离子交换技术专业基础知识（整理版，建议收藏）

离子交换技术广泛用于垃圾渗滤液、煤化工、氯碱化工、湿法冶金、表面处理、食品饮料、制药、工业纯水、高纯水设备等水处理设备中，是常用的技术。

为了便于水处理行业人员更好地了解“离子交换树脂”，科海思整理了一些关于离子交换树脂的基础知识，很简单、很实用。

离子交换技术

离子交换技术是利用离子交换剂中的可交换基团与溶液中各种离子间的离子交换能力的不同来进行分离的一种技术，是一种固液分离的方法。

离子交换的作用

离子交换可起到提取、分离、浓缩和精制的作用。

离子交换过程

离子交换工艺过程包括清洗、离子交换、反洗、再生和正洗五个阶段，树脂的再生是利用离子交换反应的可逆性进行的，阳离子交换树脂失效后可采用酸液再生；阴离子交换树脂失效后可采用碱液再生。

离子交换树脂

离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。离子交换树脂具有交换、选择、吸附和催化等功能，根据交换基团性质的不同，可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。

阳离子交换树脂

阳离子交换树脂，一般是以钠离子（Na+型）或氢离子（H+型）置换溶液中的阳离子从而将其去除。

阴离子交换树脂

阴离子交换树脂，一般是以羟基（OH-）离子置换溶液中的阴离子从而将其去除。

离子交换树脂基体组成

离子交换树脂的制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)两大类。

它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应，形成具有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物。

离子交换树脂还可由其他有机单体聚合制成。如酚醛系(FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。

苯乙烯系树脂

苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族物质，善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的)；但在再生时较难洗脱。

丙烯酸系树脂

丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素，脱色容量大，而且吸附物较易洗脱，便于再生，在糖厂中可用作主要的脱色树脂。

因此，糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色，再用苯乙烯树脂进行精脱色

离子交换树脂物理结构分类

离子树脂常分为凝胶型和大孔型两类。

凝胶型树脂

凝胶型树脂的高分子骨架，在干燥的情况下内部没有毛细孔。它在吸水时润胀，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔(micro-pore)。湿润树脂的平均孔径为2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。

这类树脂较适合用于吸附无机离子，它们的直径较小，一般为0.3～0.6nm。这类树脂不能吸附大分子有机物质，因后者的尺寸较大，如蛋白质分子直径为5～20nm，不能进入这类树脂的显微孔隙中。

大孔型树脂

大孔型树脂是在聚合反应时加入致孔剂，形成多孔海绵状构造的骨架，内部有大量永久性的微孔，再导入交换基团制成。

它并存有微细孔和大网孔(macro-pore)，润湿树脂的孔径达100～500nm，其大小和数量都可以在制造时控制。孔道的表面积可以增大到超过1000m2/g。

离子的交换能力

当其他条件相同时，高价离子通常被优先吸附，而低价离子的吸附较弱。在同价的同类离子中，直径较大的离子被吸附较强。

交换容量

离子的交换能力的大小通常用交换容量表示，它可分为全交换容量（指交换树脂中所有活性基团全部再生成可交换的离子总量）和工作交换容量（指交换过程中实际起到交换作用的可交换离子的总量）。

总交换容量

表示每单位数量（重量或体积）树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。

工作交换容量

表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。

再生交换容量

表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。

再生交换容量为总交换容量的50～90%（一般控制70～80%），而工作交换容量为再生交换容量的30～90%（对再生树脂而言）。

离子交换工艺过程

离子交换工艺过程包括清洗、离子交换、反洗、再生和正洗五个阶段，树脂的再生是利用离子交换反应的可逆性进行的，阳离子交换树脂失效后可采用酸液再生；阴离子交换树脂失效后可采用碱液再生。

离子交换原理

树脂中的离子通过与溶液中的离子置换，用树脂吸附溶液中所需的离子物质，如金属离子、氯离子、镁离子、钙离子等，从而达到过滤、处理溶液，提取溶液中的所需离子。

吸附选择

离子交换树脂对溶液中的不同离子有不同的亲和力，对它们的吸附有选择性。各种离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律，但不同的树脂可能略有差异。

离子交换树脂的交联度

树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数。

通常，交联度高的树脂聚合得比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，比较脆而易碎。

工业应用的离子树脂的交联度一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。

离子交换树脂的颗粒尺寸

离子交换树脂通常制成珠状的小颗粒。树脂颗粒较细者，反应速度较大，但细颗粒对液体通过的阻力较大，需要较高的工作压力；特别是浓糖液粘度高，这种影响更显著。

如果树脂粒径在0.2mm（约为70目）以下，会明显增大流体通过的阻力，降低流量和生产能力。

离子交换树脂含水率

含水率通常以每克湿树脂(去除表面水分后)所含水分百分数来表示。

离子交换树脂的密度

离子交换树脂的相对密度有三种表示方法:干真密度、湿真密度和湿视密度。

干密度是指在115℃真空干燥后的密度；

湿真密度是指树脂在水中充分膨涨后的质量与树脂所占体积(不包括空隙)之比；

湿视密度是指树脂在水中充分膨涨后单位体积树脂所具有的质量。

离子交换树脂的溶解性

离子交换树脂应为不溶性物质。但树脂在合成过程中夹杂的聚合度较低的物质，及树脂分解生成的物质，会在工作运行时溶解出来。交联度较低和含活性基团多的树脂，溶解倾向较大。

离子交换树脂的膨胀度

离子交换树脂含有大量亲水基团，与水接触即吸水膨胀。当树脂中的离子变换时，如阳离子树脂由H+转为Na+，阴树脂由Cl－转为OH－，都因离子直径增大而发生膨胀，增大树脂的体积。

通常，交联度低的树脂的膨胀度较大。

离子交换树脂的耐用性

树脂颗粒使用时有转移、摩擦、膨胀和收缩等变化，长期使用后会有少量损耗和破碎，故树脂要有较高的机械强度和耐磨性。

通常，交联度低的树脂较易碎裂，但树脂的耐用性更主要地决定于交联结构的均匀程度及其强度。

离子交换树脂的耗氧量

耗氧量主要反映受有机污染的程度。树脂被有机物污染后，清洗用水消耗急剧增加，工作交换量下降，出水水质较差。

离子交换技术的应用

离子交换技术主要应用于水处理（水的软化、水的脱盐、冷凝水和超纯水的制备），生化提取（天然生物物质的分离回收、发酵产物的分离回收、制药工业的应用），三废处理（含放射性核素废水的处理、其他工业有害废水废气的处理），湿法冶金等。

离子交换树脂在水处理的应用

水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。

离子交换树脂用于湿法冶金

离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。

离子交换树脂用于合成化学和石油化学工业

在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。

如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。

甲基叔丁基醚(MTBE)的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂。

离子交换树脂用于医药行业

离子交换树脂更为稳定，提取分离药物离子，进行浓缩和提纯，是较为安全、能较大程度达到预料药物效果的材料。

离子交换树脂用于食品行业

离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。

工业离子交换设备

工业离子交换设备主要有固定床、移动床和流动床。目前使用最广泛的是固定床，包括单床、多床、复合床和混合床。

特种离子交换树脂

区别于普通的阴阳树脂，特种离子交换树脂是对某一种或者几种目标污染物离子具有选择性吸附能力的树脂。特种树脂的官能团是在普通树脂官能团的基础上经过特殊的高分子化学反应进行了一定的修饰改性或者直接使用了对某种污染物离子具有特殊亲和性的物质做官能团。

EDI技术

EDI将离子交换技术、离子交换膜技术和离子电迁移技术(电渗析技术)相结合的纯水制造技术。

EDI与离子交换技术

EDI技术利用离子交换能深度脱盐来克服电渗析极化而脱盐不彻底，又利用电渗析极化而发生水电离产生H和OH离子实现树脂自再生来克服树脂失效后通过化学药剂再生的缺陷