因素

（1）颗粒大小：离子交换树脂颗粒越小，越有利提高离子在树脂内、外部扩散的速度。

（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。交联度越小，离子交换树脂间空隙越大，越易膨胀，使得离子在树脂内部扩散越容易，交换速度越快。

（3）温度：提高溶液温度能提高扩散系数，加快离子扩散。

（4）离子化合价：离子在树脂中扩散时，和树脂骨架间存在库伦引力。离子化合价越高，库伦引力越大，内扩散速度越小。根据研究者提供的结论：阳离子增加一个电荷，其内扩散速度约减慢为原来的 1/10 。

（5）离子大小：小离子的扩散速度较快，而大分子由于与树脂骨架发生碰撞，使骨架变形，降低了扩散速度。工业上利用这种现象发展出了分子筛。

（6）搅拌速度：在交换过程中搅拌，可加快扩散，但不会影响内扩散。

（7）溶液浓度：随溶液浓度增大，离子扩散速度变快。但当溶液浓度增大到某一数值后，离子扩散增速开始逐渐趋缓。

4 离子交换的选择性

当溶液中同时存在多种离子时，离子交换树脂对离子有选择吸附作用。影响离子交换顺序的因素有：

（1）离子水合半径：离子水合半径越小，与树脂间的亲和力就越大，也就越优先交换。在高浓度溶液中，由于离子的水合作用不充分，离子水合半径接近离子半径，因此，离子水合半径近似由原子序数决定：原子序数越大，离子水合半径越大。