離子交換樹(shù)脂的結構及交換原理

一、離子交換樹(shù)脂的結構

      離子交換樹(shù)脂的內部結構，由三部分組成，分別是：

1、高分子骨架

由交聯(lián)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(chēng)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(tài)和濕態(tài)的離子交換樹(shù)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(lián)結構的高分子基體（骨架）上，以化學(xué)鍵結合著(zhù)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(dòng)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(dòng)，所以稱(chēng)為固定離子；交換基團的活動(dòng)部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，稱(chēng)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(dòng)的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發(fā)生交換反應。

二、離子交換的基本原理

      離子交換的選擇性定義為離子交換劑對于某些離子顯示優(yōu)先活性的性質(zhì)。離子交換樹(shù)脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹(shù)脂吸附，但吸著(zhù)后要把它置換下來(lái)就比較困難；而另一些離子很難被吸著(zhù)，但被置換下來(lái)卻比較容易，這種性能稱(chēng)為離子交換的選擇性。離子交換樹(shù)脂對水中不同離子的選擇性與樹(shù)脂的交聯(lián)度、交換基團、可交換離子的性質(zhì)、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關(guān)。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(fā)生交換。一般來(lái)說(shuō)，離子交換樹(shù)脂對價(jià)數較高的離子的選擇性較大。對于同價(jià)離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價(jià)的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對其的選擇性較大。對于強酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，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，但是這種可逆反應并不是在均相溶液中進(jìn)行的，而是在固態(tài)的樹(shù)脂和溶液的接觸界面間發(fā)生的。這種反應的可逆性使離子交換樹(shù)脂可以反復使用。

1、邊界水膜內的擴散  

水中的Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子向樹(shù)脂顆粒表面遷移，并擴散通過(guò)樹(shù)脂表面的邊界水膜層，到達樹(shù)脂表面；

2、交聯(lián)網(wǎng)孔內的擴散（或稱(chēng)孔道擴散）   

Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子進(jìn)入樹(shù)脂顆粒內部的交聯(lián)網(wǎng)孔，并進(jìn)行擴散，到達交換點(diǎn)；

3、離子交換  

Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子與樹(shù)脂基團上的可交換的H+進(jìn)行交換反應；

4、交聯(lián)網(wǎng)孔內的擴散  

被交換下來(lái)的H+在樹(shù)脂內部交聯(lián)網(wǎng)孔中向樹(shù)脂表面擴散。

5、邊界水膜內的擴散

最終擴散到水中。

三、離子交換樹(shù)脂的再生

      鑒于離子交換樹(shù)脂反應的可逆性，反應后的樹(shù)脂通過(guò)處理，重新轉化為原來(lái)的離子交換樹(shù)脂，這樣又可以進(jìn)入下一循環(huán)，其循環(huán)次數視所用樹(shù)脂類(lèi)型不同而定。