關于離子交換技術，你了解多少？

離子交換技術是利用離子交換劑中的可交換基團與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種技術，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。

離子交換工藝過程包括清洗、離子交換、反洗、再生和正洗五個階段，樹脂的再生是利用離子交換反應的可逆性進行的，陽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的網(wǎng)狀結構高分子化合物。離子交換樹脂具有交換、選擇、吸附和催化等功能，根據(jù)交換基團性質(zhì)的不同，可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。

陽離子交換樹脂，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，形成具有長分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡骨架結構的聚合物。

離子交換樹脂還可由其他有機單體聚合制成。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(包括帶負電的或不帶電的)；但在再生時較難洗脫。

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行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進行精脫色

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)部沒有毛細孔。它在吸水時潤脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細的孔隙，通常稱為顯微孔(micro-pore)。濕潤樹脂的平均孔徑為2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。

這類樹脂較適合用于吸附無機離子，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，不能進入這類樹脂的顯微孔隙中。

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

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

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

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全部再生成可交換的離子總量）和工作交換容量（指交換過程中實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）樹脂能進行離子交換反應的化學基團的總量。

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。

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基團再生復原的程度。

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%（對再生樹脂而言）。

離子交換工藝過程包括清洗、離子交換、反洗、再生和正洗五個階段，樹脂的再生是利用離子交換反應的可逆性進行的，陽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，從而達到過濾、處理溶液，提取溶液中的所需離子。

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

樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分數(shù)。

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

工業(yè)應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%；單純用于吸附無機離子的樹脂，其交聯(lián)度可較高。

離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒。樹脂顆粒較細者，反應速度較大，但細顆粒對液體通過的阻力較大，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，會明顯增大流體通過的阻力，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)所含水分百分數(shù)來表示。

離子交換樹脂的相對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。

離子交換樹脂應為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過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)，會在工作運行時溶解出來。交聯(lián)度較低和含活性基團多的樹脂，溶解傾向較大。

離子交換樹脂含有大量親水基團，與水接觸即吸水膨脹。當樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂由H+轉為Na+，陰樹脂由Cl－轉為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。

樹脂顆粒使用時有轉移、摩擦、膨脹和收縮等變化，長期使用后會有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機械強度和耐磨性。

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)結構的均勻程度及其強度。

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

離子交換技術主要應用于水處理（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。

在有機合成中常用酸和堿作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、堿，同樣可進行上述反應，且優(yōu)點更多。

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

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，進行濃縮和提純，是較為安全、能較大程度達到預料藥物效果的材料。

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，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)離子交換設備主要有固定床、移動床和流動床。目前使用最廣泛的是固定床，包括單床、多床、復合床和混合床。

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

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

EDI技術利用離子交換能深度脫鹽來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離子實現(xiàn)樹脂自再生來克服樹脂失效后通過化學藥劑再生的缺陷