离子交换原理及简述

离子交换原理及简述

一、概念

离子交换技术是液相中的离子和固相中离子间所进行的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。

二、原理

离子交换技术是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。

离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。

阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。

三、树脂

人工合成的离子交换树脂是具有网状结构和可电离的活性基团的难溶性高分子电解质。根据树脂骨架上的活性基团的不同，可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、两性离子交换树脂、螯合树脂和氧化还原树脂等。用于离子交换分离的树脂要求具有不溶性、一定的交联度和溶胀作用，而且交换容量和稳定性要高。

离子交换反应是可逆的，而且等当量地进行。由实验得知，常温下稀溶液中阳离子交换势随离子电荷的增高，半径的增大而增大；高分子量的有机离子及金属络合阴离子具有很高的交换势。高极化度的离子如Ag+、Tl+等也有高的交换势。离子交换速度

随树脂交联度的增大而降低，随颗粒的减小而增大。温度增高，浓度增大，交换反应速率也增快。

离子交换树脂可以再生。将交换耗竭的离子交换树脂和适当的酸、碱或盐溶液发生交换，使树脂转化为所需要的型式，叫做再生。这类酸、碱或盐就叫再生剂。

四、设备

离子交换过程常在离子交换器中进行。离子交换器类似压力滤池，外壳为一钢罐；离子交换通常采用过滤方式，滤床由交换剂构成，底部为附有滤头的管系。

五、应用

离子交换分离广泛用于：①水的软化、高纯水的制备、环境废水的净化。②溶液和物质的纯化，如铀的提取和纯化。③金属离子的分离、痕量离子的富集及干扰离子的除去。④抗菌素的提取和纯化等。

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