離子交換劑交換功能

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)狀空間結構的骨架，以連接可電離的交換基團。

能與溶液中的離子進行等當量交換反應的物質，常指用于離子交換操作的一類不溶、不熔的細粒固體。還可用作溶液中非電解質溶質的吸附劑和某些有機化學反應的催化劑。它的干品還用作有機液體的脫水劑。

離子交換劑分為無機質和有機質兩類。無機質主要是沸石，有機質有磺化煤和離子交換樹脂。沸石有天然沸石和合成沸石。天然沸石是最早應用的無機離子交換劑，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成的陽離子交換劑，它們的交換容量高，應用于核工業(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?；腔簝r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酸性與弱酸性，前者具有的磺酸基交換基團，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構又分為凝膠型和大孔型，前者是外觀透明的均相凝膠結構，離子通過基體的大分子鏈間孔隙,才能擴散到交換基團附近,只適用于交換一般無機離子。此外，還有大孔離子交換樹脂,在它的顆粒內有毛細孔道，具有非均相凝膠結構,適用于交換分子量較大的有機離子。近年為適應生物化學工程的需要，在葡聚糖或纖維素上引入交換基團，用于提取多肽、核酸等物質。

換離子交換水處理設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)生符合等物質的量規(guī)則的可逆性交換，導致水質改善而交換劑的結構并不發(fā)生實質性(化學的)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的，稱陽離子交換水處理;只有陰離子參與交換反應的，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的，稱陽、陰離子交換水處理。

交換樹脂更換由于原水的水質千差萬別，而對出水水質的要求又多種多樣，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的離子是鈉離子Na 時，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。當原水經(jīng)過鈉型離子交換劑時，水中的Ca2 、Mg2 等陽離子與交換劑中的Na 進行交換，降低了水的硬度，使水質得到軟化，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，當軟水出現(xiàn)了硬度，且殘留硬度超過水質標準規(guī)定時，則認為鈉離子交換劑已經(jīng)失效。為了恢復其交換能力，就需要對交換劑進行再生(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其交換能力的過程。此時，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。因為食鹽比較容易得到，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，大都水處理設備采用工業(yè)用鹽，其中雜質含量不宜過多，食鹽溶液需澄清過濾后使用。通常認為，10%食鹽溶液的硬度不應超過40mmol/L，懸浮物不應大于2%。離子交換劑再生時，一般要用經(jīng)過澄清的8～10%的鹽溶液?？偟脑偕佑|時間隨離子交換樹脂交聯(lián)度的不同而變化，對于一般交聯(lián)度7%左右的強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，再生劑和樹脂總的接觸時間最低應保證45min以上。

(2)水處理設備交換過程

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充分暴露出來。而后用水懸浮去除雜質和細小顆粒。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，這是為了進一步去除雜質，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，因為通常這樣比較穩(wěn)定。處理時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，浸泡時間一般30 min。處理時應注意酸堿濃度不宜過高、處理時間不宜過長、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，否則會影響分離效果。

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

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，可分為強堿型和弱堿型離子交換劑。強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行胺化。弱堿型離子交換劑的制法與強堿型相似，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，如:----NR3 } ,--NR} .-NHR ,-N#-32等，由于這些基團的堿性不同，就叮以得到不同堿性的陰離子交換樹脂。 2100433B

根據(jù)交換基團堿性的強弱，陰離子交換劑可分為強堿型（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）。

強堿型陰離子交換劑：主要是含有較強的反應基如具有四面體銨鹽官能基之－N (CH3)3，離解性很強，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，如伯胺基（亦稱一級胺基）-NH2、仲胺基（二級胺基）-NHR、或叔胺基（三級胺基）-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酸性陰離子，但對弱無機酸陰離子實際不吸附（即使在酸性介質中吸附量也是微不足道的）。