离子交换剂

根据交换基团的性质，离子交换剂分为两类：阳离子交换剂，交换基团是酸基，电离后形成固定的阴离子，而可迁移的阳离子能与溶液中的阳离子进行交换；阴离子交换剂，交换基团是胺基，电离或与酸作用后形成固定的阳离子，而可迁移的阴离子能与溶液中的阴离子进行交换。对离子交换剂的基本要求是：交换容量(每克干离子交换剂能交换离子的毫克当量数)大，交换反应的选择性高，对化学、热、机械和辐照的稳定性好，交换速率高，溶胀性小。

离子交换剂分为无机质和有机质两类。无机质主要是沸石，有机质有磺化煤和离子交换树脂。沸石有天然沸石和合成沸石。天然沸石是最早应用的无机离子交换剂，是含有水的钠、钙以及钡、锶、钾等硅铝酸的盐类。色浅，具玻璃光泽，是阳离子交换剂。除天然产品外,也有人工制成的合成沸石。它的交换容量低,在酸中不稳定，不能作氢离子交换，曾用于水的软化。由于无机离子交换剂耐高温和辐照，研制出锆氧、铬氧和钛氧等的磷酸盐或钨酸盐构成的阳离子交换剂，它们的交换容量高，应用于核工业中。

磺化煤　是烟煤用浓硫酸磺化的产物，是阳离子交换剂，含有磺酸基、羧基和酚羟基，用于水的脱碱软化。磺化煤价廉，但性能随煤种而异，交换容量较低，性脆易碎，不耐磨耗。

离子交换树脂　大都是苯乙烯与二乙烯苯的共聚物（见聚合物），也有的是丙烯酸系的共聚物或苯酚甲醛的缩聚物。离子交换树脂按它的交换基团分成阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类：阳离子交换树脂又分为强酸性与弱酸性，前者具有的磺酸基交换基团，适用于所有的酸性溶液,后者则是羧基、膦酸基或酚羟基,仅能用于中性至碱性溶液，但交换容量大，容易再生。阴离子交换树脂又分为强碱性与弱碱性，前者带有季胺基，适用于所有碱度的溶液，还能交换吸附弱酸；后者带有叔胺基或仲胺基，仅能用于中性至酸性溶液，但交换容量大，容易再生。离子交换树脂按物理结构又分为凝胶型和大孔型，前者是外观透明的均相凝胶结构，离子通过基体的大分子链间孔隙,才能扩散到交换基团附近,只适用于交换一般无机离子。此外，还有大孔离子交换树脂,在它的颗粒内有毛细孔道，具有非均相凝胶结构,适用于交换分子量较大的有机离子。近年为适应生物化学工程的需要，在葡聚糖或纤维素上引入交换基团，用于提取多肽、核酸等物质。

能与溶液中的离子进行等当量交换反应的物质，常指用于离子交换操作的一类不溶、不熔的细粒固体。还可用作溶液中非电解质溶质的吸附剂和某些有机化学反应的催化剂。它的干品还用作有机液体的脱水剂。

制成膜状的固体离子交换剂，称为离子交换膜，它具有离子选择透过性，用于膜分离操作。液体离子交换剂是一类具有离子交换功能的有机液体，作为萃取剂用于萃取操作。固态离子交换剂具有网状空间结构的骨架，以连接可电离的交换基团。

换离子交换水处理设备理是指采用离子交换剂，使交换剂中和水溶液中可交换离子产生符合等物质的量规则的可逆性交换，导致水质改善而交换剂的结构并不发生实质性(化学的)变化的水处理方式。

在这种水处理方式中，只有阳离子参与交换反应的，称阳离子交换水处理;只有阴离子参与交换反应的，称阴离子交换水处理;既有阳离子又有阴离子参与交换反应的，称阳、阴离子交换水处理。

交换树脂更换由于原水的水质千差万别，而对出水水质的要求又多种多样，所以有许多种类型的离子交换及某组合的水处理方法，采用这些水处理方法而使原水软化、除碱和除盐。离子交换剂中参与交换反应的离子是钠离子Na 时，此方法称为钠(Na)型离子交换法，此交换剂称为钠(Na)型阳离子交换剂，相类似的，有氢(H)型离子交换法及氢(H)型阳离子交换剂等。

钠型离子交换法是工业锅炉给水最通用的一种水处理方法。当原水经过钠型离子交换剂时，水中的Ca2 、Mg2 等阳离子与交换剂中的Na 进行交换，降低了水的硬度，使水质得到软化，故这种方法又称为钠离子交换软化法。

(1)再生过程

在钠离子交换过程中，当软水出现了硬度，且残留硬度超过水质标准规定时，则认为钠离子交换剂已经失效。为了恢复其交换能力，就需要对交换剂进行再生(或还原)。再生过程是使含有大量钠离子的氯化钠(NaCl)溶液通过失效的交换剂层恢复其交换能力的过程。此时，钠离子又被离子交换剂所吸着，而交换剂中的钙、镁离子被置换到溶液中去。钠型离子交换剂的再生过程可用如下反应式表示：

CaR2 2NaCl——2NaR CaCl2

MgR2 2NaCl——2NaR MgCl2

生产中多采用食盐(NaCl)溶液作为再生剂。因为食盐比较容易得到，而且再生过程中所形成的产物(CaCl2、MgCl2)是可溶性盐类，很容易随再生液排出去。再生用食盐，大都水处理设备采用工业用盐，其中杂质含量不宜过多，食盐溶液需澄清过滤后使用。通常认为，10%食盐溶液的硬度不应超过40mmol/L，悬浮物不应大于2%。离子交换剂再生时，一般要用经过澄清的8～10%的盐溶液。总的再生接触时间随离子交换树脂交联度的不同而变化，对于一般交联度7%左右的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，再生剂和树脂总的接触时间最低应保证45min以上。

(2)水处理设备交换过程

碳酸盐硬度(暂硬)软化过程：

Ca(HCO3)2 2NaR——CaR2 2NaHCO3

Mg(HCO3)2 2NaR——MgR2 2NaHCO3

非碳酸盐硬度(永硬)软化过程：

CaSO4 2NaR——CaR2 Na2SO4

CaCl2 2NaR——CaR2 2NaCl

MgSO4 2NaR——MgR2 Na2SO4

MgCl2 2NaR——MgR2 2NaCl

也可以用综合上述反应式的离子式表示：

Ca2 2NaR——CaR2 2Na

Mg2 2NaR——MgR2 2Na

购买的阴离子交换剂使用前必须经过处理后方能使用，干粉状的阴离子交换剂首先要进行膨化，将干粉在水中充分溶胀，以使离子交换剂颗粒的孔隙增大，具有交换活性的电荷基团充分暴露出来。而后用水悬浮去除杂质和细小颗粒。再用酸碱分别浸泡，每一种试剂处理后要用水洗至中性，再用另一种试剂处理，最后再用水洗至中性，这是为了进一步去除杂质，并使离子交换剂带上需要的平衡离子。市售的阴离子交换剂为Cl型，因为通常这样比较稳定。处理时一般阴离子交换剂最后用酸处理。常用的酸是HCl，碱是NaOH或再加一定的NaCl，这样处理后阴离子交换剂为Cl型。使用的酸碱浓度一般小于0.5 mol / L，浸泡时间一般30 min。处理时应注意酸碱浓度不宜过高、处理时间不宜过长、温度不宜过高，以免离子交换剂被破坏。另外要注意的是阴离子交换剂使用前要排除气泡，否则会影响分离效果。

阴离子交换剂的再生是指对使用过的阴离子交换剂进行处理，使其恢复原来性状的过程。酸碱交替浸泡的处理方法就可以使离子交换剂再生。离子交换剂的转型是指离子交换剂由一种平衡离子转为另一种平衡离子的过程。如对阴离子交换剂用HCl处理可将其转为Cl型，用NaOH处理可转为OH型，用甲酸钠处理可转为甲酸型等等。对离子交换剂的处理、再生和转型的目的是一致的，都是为了使离子交换剂带上所需的平衡离子。2100433B

根据交换基团碱性的强弱，阴离子交换剂可分为强碱型（其碱基解离常数>1×10^-3）和弱碱型（其碱基解离常数<1×10^-3）。

强碱型阴离子交换剂：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，离解性很强，可吸附任何阴离子。

弱碱型阴离子交换剂：主要是含有弱碱性基团，如伯胺基（亦称一级胺基）-NH2、仲胺基（二级胺基）-NHR、或叔胺基（三级胺基）-NR2，它们在水中能离解出OH－而呈弱碱性。弱碱性阴离子交换剂可交换强酸性阴离子，但对弱无机酸阴离子实际不吸附（即使在酸性介质中吸附量也是微不足道的）。

碱型离子交换剂base form ion-exchattger 又称减型阴离子交换剂 (base farm anion-exchangcr)。其功能基是碱性的，可分为强碱型和弱碱型离子交换剂。强碱型离子交换剂是由交联聚苯乙烯经氯甲篆化后用三甲胺或二甲基乙醇胺进行胺化。弱碱型离子交换剂的制法与强碱型相似，只是所川胺的碱性较弱，一般包括伯胺、仲胺和叔胺三种。在离子交换树脂的母体上引人可离解的碱性基团，如:----NR3 } ,--NR} .-NHR ,-N#-32等，由于这些基团的碱性不同，就叮以得到不同碱性的阴离子交换树脂。 2100433B