离子交换的应用领域

离子交换的应用领域
1水处理
水处理领域的离子交换树脂需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于去除水中的各种阴、阳离子。

特别地，离子交换树脂的最大消耗环节是火力发电厂的纯水处理工艺，其次是原子能、半导体和电子工业等，尤其以水的软化为核心功能。

水的软化处理是指利用阳离子交换树脂中可交换的阳离子（如、）把水中所含钙、镁离子交换出来的过程。

1.1钠离子交换软化法
钠离子交换软化法是最简单、最常见的一种软化方法，可以去除水中的暂时硬度和永久硬度。

适用于原水碱度低，只须进行软化的场合，可用作低压锅炉的给水处理系统。

特点包括处理过程中不会产生酸性水、再生剂一般为已获得的食盐、设备和防腐设施简单、水中碱度基本不改变等，但交换水中含盐量会略有增加。

1.2氢离子交换软化法
H型强酸阳离子交换树脂的软化反应式：
由上述反应式可以看出，原水中碳酸盐硬度（暂时硬度）在交换过程中会形成碳酸，因此在软化水的同时能去除碱度；非碳酸盐硬度（永久硬度）在交换过程中除软化外还生成了相应的酸。

由于出水为酸性，一般总是与钠离子交换器联合使用，或采取其他措施中和。

1.3氢-钠离子交换脱碱软化法
因强酸性氢-钠离子交换法中氢离子交换器出水含有游离酸，呈酸性；而钠离子交换器出水含碱。

这两部分水混合后发生中和反应，产生的可用除二氧化碳器去除。

进而既降低了碱度，又除去了硬度。

该方法适用于原水硬度高且碱度大的情况，分并联和串联两类。

并联形式是指需要保证最后的出水不呈酸性同时又保留一定的残留碱度时采取的连接方式。

这就要求我们必须根据进水水质，适当地调整流经两个不同离子交换器的水量比例。

并联形式的氢-钠离子交换脱碱软化法应运而生。

其中，氢离子交换器以控制出水漏钠为运行终点。

它的优点有出水碱度小、设备费用低且投资少。

缺点是再生剂耗量大、对运行控制的精度要求高和酸水系统需要进行
防腐处理。

而串联形式的流程是部分水经氢离子交换器后与原水混合，进而除去，再经过钠离子交换器除去剩余的钙镁离子。

其优点是原水硬度高时，可以减轻Na的负担，减少蒸发残渣。

缺点是工艺复杂，控制参数较多，成本较高。

2食品工业
在食品工业中，离子交换树脂除可用于专用给水和处理废水外，在糖、味精、奶、饮料和油脂的催化、去盐、分离、脱色、提纯等方面也有重要用途。

离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

以糖类的生产为例。

树脂用于制糖工业已有30多年历史，所处理的糖种类很多。

蔗糖、甜菜糖、葡萄糖等在制造中都需要脱除色素。

糖液中的色素种类多且结构复杂，多以有机阴离子形式存在，有时会是两性离子。

可用大孔型强酸阳离子树脂或阴阳离子树脂配合使用除去之。

树脂脱色的优点是效果好、耗水少、速度快、操作简单和易于自动化。

因甜菜糖汁中含盐类较多，要制得高产率、高质量的粒糖必须进行脱盐处理。

可使用强酸阳离子树脂和强碱阴离子树脂配合来进行该项处理。

葡萄糖、果糖及其他许多糖类生产中也会使用离子交换树脂来脱盐。

例如甜菜稀液中含有碱金属离子，浓缩时罐壁上会析出大量水垢使罐体传热效率降低，进而降低能量利用率、提高生产成本。

对此可使用钠型阳离子树脂置换碱金属离子。

在葡萄糖和果糖的生产中，使用OH^- 型强碱阴离子树脂，可以完成葡萄糖和果糖的相互转化。

因为，当葡萄糖接触OH^-型强碱阴离子树脂时，会使一部分葡萄糖转化为果糖；反之，当果糖接触同样树脂时，也会有一部分转化成葡萄糖。

现在工业也有用树脂载酶法来完成果糖的生产。

生产结晶糖的母液糖蜜，集中了糖汁中的无机物、有机物及色体等，这些物质均大有用处，值得回收利用。

糖蜜经离子交换树脂脱色、脱离子和分离纯化后，可以生产乳酸；而通过阴阳离子交换树脂和洗脱剂的选择，则可分离出各种嘌呤、嘧啶、核苷及多种氨基酸。

利用离子交换树脂还可以分析糖中无机盐的含量，既快又准。

树脂也可以分离糖的异构体及衍生物，用强碱型阴离子树脂可以分离出中性糖混合物包含的的许多贵重物质。

在酒类的去金属离子、调节pH值、去酸、去碱、去浑浊和脱色等流程中离子交换也有重大作用。

此外，离子交换在食品工业中还有众多用途，如食品添加剂的提纯、食用染料的提取、蜂蜜中去除铜与铁、海产食品去味、油脂漂白后去过氧化氢、果汁脱色、天然色素的提取、果酱脱盐等。

3湿法冶金
离子交换树脂可以选择性地从矿浆或矿物浸液中吸附分离某种金属离子。

一
般先经不同的洗脱以得到含某种金属离子的浓溶液，再经还原反应生成纯度较高的金属。

由于离子交换树脂能固定阳离子或阴离子，通过离子交换作用能把一种无机物转化为另一种无机物或从无机物本体中除去杂质。

利用此特性，离子交换树脂可用于制备和纯化无机物。

一般选择将混合溶液通过交换柱，树脂选择性的吸收保留所需要的离子，杂质则过柱而去。

离子交换树脂提取分离稀有金属，以钨的研究最多。

树脂法提取钨已在生产中获得大量应用，根据钨的化学性质将钨精矿加压碱煮，使钨转化为，同时还会溶出、、、和等阴离子。

接着将料液通入强碱性阴离子交换树脂柱（如树脂）分离。

因该类树脂对于有关离子具有如下选择性：＞＞＞＞＞＞＞，所以此类树脂能选择性地吸附。

最后使用
-溶液洗脱，钨的回收率可达99%甚至更高，最终产品仲钨酸铵的纯度也很高。

得到的仲钨酸铵产品中的主要杂质为，这是因为在强碱性阴离子交换树脂上的离子选择与接近。

离子交换还可以用于黄金、铂族金属等稀有金属或稀土金属的提取、分离、提纯等过程。

具有效率高、污染少、运行成本低、易于自动化等优点，现已获得长足发展和应用。

4制药工业
离子交换树脂在制药工业领域的应用，对发展新一代抗菌素和原有抗菌素的质量改良具有重要作用，链霉素的开发成功即是突出的例子。

近年还在中药提成等方面有重大突破。

特别地，离子交换的众多优势在纯化抗生素领域得以彰显。

抗生素是一大类天然抗菌、抗病毒的药物，主要痛过发酵法生产。

在发酵液中，抗生素的浓度一般很低，直接从溶剂提取耗费高昂、效率低下。

若采用离子交换树脂，则可以选择性地吸附分离多种离子型抗生素。

不仅回收率较高，且得到的产品纯度较好。

对一些具有酸性基团的抗生素，如苄基青霉素和新生霉素等，它们在中性或弱碱性条件下以负离子的形式存在，故能以阴离子交换树脂提取分离之。

大量的氨基糖苷类抗生素如红霉素、夹竹桃霉素、链霉素、卡那霉素、新霉素等具有碱性，在中性或弱酸性条件下会以阳离子形式存在，阳离子交换树脂适合于它们的提取与纯化。

此外，一些抗生素为两性物质，例如四环素族的抗生素，它们在不同的pH值条件下会形成正离子或负离子，需要灵活选择阳离子交换树脂和阴离子交换树脂以分离纯化这类抗生素。

抗生素分子中常含有多种化学基团，在强酸或强碱条件下极易发生化学变化，导致药理活性丧失。

因此，提取分离抗生素所用的离子交换树脂主要为弱酸性阴离子交换树脂。

即使偶尔用到强酸或强碱树脂，通常也先将阳离子交换树脂转化
为型或型，而把阴离子交换树脂转化成型或型，一般不会使用其他的强酸或强碱形式。

离子交换树脂对抗生素离子有很大的选择性，选择系数往往比无机离子（如或）要高出1~3个数量级。

这是因为抗生素离子与离子交换树脂能以多种键型发生吸附作用，除正常的离子静电作用外，抗生素与树脂骨架间的疏水作用、抗生素分子中极性基团与树脂上化学基团的氢键或偶极键作用等对提高其选择性也起着重要作用。

由于抗生素的分子体积一般较大，只有使用大孔网状树脂才有利于分子的扩散与分离，进而有较大的吸附量。

因此，一般选择大孔网状树脂来提取分离抗生素。

当然，离子交换树脂在制药工业的其他领域还有重要应用，如发酵液的预处理及细胞破碎、发酵液的液固分离、中药的预处理、无盐水的制备、分离蛋白质、分离纯化基因工程药物等。

在此不再赘述。

5合成化学和石油化学工业
在有机合成中，常使用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。

用离子交换树脂代替这些无机酸碱，同样可以进行上述反应且优点更多。

如树脂可反复使用、产品容易分离、反应器不会被腐蚀、不污染环境和反应容易控制等。

在制备甲基叔丁基醚（MTBE）的异丁烯与甲醇反应中，就是使用大孔型离子交换树脂替代原有可对环境造成严重污染的四乙基铅作为催化剂。

6环境保护
离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。

目前，水溶液或非水溶液中均含有有毒离子或非离子物质，这些都可以使用树脂进行回收。

如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。