[科普中国]-离子交换材料

离子交换材料是一种天然或人造的能够从溶液或矿浆中提取离子的有机或无机固体材料。这些材料具有离子吸附、解吸、进行离子交换的功能，有H+，Na+，K+这些阳离子进行交换的材料，有OH-，Cl-，SO42-这些阴离子进行交换的材料。如果这些具有离子交换功能的基团和树脂结合，就称作离子交换树脂或简单地称作阳树脂、阴树脂。对它们按指定性质建立交换树脂型号，品种最全。可从溶液中提取元素周期表中各种元素。具有进行离子交换功能的材料，除离子交换树脂外，还有无机离子交换吸收剂、碳基离子交换吸收剂和离子交换膜等。

规格要求材料的化学结构，一般为大分子型，必须在其分子中含有一个或数个酸基团或碱基团。为了说明交换现象，这类基团的存在可把阳离子交换剂比作形式为H-R的酸，而阴离子交换剂比作形式为R-OH的碱。酸或碱的强度取决于分子核的本质和与之联结的基团，如HCO2、HSO3、 NH3OH等。仅有一种基团的交换材料是单功能的， 例如HCO2或HSO3，如果分子中同时含有几种性质不同的基团则是多功能的，从而也就具有不同的离子强度，产品在正常使用条件下必须不溶解。在实践中，当前常用的交换材料均能满足这一要求，而且如不考虑初始阶段，在正常流量和温度条件下用普通分析方法观察不出它们在周围介质温度中的真溶解度。对某些交换材料来说，一旦达到某一温度，这一点就不再真实了。产品必须呈最大均匀性的颗粒形状，而且其粒度必须能使透过的水头损失在容许的范围之内。交换物质状态改变时必须不致引起其物理结构的任何变形。交换材料可能需要用来固着大小和重量差异很大的离子或高解复体。在有些情况中这样会导致明显的膨胀或收缩。显然这种胀缩不得造成颗粒破裂。装置的设计必须能在最困难的情况下允许这种膨胀而不在床内引起过度应力。1

使用限制使用离子交换剂时永远不应忘记这样一些经常被忽视的限制：离子交换剂只有在有限浓度的液相中才起作用，并非万能的。离子交换剂是用以固着离子的， 而非为了滤除悬浮、胶体或乳化物质。后面这些物质只能缩短交换剂本身的寿命。溶解有机物质的复杂问题必须留待更细致的研究去解决。水中存在大量溶解气体会严重干扰交换剂的活性。强氧化剂Cl2和O3对某些树脂有害。一般说来， 在把实验室的结果用于生产规模时以及在阅读离子交换剂制造厂所提供的文件时均应十分慎重。设计和使用装置的规程和对交换物质本身的理论性能的知识是同样重要的。1

离子交换术语(1)离子交换材料的交换容量，指交换材料每单位体积(或在特种情况下每单位质量)能固者的离子重量。交换容量用每升密实的树脂交换的克当量数表示或用每单位体积交换的度数表示克当量和度的换算数在各国是不同的。

( 2 )总容量，指能够交换的最大重量，这是给定树脂的特性。

( 3 )有效容量，指上述容量中的可用部分，取决于具体应用的水力和化学条件。

( 4 )床容量，指每小时处理液的体积与树脂体积之比。

(5)离子流量，为床容量乘以水的含盐量(每小时每升树脂处理的亳克当量数)之积。

( 6 )再生率，指再生单位体积交换材料所用的再生剂重量。

( 7 )再生效率，再生剂的克当量用量按化学计量相应于换出离子的再生剂。

( 8 )泄漏率，指液体中应固着的离子处理后浓度与处理前依度之比(以%表示)。

( 9 )磨耗，指颗粒在使用过程中的机械磨损。2

离子交换剂的主要类型有两大类离子交换剂：阳离子交换剂，其分子含有形式为HSO3或HCO2的磺酸或羧酸的酸性基团，能固着无机或有机阳离子并能相互交换或与氢离子H+交换；阴离子交换剂，含有碱基团，例如叔胺或季铵官能团，能固着无机或有机阴离子，并能相互交换或与羟离子OH-交换。1

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学