离子交换树脂原理

   离子交换树脂原理即是离子交换树把溶液中的盐分脱离出来的过程：离子交换树脂作用环境中的水溶液中，含有的金属阳离子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)与阳离子交换树脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，在水中易生成H+离子)上的H+ 进行离子交换，使得溶液中的阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交换到水中，（即为阳离子交换树脂原理）；水溶液中的阴离子(Cl-、HCO3-等)与阴离子交换树脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚胺基（—NH2）等碱性基团，在水中易生成OH-离子）上的OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中，（即为阴离子交换树脂原理）。而H+与OH-相结合生成水，从而达到脱盐的目的
        
                 

   
   以氯化钠(NaCl)代表水中无机盐类，离子交换树脂工作原理（即水质除盐的基本反应可以用下列方程式表达）：

   阳离子交换树脂：R—H+Na+ R—Na+H+

   阴离子交换树脂：R—OH+Cl- R—Cl+OH-

   阳、阴离子交换树脂总的反应式即可写成：

         RH+ROH+NaCl——RNa+RCL+H2O

   由此可看出，水中的NaCl已分别被树脂上的H+和OH-所取代,而反应生成物只有H2O,故达到了去除水中盐的作用。

   以上，又称为阴阳离子交换树脂原理、离子交换树脂工作原理。

   为了更好地理解离子交换树脂原理，我们要站在离子交换树脂系统中，了解离子交换树脂的概念、结构、作用：
   什么是离子交换树脂？
   离子交换树脂是苯乙烯或丙烯酸、丙烯酯，通过聚合反应生成的三维空间体网状结构的基因，再在基因上导入不同类型的化学活性团而合成的不溶性高分子球形颗粒状聚合物。外观如下图：
     
   离子交换树脂分为阳离子树脂和阴离子树脂两大种类，阳离子树脂又分为强酸性树脂和弱酸性树脂两类，阴离子树脂又分为强碱性树脂和弱碱性树脂两类。

   离子交换树脂的结构：
   离子交换树脂由不溶性的三维空间网状高分子骨架、连接在骨架上的离子功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子孔三部分构成，如图：
     
   高分子骨架：由交联的高分子聚合物组成，如交联的聚苯烯、聚丙烯酸等；
   离子交换基团：它连在高分子骨架上，带有可交换的离子(称为反离子)的离子官能团[如-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl]等，或带有极性的非离子型官能团[如-N(CH3)2、-N(CH3)H等]；
   孔：它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔(凝胶孔)和高分子结构之间的孔(毛细孔)
   在交联结构的高分子基体(骨架)上，以化学键结合着许多交换基团，这些交换基团也是由两部分组成：固定部分和活动部分。交换基团中的固定部分被束缚在高分子的基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。反离子在溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定条件下，它能与符号相同的其他反离子发生交换反应。  

   离子交换树脂的作用：
   离子交换树脂作用主要是“离子交换法”制取纯水：原水中的各种无机盐电离生成的阳（钙、镁、铜、钠等金属离子）、阴离子（碳酸根、硝酸根、硫酸根等非金属离子），经过阳、阴树脂层（离子交换柱内的交换离子剂）时，跟树脂上的氢离子和氢氧根离子发生置换反应，而被树脂吸附，从树脂上置换下来的氢离子和氢氧根离子结合成了水分子（H2O），从而取得去除水中无机盐类的效果，达到制取脱盐纯水的目的
       
   由于离子交换作用是可逆的，因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤，可恢复到原状态而重复使用，这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗；阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理，进行再生。 
   为此离子交换树脂可理解成用化学合成法将高分子共聚物制成的有机单体颗粒的离子交换剂，是软化水水处理离子交换树脂。
   
   离子交换树脂使用方法：
   1、预选。离子交换树脂的粒度一般控制在20-35目，有些可达到50目，因此在使用前要先干燥，粉碎，过筛，通常干燥时在烘箱中进行，亦可在装有五氧化二磷、氧化钙或者浓硫酸的干燥器中进行，粉碎时不要分得过细，否则影响实验收率。
   2、预处理。强碱性离子交换树脂应先用20倍树脂体积的4%氢氧化钠水溶液处理（是树脂转化成OH型），然后用10倍体积的水洗，再用10倍量4%盐酸处理（是树脂转化成氯型），最后用蒸馏水洗至中性，然后将氯型转化成OH型，再转化成氯型，最后用10倍4%氢氧化钠水溶液处理。弱碱性离子交换树脂处理时只需用10倍量蒸馏水洗即可，不必洗至中性。
   3、装柱。将处理好的树脂至于烧杯中，加水充分搅拌除掉气泡，静置几分钟待树脂大部分沉降后，倾去上层泥状颗粒；反复操作直至上层液澄清后，即可装柱。注意要在柱子底部放1cm后的玻璃丝，用玻璃棒将其压平，将树脂倒入柱子中，还要注意防止气泡产生。
   
   4、树脂交换。将样品配制成一定浓度的水溶液，以适当流速通过柱子，亦可将样品溶液反复通过柱子，直到成分交换完全。用显色法检验成分是否交换彻底。
   5、树脂洗脱。注意亲和力弱的成分先被洗下来，常用的离子交换树脂洗脱剂有强酸、强碱、盐类、不同pH缓冲溶液、有机溶液等，可选择梯度洗脱或者单一浓度洗脱。
   6、树脂再生。

   现以D113型离子交换树脂的使用方法为例说明离子交换树脂原理：
   D113丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂是一种大孔型离子交换树脂，内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团；硫酸锌溶液中的Zn2+，S042-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Zn2+选择性强于对Ca2+的选择性，所以Zn2+就与树脂孔道中的交换基团Ca2+发生快速的交换反应，被交换下来的Ca2+遇到扩散进入孔道的S042-发生沉淀反应，生成硫酸钙沉淀，其过程大致为：
     
   1、边界水膜内的扩散水中的Zn2+，S042-离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面；
   2、交联网孔内的扩散(或称孔道扩散)联网孔，并进行扩散，到达交换点；
   3、离子交换Zn2+与树脂基团上的可交换的Ca2+进行交换反应，被交换下来的Ca2+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩张，Zn2+、S042-离子进入树脂颗粒内部的交联网孔内扩散；
   4、部分交换下来的Ca2+在扩散过程中遇到由外部扩散进入孔径的S042-发生沉淀反应，生成CaS04沉淀；
   5、没有发生沉淀反应的部分Ca2+扩散通过树脂颗粒表面的边界水膜层，并进入水溶液中。
   此外，由于离子交换以及沉淀反应的速度很快，硫酸钙沉淀基本在树脂的孔道里生成，因此树脂的孔道就限制了沉淀的生长及形貌，对其具有一定的规整作用。
   通过调整搅拌速度、反应温度等外界条件，可以使树脂颗粒及其内部孔道发生相应的变化，这样当沉淀在树脂孔道中生成后，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸钙 沉淀。