离子交换树脂基础知识

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1 定义

梁世中在其主编的《生物工程设备（第二版）》中，对“离子交换树脂”定义如下：离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物。离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可在网络骨架和溶液间自由迁移的活性离子。

▲源自《实用注册环保工程师手册》

离子交换树脂的交换机理：

  1. A+ 自溶液中扩散到树脂表面；
  2. A+ 从树脂表面再扩散到树脂内部的活性基团；
  3. A+ 在树脂内部的活性基团中发生交换反应；
  4. 交换出来的 B+ 从树脂内部的活性基团扩散到树脂表面；
  5. B+ 从树脂表面扩散到溶液中。

根据电荷中和原则，步骤 1 和步骤 5 同时发生，交换速度相等；同样，步骤 2 和步骤 4 同时发生，交换速度相等。

2 离子交换树脂分类

按树脂骨架分类，离子交换树脂可分为：

  1. 聚苯乙烯型树脂；
  2. 聚丙烯酸型树脂；
  3. 酚醛型树脂等。

按离子交换树脂聚合的化学反应可分为：

  1. 共聚型树脂；
  2. 缩聚型树脂。

按树脂骨架的物理结构分类，离子交换树脂可分为：

  1. 凝胶型树脂（亦称微孔树脂）；
  2. 大网格树脂（亦称大孔树脂）；
  3. 均孔树脂。

按离子交换树脂活性基团电离程度及其与溶液中阴、阳离子交换情况，分为：

  1. 强酸性阳离子交换树脂；
  2. 弱酸性阳离子交换树脂；
  3. 强碱性阴离子交换树脂；
  4. 弱碱性阴离子交换树脂。

在实际应用过程中，强酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂常常被预先转化为不再具有强酸性、强碱性，却仍旧保留其他特性的钠型和氯型。钠型树脂在离子交换过程中，释放出 Na+，而非 H+，可避免溶液 pH 值降低和由此造成的设备腐蚀等副作用。同理，氯型树脂在离子交换过程中，释放出 Cl–，而非 OH–，避免了溶液 pH 值升高。钠型树脂、氯型树脂在再生时均采用食盐水作为再生剂，无需采用强酸和强碱。

3 影响离子交换速度的因素

  1. 颗粒大小：离子交换树脂颗粒越小，越有利提高离子在树脂内、外部扩散的速度。
  2. 交联度：使各个单体交联而形成树脂交聚物的物质称交聚剂，树脂中含交聚剂的重量百分数称交联度。交联度越小，离子交换树脂间空隙越大，越易膨胀，使得离子在树脂内部扩散越容易，交换速度越快。
  3. 温度：提高溶液温度能提高扩散系数，加快离子扩散。
  4. 离子化合价：离子在树脂中扩散时，和树脂骨架间存在库伦引力。离子化合价越高，库伦引力越大，内扩散速度越小。根据研究者提供的结论：阳离子增加一个电荷，其内扩散速度约减慢为原来的 1/10 。
  5. 离子大小：小离子的扩散速度较快，而大分子由于与树脂骨架发生碰撞，使骨架变形，降低了扩散速度。工业上利用这种现象发展出了分子筛。
  6. 搅拌速度：在交换过程中搅拌，可加快扩散，但不会影响内扩散。
  7. 溶液浓度：随溶液浓度增大，离子交换速度变快。但当溶液浓度增大到某一数值后，离子交换增速开始逐渐趋缓。

4 离子交换的选择性

当溶液中同时存在多种离子时，离子交换树脂对离子有选择吸附作用。影响离子交换顺序的因素有：

  1. 离子水合半径：离子水合半径越小，与树脂间的亲和力就越大，也就越优先交换。在高浓度溶液中，由于离子的水合作用不充分，离子水合半径接近离子半径，因此，离子水合半径近似由原子序数决定：原子序数越大，离子水合半径越大。
  2. 离子化合价：在常温下的稀浓度溶液中，离子的化合价越高，越优先交换（Cr3+ ＞ Ca2+ ＞ Na+ ；PO43-＞ SO42- ＞ Cl–）。对于同价离子，原子序数越大，越优先交换（K+ ＞ Na+ ＞ H+）；稀土元素则恰恰相反。
  3. 溶液组分：有机溶剂的存在会使有机离子脱水收缩，结构紧密，从而降低离子交换树脂吸附有机离子的能力。

5 离子交换设备

根据离子交换的操作方式不同，可分为：

  1. 静态设备：静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力旋风将树脂分离，然后装入解吸罐（柱）中洗涤和解吸。这种设备目前已经较为罕见。
  2. 动态交换设备：按操作方式不同分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类。

下面简要介绍一下混合床交换罐的工作原理。混合床交换罐主要用于制备无盐水，罐内同时装填了阳、阴两种离子交换树脂，脱盐较完全。在制备无盐水时，可将水中的阳、阴离子同时除去，而从树脂上交换出来的 H+ 和 OH– 结合成水，可避免由于出水 pH 的变化而影响产品的质量。混合床交换罐工作过程可分为三个阶段：

  1. 制备无盐水；
  2. 设备反洗；
  3. 离子交换树脂再生。

6 离子交换树脂在水污染治理工程中的应用

在水污染治理工程中，离子交换工艺适用于原水脱盐净化，回收工业废水中有价金属离子、阴离子化工原料等。

去除水中吸附交换能力较强的阳离子可选用弱酸性阳离子交换树脂；去除水中吸附交换能力较弱的阳离子可选用强酸型阳离子交换树脂；进水中有机物含量较多时，宜选用抗氧化性好，机械强度较高的大孔型树脂。

工业废水处理过程产生的废弃离子交换树脂（废物代码：900-015-13）需严格执行危险废物转移联单管理制度，交有资质单位安全处置。

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