什么是离子交换树脂，它是如何工作的？

尽管我们中许多人都听说过离子交换树脂，但很少有人了解该技术的实际运作方式。 无论您是权衡潜在的处理策略，寻找从现有离子交换树脂中获得最大收益的方法，还是只是对离子交换化学感到好奇，您都可能会问“什么是离子交换树脂，它是如何工作的？”

无论您的目标是什么，本文都将帮助您更好地了解离子交换树脂技术及其如何满足各种水处理和分离需求，从而帮助您根据设施的正确水处理策略做出更好的决策。

什么是离子交换树脂？

离子交换是一种可逆的化学反应，其中溶解的离子从溶液中去除，并被相同或相似电荷的其他离子取代。 离子交换树脂本身不是化学反应物， 而是一种促进离子交换反应的物理介质 。 树脂本身由形成烃网络的有机聚合物组成。 贯穿聚合物基质的是离子交换位点，其中带正电的离子（阳离子）或带负电的离子（阴离子）的所谓“官能团”固定在聚合物网络上。 这些官能团容易吸引相反电荷的离子。

离子交换树脂的物理性质是什么？

离子交换树脂的几何形状，大小和结构可以从一种类型变化到另一种类型。 大多数离子交换交换系统使用由微小的多孔微珠组成的树脂床，尽管某些系统（例如用于电渗析的系统）使用片状网状树脂。 离子交换树脂珠通常很小且呈球形，半径大小仅为0.25到1.25毫米。 取决于应用和系统设计，树脂珠粒可以具有均匀的粒度或高斯粒度分布。 大多数应用使用具有半透明外观的凝胶树脂珠 ，并具有高容量和化学效率。 大孔树脂由于其不透明的白色或黄色外观而可以识别，通常保留在苛刻的条件下，因为它们具有相对较高的稳定性和耐化学性。

离子交换树脂由什么制成？

通过在称为聚合的过程中使烃链彼此交联而形成离子交换树脂基质。 交联赋予树脂聚合物更强的，更有弹性的结构和更大的容量（按体积计）。 尽管大多数离子交换树脂的化学成分是聚苯乙烯 ，但某些类型的树脂是由丙烯酸制成的 （丙烯腈或丙烯酸甲酯）。 然后，对树脂聚合物进行一种或多种化学处理，以使官能团与遍及整个基质的离子交换位点结合。 这些官能团是赋予离子交换树脂分离能力的原因，并且从一种类型的树脂到另一种类型的树脂都将有很大不同。 最常见的成分包括：

001*7阳离子交换树脂。 SAC树脂由具有磺酸盐（SO 3- ）官能团的聚苯乙烯基体组成，该基团要么充有钠离子（Na 2+ ）用于软化应用，要么充有氢离子（H + ）用于软化。

弱酸阳离子（WAC）交换树脂。 WAC树脂由丙烯酸类聚合物组成，该丙烯酸类聚合物已被硫酸或苛性钠水解以产生羧酸官能团。 由于它们对氢离子（H + ）的高亲和力，因此WAC树脂通常用于选择性去除与碱度有关的阳离子。

强碱阴离子（SBA）交换树脂。 SBA树脂通常由已进行氯甲基化和胺化以将阴离子固定在交换位点的聚苯乙烯基质组成。 1型SBA树脂是通过使用三甲胺生产的，它会产生氯离子（Cl – ），而2型SBA树脂是通过使用二甲基乙醇胺生产的，这会产生氢氧根离子（OH – ）。

弱碱阴离子（WBA）交换树脂。 WBA树脂通常由经过氯甲基化，然后用二甲胺胺化的聚苯乙烯基质组成。 WBA树脂的独特之处在于它们没有可交换的离子，因此被用作吸酸剂以去除与强无机酸相关的阴离子。

螯合树脂。 螯合树脂是最常见的特种树脂 ，用于选择性去除某些金属和其他物质。 在大多数情况下，树脂基体由聚苯乙烯组成，尽管官能团使用了多种物质，其中包括硫醇，三乙铵和氨基膦酸等。

离子交换树脂如何工作？

要完全了解离子交换树脂的工作原理，重要的是首先了解离子交换反应的原理。 简而言之，离子交换是带电粒子（或离子）与类似电荷的粒子的可逆交换。 当不溶性离子交换树脂基质上存在的离子与周围溶液中存在的类似电荷的离子有效交换位置时，就会发生这种情况。

离子交换树脂之所以如此起作用，是因为其官能团基本上是固定的离子，这些离子永久性地结合在树脂的聚合物基体内。 这些带电的离子将很容易与带有相反电荷的离子键合，这些离子通过施加抗衡离子溶液来传递。 这些抗衡离子将继续与官能团键合，直到达到平衡。

在离子交换循环中，将要处理的溶液添加至离子交换树脂床中，并使其流过珠粒。 当溶液流过离子交换树脂时，树脂的官能团会吸引溶液中存在的所有抗衡离子。 如果官能团对新抗衡离子的亲和力大于已存在的离子，则溶液中的离子将驱离现有离子并取代它们，并通过共享的静电吸引与官能团键合。 通常，离子的尺寸和/或化合价越大，其与带相反电荷的离子的亲和力越大。

让我们将这些概念应用于典型的离子交换水软化系统。 在此示例中，软化机理由阳离子交换树脂组成，其中磺酸根阴离子（SO 3- ）官能团固定在离子交换树脂基体上。 然后将包含钠阳离子（Na + ）的抗衡离子溶液施加到树脂上。 Na +通过静电吸引固定在固定的SO 3-阴离子上，从而在树脂中产生净中性电荷。 在主动离子交换循环期间，将包含硬度离子（Ca 2+或Mg 2+ ）的物流添加到阳离子交换树脂中。 由于SO 3-官能团对硬度阳离子的亲和力比对Na +离子的亲和力更大，因此硬度离子取代了Na +离子，然后Na +离子作为处理物流的一部分从离子交换单元流出 。 另一方面，硬度离子（Ca 2+或Mg 2+ ）被离子交换树脂保留。

什么是树脂再生？

随着时间的流逝，污染物离子会与离子交换树脂中所有可用的交换位点结合。 树脂耗尽后，必须将其恢复，以通过所谓的再生循环进一步使用。 在再生循环中，通过使用浓缩的再生溶液基本上可以逆转离子交换反应。 取决于树脂的类型和当前的应用，再生剂可以是盐，酸或苛性溶液。 随着再生循环的进行，离子交换树脂释放出污染物离子，将其交换为再生溶液中存在的离子。 污染物离子将作为再生废气流的一部分离开离子交换系统，并且需要正确排放。 在大多数情况下，在下一个主动离子交换循环之前，应冲洗树脂以除去任何残留的再生剂