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离子交换 一、前言 离子交换法(ion exchange process)是液相中的离子和固相中离子间所进行的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。 离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1~1mm，其离子交换能力依其交换能力特征可分： 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基），此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+，对于强碱中的离子如Ca2+、K+等无法进行交换。 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基如具有四面体铵盐官能基之－N+(CH3)3，在氢氧形式下，－N+(CH3)3OH-中的氢氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可以和所有的阴离子进行交换去除。 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强酸中的阴离子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或SiO42－则无法去除。 不论是离子交换树脂或是沸石，都有其一定的可交换基浓度，称为离子交换容量(ion exchange capacity)。对阳离子交换树脂而言，大约在200~500meq/100g。因为阳离子交换为一化学反应，故必须遵守质量平衡定律。离子交换树脂的一般方程式可以表示如下： M1+，M2+为不同种类的阳离子，Re为阳离子交换树脂，平衡常数K为 称为质量作用常数(mass action constant)或选择系数(selectivity coefficient)。K值的大小代表离子的相对趋势，K值愈大，离子愈易被交换，因此离子交换树脂倾向于交换下列离子（1）具有高电荷，（2）具有较小的水合体积的离子，（3）具较大极性之离子，（4）与交换基反应较强的离子，（5）不易与其它离子形成错合物的离子。对具有强反应基的强酸性阳离子交换树脂（如含磺酸基，-SO3H）而言，交换趋势可以由下列顺序表示： Ba2+＞Pb2+＞Sr2+＞Ca2+＞Ni2+＞Cd2+＞Cu2+＞Co2+＞Zn2+＞Mg2+＞Ag+＞Cs+＞K+＞NH4+＞Na+＞H+ 如果是弱反应基的弱酸性阳离子交换树脂，H+离子的位置是反应基的强度向左移动。 对具有强反应基的强碱性阴离子交换树脂而言，交换趋势可以由下列顺序表示： SO42-＞I－＞NO3－＞CrO42-＞Br－＞Cl－＞OH－ 如果是弱反应基的弱碱性阴离子交换树脂，OH－离子的位置是反应基的强度向左移动。 离子交换的方法常用于水或废水的处理中，常见的实例如（1）硬水软化处理：是环境工程上最常见的用途之一，将水中形成硬度的钙、镁等离子与离子交换树脂上的钠离子进行交换，以软化水质；（2）除矿：利用离子交换法去除水中所有的阳离子及阴离子；（3）去除、回收废水中的重金属，例如电镀工厂之废水中所含有的锌、铜、镉等，都具有回收的价值。 （1）硬水软化处理：以离子交换方法软化含钙、镁等构成硬度离子之原水，其反应如下： 吸附达饱和后可以利用浓食盐水再生，再生反应式如下： （2）除矿：水中的除矿作用，是将水通过含有氢离子之阳离子交换树脂，则水中的阳离子即被交换去除，其反应式如下： 通过阳离子交换树脂的水再通过充满羟基的阴离子交换树脂，则阴离子即被交换去除，其反应式如下： 当离子交换树脂达到饱和后，阳离子交换树脂可以利用强的无机酸如盐酸或硫酸再生，阴离子交换树脂则可以利用强碱如氢氧化钠予以再生。 二、离子交换技术及设备 一般用于吸附处理之技术及设备，均可以用于离子交换技术中。因此，其处理方式有批次或连续性处理，在连续性处理中，以固定床连续性处理最为常见。下图为典型的固定床离子交换床柱。 离子交换的接触方式与吸附方式相同，因此常利用吸附塔的设计方式来设计吸附离子交换床柱，先利用实验室或模厂进行离子交换实验，以画出其贯穿曲线图。贯穿曲线以上的面积即为交换床柱所处理的离子或溶质的总量，当管柱的流出浓度等于进流浓度时，管穿曲线以上的面积即为管柱最大去除量。 例题： 一工厂废水中含有铜离子107mg/L（3.37meq/L），以离子交换法进行处理，放流水限制浓度为0.05Ca，其贯穿曲线如图所示。离子交换管柱的数据如下：内径0.5in，长18in，离子交换树脂湿基重41.5g(干基重23.24g)，含水量44%，树脂湿基比重44.69lb/ft3，废水流量1.0428l/day。工厂废水流量为100000gal/day，容许操作时间为7天，树脂高度为塔内径之2倍，试以动力学法设计离子交换床柱，(1)离子交换树脂重 (2)塔