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第二章 离子交换 2.1 离子交换概述 概念：由离子交换剂与电解质溶液中阴离子或阳离子发生置换反应的过程。离子交换是一种属于传质分离过程的单元操作，是可逆的等当量交换反应，可用于提取或去除溶液中某些离子。 用公式可表示为： 离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，含有可被替换的阳离子或阴离子。主要有： 无机离子交换剂 磺化煤 有机合成离子交换树脂 2.1.1 无机离子交换剂和磺化煤sulfonated coal 一、无机离子交换剂主要为弱酸性阳离子交换剂，天然的无机离子交换剂中最常见的有沸石和绿砂。 （1）沸石 是铝硅酸盐类矿物质，分子式为 沸石晶体中部分硅离子被铝离子替代，而缺少正电荷，不足的正电荷一般有钠离子和钙离子补足，钠离子和钙离子可移动并可进行离子交换。沸石交换容量较小，且一般不能交换尺寸较大的离子。 （2）绿砂 是铁铝硅酸盐矿物，其交换的离子是K＋，因其离子交换大多在其颗粒表面进行，故其交换容量不大，约为人工合成树脂的1/10。 二、磺化煤 磺化煤外观为黑色不规则的颗粒，质地松脆，多孔结构。是发烟硫酸对褐煤、无烟煤等进行磺化处理而合成的。磺化煤中含有大量磺酸基团－SO3H和一部分－COOH、－OH基团，可与阳离子发生离子交换。是强酸性阳离子交换剂，在pH＝2酸性溶液中能发生离子交换，其交换容量为人工合成树脂的1/4到1/3。 2.1.2 有机合成离子交换树脂 一、有机合成离子交换树脂的结构 （以下简称离子交换树脂） 离子交换树脂是由空间网状结构骨架（高分子化合物）与附属在骨架上的许多活性（离子）基团所构成的不溶性高分子化合物。 活性基团遇水电离，分成二部分： 1. 固定部分：仍与骨架牢固结合，不能自由移动，称固定离子， 2. 活动部分：能在一定空间内自由移动，并与其周围溶液中的其它同性离子进行交换反应，称为可交换离子或反离子。 二、离子交换树脂的分类 1.按活性基团性质分类： 阳离子交换树脂、阴离子交换树脂（可交换离子极性） 强性和弱性（离子基团电离的难易程度） 阳离子 R-SO3H R-CH2SO3H R-PO3H2 R-COOH R-OH 磺酸基 次甲基磺酸基 磷酸基 羧酸基 酚基 （ 强酸性） （弱酸性） 强酸性阳离子交换树脂对多数阳离子 具有相当高的亲和力，进行离子交换时没 有选择性，交换在酸性条件下也具有较强 的交换能量，但再生困难。 弱酸性阳离子交换树脂对阳离子的结 合能力，受阳离子电荷数和半径的影响较 大，离子交换具有选择性在酸性溶液明显 抑制了其电离，交换能力降低，但再生容 易。 阴离子 强、弱碱性阴离子交换树脂中的强、弱碱性基团的选择性有很大差别，强碱性阴离子交换树脂中的交换基团对溶液中所有阴离子都有不同程度的亲和力；而弱碱性阴离子交换树脂中的交换基团只对溶液中的强酸根离子有交换吸附能力，对碳酸根、硫化氢等交换吸附能量微弱，对硅酸、苯酚、硼酸及氰酸等弱酸无交换能力，但对OH－却有很强的交换吸附能力。 2.按结构特征分类： （1）凝胶型 具有均相高分子凝胶结构，由链状大分子在交联剂的联接下，形成空间结构。离子交换基团分布在孔道的各个部位。由孔道所构成的空隙是化学结构中的空隙，孔径大小与树脂的交联度或膨胀程度有关。交换离子的性质、溶液的浓度及pH的变化都可引起凝胶孔径的改变。故凝胶型，易被大分子堵塞，易产生中毒现象污染。 大孔型树脂离子交换速度大约为凝胶型的10倍，其机械性能、化学稳定性能交凝胶型高。且可防止有机物的中毒现象。常可以用于去除腐植酸、表面活性物质、木质素和酚等杂质，但其交换能力较凝胶型的低、且再生剂用量较大，使设备投资和运行费增大，且价格高，限制了推广应用。 三、离子交换树脂的命名(分类、命名和型号) 2.1.3 离子交换树脂性质 一、物理性质 2.粒度 一般用有效粒径和均一系数表示。 有效粒径指筛上保留90％树脂样品相应试验筛孔孔径（mm）。树脂粒径一般为0.3～1.2mm（相当于50—16目）。 均一系数是指筛上保留40％树脂相应筛孔孔径与有效粒径的比值，用k40表示。均一性越趋于1，树脂颗粒越均匀。粒度小，交换能力大，但树脂层水流阻力大，反洗时清除截留杂质困难。粒度大，交换速度慢。 3.交联度： 指胶联剂在交换树脂内的重量