離子交換樹脂是由空間網狀結構骨架（即母體）與附屬在骨架上的許多活性內基團所構成的容不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成二部分：（1）固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成固定離子；（2）活動部分，能在一定空間內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子或反離子。以強酸性陽離子交換樹脂為例，可寫成R-SO3-H+，其中R代表樹脂母體即網狀結構部分，-SO3- 代表活性基團的固定離子，H+為活性基團的可交換離子。有時更簡單地寫成R-H+。離子交換通過不溶性的電解質（樹脂）與溶液中的另一種電解質進行化學反應。這一反應可以是中和反應、中性鹽分解或復分解反應。譬如中和反應：
R-H+ + NaOH= RNa+H2O 利用這個反應可以去除水的鹼度。
『貳』 離子交換樹脂的交換原理
離子交換樹脂的內部結構，由三部分組成，分別是：
1、高分子骨。
由交聯的高分子聚合物組成；
2、離子交換基團。
它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子（稱為反離子）的離子型官能團或帶有極性的非離子型官能團；
3、孔。
它是在干態和濕態的離子交換樹脂中都存在的高分子結構中的孔（凝膠孔）和高分子結構之間的孔（毛細孔）。
在交聯結構的高分子基體（骨架）上，以化學鍵結合著許多交換基團。這些交換基團也是由兩部分組成：固定部分和活動部分。
交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動，所以稱為固定離子；交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，稱為反離子或可交換離子。反離子在溶液中可以離解成自由移動的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發生交換反應。
1、離子交換的選擇性定義：
離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。
離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於強酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。
2、以001×7強酸陽離子交換樹脂為例說明：
001×7強酸陽離子交換樹脂是一種凝膠型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當原水當中的Ca2+，Mg2+等陽離子-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Ca2+，Mg2+等陽離子選擇性強於對H+的選擇性，所以H+就與進入樹脂孔道中的Ca2+，Mg2+等陽離子發生快速的交換反應，Ca2+，Mg2+等陽離子被固定到樹脂交換基團上面，被交換下來的H+向樹脂的孔道中-擴散，最終擴散到水中。
（1）邊界水膜內的擴散
水中的Ca2+，Mg2+等陽離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面；
（2）交聯網孔內的擴散（或稱孔道擴散）
Ca2+，Mg2+等陽離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；
（03）離子交換
Ca2+，Mg2+等陽離子與樹脂基團上的可交換的H+進行交換反應；
（4）交聯網孔內的擴散
被交換下來的H+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散。
（5）邊界水膜內的擴散
最終擴散到水中。
鑒於離子交換樹脂反應的可逆性，反應後的樹脂通過處理，重新轉化為原來的離子交換樹脂，這樣又可以進入下一循環，其循環次數視所用樹脂類型不同而定。
『叄』 離子交換樹脂的結構有什麼特點
離子交換樹脂是帶有可交換離子功能基團的具有三維網孔結構的高分子聚合物，其能夠與溶液中相應的陽離子或陰離子發生交換作用，達到吸附去除或富集提取的目的。
離子交換樹脂的結構由三部分組成：不溶性的三維空間網狀高分子骨架、連接在高分子骨架上的功能基團以及功能基團上所帶的可交換離子。
離子交換樹脂按照組成其分子骨架的物質不同，分為苯乙烯系、丙烯酸系、環氧系等；按照其可交換的離子性質分類，可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂，而陽離子交換樹脂又可分為強酸陽離子交換樹脂與弱酸陽離子交換樹脂，陰離子交換樹脂又可分為強鹼陰離子交換樹脂與弱鹼陰離子交換樹脂；按照其內部孔道結構的不同，可分為大孔型離子交換樹脂與凝膠型離子交換樹脂。
（1）強酸陽離子交換樹脂
強酸陽離子交換樹脂分子骨架上帶有強酸性基團（如磺酸基－SO3H），在溶液中，強酸基團易離解出H+，故呈強酸性；而強酸功能基團上的負電基團（如－SO3—），能吸附結合溶液中的其他陽離子，使樹脂功能基團上解離的H+與溶液中的其他陽離子發生交換作用。強酸陽離子交換樹脂因其強酸功能基團解離能力強，因此，在酸性或鹼性溶液中功能基團均能發生解離並產生離子交換作用。
（2）弱酸陽離子交換樹脂
弱酸陽離子交換樹脂分子骨架上帶有弱酸性基團（如羧酸基－COOH），在溶液中，弱酸基團同樣可以解離出H+而呈酸性；而弱酸功能基團上的負電基團（如－COO—），能吸附結合溶液中的其他陽離子，使樹脂功能基團上解離的H+與溶液中的其他陽離子發生交換作用。但是因為弱酸陽離子交換樹脂所帶功能基團為弱酸基團，解離性較弱，低pH環境下不利於弱酸基團的解離，因此，弱酸陽離子交換樹脂適合在鹼性、中性或弱酸性溶液中（如pH：5～14）使用。
（3）強鹼陰離子交換樹脂
強鹼陰離子交換樹脂分子骨架上帶有強鹼性基團（如季胺基－NR3OH），強鹼基團能在溶液中離解出OH—而呈強鹼性；而強鹼基團上的正電基團（如－NR3+），能吸附結合溶液中的其他陰離子，使樹脂功能基團上解離的OH—與溶液中的其他陰離子發生交換作用。強鹼陰離子交換樹脂所帶強鹼基團具有很強的解離性能，在不同pH環境下均能正常使用。
（4）弱鹼陰離子交換樹脂
弱鹼陰離子交換樹脂分子骨架上帶有弱鹼基團（如伯胺基－NH2、仲胺基－NHR、叔胺基－NR2），弱鹼基團在溶液中也能解離出OH—而呈弱鹼性；弱鹼基團上的正電基團能吸附結合溶液中的其他陰離子，從而產生陰離子交換作用。因為弱鹼陰離子交換樹脂所帶弱鹼基團的解離性較弱，因此，其適合在中性或酸性條件下（如pH：1～9）下使用。
『肆』 離子交換樹脂如何概述
離子交換樹脂的結構是怎樣的?
離子交換樹脂主要由高分子骨架和活性基團兩部分組成。
(1)高分子骨架 高分子骨架也稱母體結構。它是具有網狀結構，不溶於酸或鹼的高分子化合物。高分子骨架按其聚合單體，可以分為苯乙烯型和丙烯酸型等。
(2)活性基團 活性基團是由牢固地結合在高分子骨架上不能自由移動的官能團離子和可以自由移動的可交換離子兩部分組成的：
官能團離子。官能團離子決定著離子交換樹脂的「酸性」或「鹼性」和交換能力的強弱。
官能團是強酸性的，就叫強酸性離子交換樹脂。官能團離子是強酸性的，就叫強鹼性離子交換樹脂。
同樣，按官能團離子的性質，還有弱酸的、弱鹼和其他類型的離子交換樹脂
可交換離子現代交換理論，把離子交換樹脂看作是一種膠體型物質，高分子骨架是「膠核」，活性基團則作為高分子骨架的「雙電層」。其中官能團和部分交換離子組成「吸附層」，另一部分可交換離子組成「擴散層」。由於可交換離子是可以自由移動的，因而可以與水中同符號的離子發生交換反應。
如果離子交換樹脂上的可交換離子為陽離子，就叫H型陽離子交換樹脂。同樣，如果可交換離子為陰離子，就叫OH型陰離子交換樹脂。其餘可依此類推
『伍』 離子交換樹脂吸附的原理
離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料.在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號離子進行交換.按交換基團性質的不同,離子交換樹脂可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩類.
陽離子交換樹脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團,其中的氫離子能與溶液中的金屬離子或其他陽離子進行交換.例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物經磺化處理得到強酸性陽離子交換樹脂,其結構式可簡單表示為R—SO3H,式中R代表樹脂母體,其交換原理為 2R—SO3H＋Ca2+——（R—SO3）2Ca＋2H+
這也是硬水軟化的原理.
陰離子交換樹脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團.它們在水中能生成圓談OH-離子,可與各種陰離子起交換作用,其交換原理為
R—N（CH3）3OH＋Cl- ——R—N（CH3）3Cl＋OH-
由於離子交換作用是可逆的,因此用過的離子跡腔輪交換樹脂一般用適當濃度的無機酸或鹼進行洗滌,可恢復到原狀態而重復使用,這一過程稱為再生.陽離子交換樹脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹脂可用氫氧化姿信鈉等溶液處理,進行再生.
離子交換樹脂的用途很廣,主要用於分離和提純.例如用於硬水軟化和製取去離子水、回收工業廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬、分離和提純抗生素等.
『陸』 離子交換的基本原理和裝置運行方式
離子交換的基本原理和裝置運行方式
藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：
水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。
離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;
按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。
⑴離子交換樹脂的構造
是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。
⑵基本性能
①外觀
呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，
②交聯度
指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%.
③含水率
指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。
④溶脹性
指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。
在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。
⑤密度
分為干真密度、濕真密度和濕視密度
⑥交換容量
是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。
⑦有效PH范圍
由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。
⑧選擇性
即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。
⑨離子交換平衡
離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。
⑩離子交換速率
主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。
其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。
⑶樹脂層離子交換過程
以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。
離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床
⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的.位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。
單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。
雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由於強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。
混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由於陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利於交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。於是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。
根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。
順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍於理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩餘被去除的離子較大;而到了了工作後期，由於樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用於設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。
逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對於硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前採用該法較多。
總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。
為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。
⑵連續床又分為移動床和流動床
移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處於一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。
流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。
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