《离子交换材料》

使用离子交换剂时永远不应忘记这样一些经常被忽视的限制：离子交换剂只有在有限浓度的液相中才起作用，并非万能的。离子交换剂是用以固着离子的， 而非为了滤除悬浮、胶体或乳化物质。后面这些物质只能缩短交换剂本身的寿命。溶解有机物质的复杂问题必须留待更细致的研究去解决。水中存在大量溶解气体会严重干扰交换剂的活性。强氧化剂Cl₂和O₃对某些树脂有害。一般说来， 在把实验室的结果用于生产规模时以及在阅读离子交换剂制造厂所提供的文件时均应十分慎重。设计和使用装置的规程和对交换物质本身的理论性能的知识是同样重要的。

有两大类离子交换剂：阳离子交换剂，其分子含有形式为HSO₃或HCO₂的磺酸或羧酸的酸性基团，能固着无机或有机阳离子并能相互交换或与氢离子H 交换；阴离子交换剂，含有碱基团，例如叔胺或季铵官能团，能固着无机或有机阴离子，并能相互交换或与羟离子OH-交换。 2100433B

材料的化学结构，一般为大分子型，必须在其分子中含有一个或数个酸基团或碱基团。为了说明交换现象，这类基团的存在可把阳离子交换剂比作形式为H-R的酸，而阴离子交换剂比作形式为R-OH的碱。酸或碱的强度取决于分子核的本质和与之联结的基团，如HCO₂、HSO₃、 NH₃OH等。仅有一种基团的交换材料是单功能的， 例如HCO₂或HSO₃，如果分子中同时含有几种性质不同的基团则是多功能的，从而也就具有不同的离子强度，产品在正常使用条件下必须不溶解。在实践中，当前常用的交换材料均能满足这一要求，而且如不考虑初始阶段，在正常流量和温度条件下用普通分析方法观察不出它们在周围介质温度中的真溶解度。对某些交换材料来说，一旦达到某一温度，这一点就不再真实了。产品必须呈最大均匀性的颗粒形状，而且其粒度必须能使透过的水头损失在容许的范围之内。交换物质状态改变时必须不致引起其物理结构的任何变形。交换材料可能需要用来固着大小和重量差异很大的离子或高解复体。在有些情况中这样会导致明显的膨胀或收缩。显然这种胀缩不得造成颗粒破裂。装置的设计必须能在最困难的情况下允许这种膨胀而不在床内引起过度应力。

(1)离子交换材料的交换容量，指交换材料每单位体积(或在特种情况下每单位质量)能固者的离子重量。交换容量用每升密实的树脂交换的克当量数表示或用每单位体积交换的度数表示克当量和度的换算数在各国是不同的。

( 2 )总容量，指能够交换的最大重量，这是给定树脂的特性。

( 3 )有效容量，指上述容量中的可用部分，取决于具体应用的水力和化学条件。

( 4 )床容量，指每小时处理液的体积与树脂体积之比。

(5)离子流量，为床容量乘以水的含盐量(每小时每升树脂处理的亳克当量数)之积。

( 6 )再生率，指再生单位体积交换材料所用的再生剂重量。

( 7 )再生效率，再生剂的克当量用量按化学计量相应于换出离子的再生剂。

( 8 )泄漏率，指液体中应固着的离子处理后浓度与处理前依度之比(以%表示)。

( 9 )磨耗，指颗粒在使用过程中的机械磨损。

离子交换纤维（Ion Exchange Fiber，简称IEF） 是一种纤维状离子交换材料，离子交换纤维作为新型功能高分子材料，具有独特的化学及物理吸附和分离功能，在一些相关领域有着不可代替的作用，在环境保护、资源回收再生、医药、化工、冶金等方面都有广阔的应用前景。

离子交换纤维主要分为四类：强酸性阳离子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强碱性阴离子交换纤维、弱碱性阴离子交换纤维 。

酸碱特性

目前为止，已有不少关于测定离子交换纤维的表观酸碱特性的文献见诸于世，它密切联系了凝结作用与吸附作用等界面反应，是水化固体的重要特性之一，电位滴定法是测定纤维酸碱性的一个重要方法。

化学稳定性

离子交换纤维的化学稳定性，是指纤维在化学因素作用下保持原有物理化学性质的能力，由骨架聚合物和功能基团共同决定。离子交换纤维应具有良好的化学稳定性，例如，在各种酸（如 HCl、H2SO4）、碱（如NaOH、Na2CO3、NH4OH）、氧化性物质（如 H2O2、K2Cr2O7、KMnO4）等中应保持有一定的稳定性。

机械性能

离子交换纤维的机械强度取决于它的制备工艺、化学功能基团数量以及网状结构密度。由于制备过程中，伴随着多步化学反应，原纤维骨架会发生不同程度的链间交联、支链化以及取向和晶体结构的破坏，所以一般情况下离子交换纤维的机械强度明显低于原化学合成纤维的强度，但适当强度足以满足一般加工过程的使用要求。总之，在循环使用过程中离子交换纤维的机械性能与交换容量应基本保持不变，才能使工艺过程稳定。

交换吸附性能

对于离子交换纤维，其交换容量为一定量的纤维所带有的可交换离子的数量，是衡量纤维质量的重要指标之一。离子交换纤维的交换容量取决于固定在纤维大分子结构上的活性基数量及其解离程度和可及度，由于影响离子交换的因素较多，不同离子交换纤维的交换容量也相差较大。

动力学性能

与颗粒状离子交换材料相比，离子交换纤维具有较大的外比表面积和较短的传质距离，所以它具有更快的吸附与解吸速度，其吸附速度可高出前者几倍、甚至十几倍 。

（1）晶格交换理论：离子交换树脂的交换机理与晶体中的晶格离子和电解质溶液离子间的交换相似，可以把各种阳离子和阴离子交换树脂看做为具有大分子量的聚合电解质，与离子交换树脂中的功能基结合的离子像晶体的联接离子一样，可与相接触的电解质溶液中的某些离子进行交换。

（2）双电层理论：对离子交换的解释建立在古维和斯特恩的双电层模型上，这种模型认为离子交换树脂在溶液中与胶体类似。存在一个双电层。离子交换树脂的功能基构成固定不变的内层，与功能基结合的离子为可扩散移动的外层。扩散外层中的离子一直延伸到外面溶液的介质中，溶液中的一些离子将会替代某些原来处于这一层中的离子，发生离子交换，这种交换按化学计量进行。

（3）道南膜理论：假定离子交换树脂由不能渗透扩散的离子和能扩散的交换离子组成，把离子交换树脂看成是浓的电解质溶液，离子交换树脂和液的接触界面作为膜，离子交换树脂中的可交换离子和溶液中某些带相同电荷的离子，在适当条件下，穿过假定膜发生交换。