離子交換劑

根據(jù)交換基團(tuán)的性質(zhì)，離子交換劑分為兩類：陽離子交換劑，交換基團(tuán)是酸基，電離后形成固定的陰離子，而可遷移的陽離子能與溶液中的陽離子進(jìn)行交換；陰離子交換劑，交換基團(tuán)是胺基，電離或與酸作用后形成固定的陽離子，而可遷移的陰離子能與溶液中的陰離子進(jìn)行交換。對(duì)離子交換劑的基本要求是：交換容量(每克干離子交換劑能交換離子的毫克當(dāng)量數(shù))大，交換反應(yīng)的選擇性高，對(duì)化學(xué)、熱、機(jī)械和輻照的穩(wěn)定性好，交換速率高，溶脹性小。

離子交換劑分為無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)兩類。無機(jī)質(zhì)主要是沸石，有機(jī)質(zhì)有磺化煤和離子交換樹脂。沸石有天然沸石和合成沸石。天然沸石是最早應(yīng)用的無機(jī)離子交換劑，是含有水的鈉、鈣以及鋇、鍶、鉀等硅鋁酸的鹽類。色淺，具玻璃光澤，是陽離子交換劑。除天然產(chǎn)品外,也有人工制成的合成沸石。它的交換容量低,在酸中不穩(wěn)定，不能作氫離子交換，曾用于水的軟化。由于無機(jī)離子交換劑耐高溫和輻照，研制出鋯氧、鉻氧和鈦氧等的磷酸鹽或鎢酸鹽構(gòu)成的陽離子交換劑，它們的交換容量高，應(yīng)用于核工業(yè)中。

磺化煤　是煙煤用濃硫酸磺化的產(chǎn)物，是陽離子交換劑，含有磺酸基、羧基和酚羥基，用于水的脫堿軟化。磺化煤價(jià)廉，但性能隨煤種而異，交換容量較低，性脆易碎，不耐磨耗。

離子交換樹脂　大都是苯乙烯與二乙烯苯的共聚物（見聚合物），也有的是丙烯酸系的共聚物或苯酚甲醛的縮聚物。離子交換樹脂按它的交換基團(tuán)分成陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類：陽離子交換樹脂又分為強(qiáng)酸性與弱酸性，前者具有的磺酸基交換基團(tuán)，適用于所有的酸性溶液,后者則是羧基、膦酸基或酚羥基,僅能用于中性至堿性溶液，但交換容量大，容易再生。陰離子交換樹脂又分為強(qiáng)堿性與弱堿性，前者帶有季胺基，適用于所有堿度的溶液，還能交換吸附弱酸；后者帶有叔胺基或仲胺基，僅能用于中性至酸性溶液，但交換容量大，容易再生。離子交換樹脂按物理結(jié)構(gòu)又分為凝膠型和大孔型，前者是外觀透明的均相凝膠結(jié)構(gòu)，離子通過基體的大分子鏈間孔隙,才能擴(kuò)散到交換基團(tuán)附近,只適用于交換一般無機(jī)離子。此外，還有大孔離子交換樹脂,在它的顆粒內(nèi)有毛細(xì)孔道，具有非均相凝膠結(jié)構(gòu),適用于交換分子量較大的有機(jī)離子。近年為適應(yīng)生物化學(xué)工程的需要，在葡聚糖或纖維素上引入交換基團(tuán)，用于提取多肽、核酸等物質(zhì)。

能與溶液中的離子進(jìn)行等當(dāng)量交換反應(yīng)的物質(zhì)，常指用于離子交換操作的一類不溶、不熔的細(xì)粒固體。還可用作溶液中非電解質(zhì)溶質(zhì)的吸附劑和某些有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。它的干品還用作有機(jī)液體的脫水劑。

制成膜狀的固體離子交換劑，稱為離子交換膜，它具有離子選擇透過性，用于膜分離操作。液體離子交換劑是一類具有離子交換功能的有機(jī)液體，作為萃取劑用于萃取操作。固態(tài)離子交換劑具有網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)的骨架，以連接可電離的交換基團(tuán)。

換離子交換水處理設(shè)備理是指采用離子交換劑，使交換劑中和水溶液中可交換離子產(chǎn)生符合等物質(zhì)的量規(guī)則的可逆性交換，導(dǎo)致水質(zhì)改善而交換劑的結(jié)構(gòu)并不發(fā)生實(shí)質(zhì)性(化學(xué)的)變化的水處理方式。

在這種水處理方式中，只有陽離子參與交換反應(yīng)的，稱陽離子交換水處理;只有陰離子參與交換反應(yīng)的，稱陰離子交換水處理;既有陽離子又有陰離子參與交換反應(yīng)的，稱陽、陰離子交換水處理。

交換樹脂更換由于原水的水質(zhì)千差萬別，而對(duì)出水水質(zhì)的要求又多種多樣，所以有許多種類型的離子交換及某組合的水處理方法，采用這些水處理方法而使原水軟化、除堿和除鹽。離子交換劑中參與交換反應(yīng)的離子是鈉離子Na 時(shí)，此方法稱為鈉(Na)型離子交換法，此交換劑稱為鈉(Na)型陽離子交換劑，相類似的，有氫(H)型離子交換法及氫(H)型陽離子交換劑等。

鈉型離子交換法是工業(yè)鍋爐給水最通用的一種水處理方法。當(dāng)原水經(jīng)過鈉型離子交換劑時(shí)，水中的Ca2 、Mg2 等陽離子與交換劑中的Na 進(jìn)行交換，降低了水的硬度，使水質(zhì)得到軟化，故這種方法又稱為鈉離子交換軟化法。

(1)再生過程

在鈉離子交換過程中，當(dāng)軟水出現(xiàn)了硬度，且殘留硬度超過水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，則認(rèn)為鈉離子交換劑已經(jīng)失效。為了恢復(fù)其交換能力，就需要對(duì)交換劑進(jìn)行再生(或還原)。再生過程是使含有大量鈉離子的氯化鈉(NaCl)溶液通過失效的交換劑層恢復(fù)其交換能力的過程。此時(shí)，鈉離子又被離子交換劑所吸著，而交換劑中的鈣、鎂離子被置換到溶液中去。鈉型離子交換劑的再生過程可用如下反應(yīng)式表示：

CaR2 2NaCl——2NaR CaCl2

MgR2 2NaCl——2NaR MgCl2

生產(chǎn)中多采用食鹽(NaCl)溶液作為再生劑。因?yàn)槭雏}比較容易得到，而且再生過程中所形成的產(chǎn)物(CaCl2、MgCl2)是可溶性鹽類，很容易隨再生液排出去。再生用食鹽，大都水處理設(shè)備采用工業(yè)用鹽，其中雜質(zhì)含量不宜過多，食鹽溶液需澄清過濾后使用。通常認(rèn)為，10%食鹽溶液的硬度不應(yīng)超過40mmol/L，懸浮物不應(yīng)大于2%。離子交換劑再生時(shí)，一般要用經(jīng)過澄清的8～10%的鹽溶液?？偟脑偕佑|時(shí)間隨離子交換樹脂交聯(lián)度的不同而變化，對(duì)于一般交聯(lián)度7%左右的強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，再生劑和樹脂總的接觸時(shí)間最低應(yīng)保證45min以上。

(2)水處理設(shè)備交換過程

碳酸鹽硬度(暫硬)軟化過程：

Ca(HCO3)2 2NaR——CaR2 2NaHCO3

Mg(HCO3)2 2NaR——MgR2 2NaHCO3

非碳酸鹽硬度(永硬)軟化過程：

CaSO4 2NaR——CaR2 Na2SO4

CaCl2 2NaR——CaR2 2NaCl

MgSO4 2NaR——MgR2 Na2SO4

MgCl2 2NaR——MgR2 2NaCl

也可以用綜合上述反應(yīng)式的離子式表示：

Ca2 2NaR——CaR2 2Na

Mg2 2NaR——MgR2 2Na

購買的陰離子交換劑使用前必須經(jīng)過處理后方能使用，干粉狀的陰離子交換劑首先要進(jìn)行膨化，將干粉在水中充分溶脹，以使離子交換劑顆粒的孔隙增大，具有交換活性的電荷基團(tuán)充分暴露出來。而后用水懸浮去除雜質(zhì)和細(xì)小顆粒。再用酸堿分別浸泡，每一種試劑處理后要用水洗至中性，再用另一種試劑處理，最后再用水洗至中性，這是為了進(jìn)一步去除雜質(zhì)，并使離子交換劑帶上需要的平衡離子。市售的陰離子交換劑為Cl型，因?yàn)橥ǔ＿@樣比較穩(wěn)定。處理時(shí)一般陰離子交換劑最后用酸處理。常用的酸是HCl，堿是NaOH或再加一定的NaCl，這樣處理后陰離子交換劑為Cl型。使用的酸堿濃度一般小于0.5 mol / L，浸泡時(shí)間一般30 min。處理時(shí)應(yīng)注意酸堿濃度不宜過高、處理時(shí)間不宜過長、溫度不宜過高，以免離子交換劑被破壞。另外要注意的是陰離子交換劑使用前要排除氣泡，否則會(huì)影響分離效果。

陰離子交換劑的再生是指對(duì)使用過的陰離子交換劑進(jìn)行處理，使其恢復(fù)原來性狀的過程。酸堿交替浸泡的處理方法就可以使離子交換劑再生。離子交換劑的轉(zhuǎn)型是指離子交換劑由一種平衡離子轉(zhuǎn)為另一種平衡離子的過程。如對(duì)陰離子交換劑用HCl處理可將其轉(zhuǎn)為Cl型，用NaOH處理可轉(zhuǎn)為OH型，用甲酸鈉處理可轉(zhuǎn)為甲酸型等等。對(duì)離子交換劑的處理、再生和轉(zhuǎn)型的目的是一致的，都是為了使離子交換劑帶上所需的平衡離子。2100433B

根據(jù)交換基團(tuán)堿性的強(qiáng)弱，陰離子交換劑可分為強(qiáng)堿型（其堿基解離常數(shù)>1×10^-3）和弱堿型（其堿基解離常數(shù)<1×10^-3）。

強(qiáng)堿型陰離子交換劑：主要是含有較強(qiáng)的反應(yīng)基如具有四面體銨鹽官能基之－N (CH3)3，離解性很強(qiáng)，可吸附任何陰離子。

弱堿型陰離子交換劑：主要是含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基（亦稱一級(jí)胺基）-NH2、仲胺基（二級(jí)胺基）-NHR、或叔胺基（三級(jí)胺基）-NR2，它們在水中能離解出OH－而呈弱堿性。弱堿性陰離子交換劑可交換強(qiáng)酸性陰離子，但對(duì)弱無機(jī)酸陰離子實(shí)際不吸附（即使在酸性介質(zhì)中吸附量也是微不足道的）。

堿型離子交換劑base form ion-exchattger 又稱減型陰離子交換劑 (base farm anion-exchangcr)。其功能基是堿性的，可分為強(qiáng)堿型和弱堿型離子交換劑。強(qiáng)堿型離子交換劑是由交聯(lián)聚苯乙烯經(jīng)氯甲篆化后用三甲胺或二甲基乙醇胺進(jìn)行胺化。弱堿型離子交換劑的制法與強(qiáng)堿型相似，只是所川胺的堿性較弱，一般包括伯胺、仲胺和叔胺三種。在離子交換樹脂的母體上引人可離解的堿性基團(tuán)，如:----NR3 } ,--NR} .-NHR ,-N#-32等，由于這些基團(tuán)的堿性不同，就叮以得到不同堿性的陰離子交換樹脂。 2100433B