《離子交換材料》

使用離子交換劑時(shí)永遠(yuǎn)不應(yīng)忘記這樣一些經(jīng)常被忽視的限制：離子交換劑只有在有限濃度的液相中才起作用，并非萬(wàn)能的。離子交換劑是用以固著離子的， 而非為了濾除懸浮、膠體或乳化物質(zhì)。后面這些物質(zhì)只能縮短交換劑本身的壽命。溶解有機(jī)物質(zhì)的復(fù)雜問(wèn)題必須留待更細(xì)致的研究去解決。水中存在大量溶解氣體會(huì)嚴(yán)重干擾交換劑的活性。強(qiáng)氧化劑Cl₂和O₃對(duì)某些樹脂有害。一般說(shuō)來(lái)， 在把實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果用于生產(chǎn)規(guī)模時(shí)以及在閱讀離子交換劑制造廠所提供的文件時(shí)均應(yīng)十分慎重。設(shè)計(jì)和使用裝置的規(guī)程和對(duì)交換物質(zhì)本身的理論性能的知識(shí)是同樣重要的。

有兩大類離子交換劑：陽(yáng)離子交換劑，其分子含有形式為HSO₃或HCO₂的磺酸或羧酸的酸性基團(tuán)，能固著無(wú)機(jī)或有機(jī)陽(yáng)離子并能相互交換或與氫離子H 交換；陰離子交換劑，含有堿基團(tuán)，例如叔胺或季銨官能團(tuán)，能固著無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子，并能相互交換或與羥離子OH-交換。 2100433B

材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，一般為大分子型，必須在其分子中含有一個(gè)或數(shù)個(gè)酸基團(tuán)或堿基團(tuán)。為了說(shuō)明交換現(xiàn)象，這類基團(tuán)的存在可把陽(yáng)離子交換劑比作形式為H-R的酸，而陰離子交換劑比作形式為R-OH的堿。酸或堿的強(qiáng)度取決于分子核的本質(zhì)和與之聯(lián)結(jié)的基團(tuán)，如HCO₂、HSO₃、 NH₃OH等。僅有一種基團(tuán)的交換材料是單功能的， 例如HCO₂或HSO₃，如果分子中同時(shí)含有幾種性質(zhì)不同的基團(tuán)則是多功能的，從而也就具有不同的離子強(qiáng)度，產(chǎn)品在正常使用條件下必須不溶解。在實(shí)踐中，當(dāng)前常用的交換材料均能滿足這一要求，而且如不考慮初始階段，在正常流量和溫度條件下用普通分析方法觀察不出它們?cè)谥車橘|(zhì)溫度中的真溶解度。對(duì)某些交換材料來(lái)說(shuō)，一旦達(dá)到某一溫度，這一點(diǎn)就不再真實(shí)了。產(chǎn)品必須呈最大均勻性的顆粒形狀，而且其粒度必須能使透過(guò)的水頭損失在容許的范圍之內(nèi)。交換物質(zhì)狀態(tài)改變時(shí)必須不致引起其物理結(jié)構(gòu)的任何變形。交換材料可能需要用來(lái)固著大小和重量差異很大的離子或高解復(fù)體。在有些情況中這樣會(huì)導(dǎo)致明顯的膨脹或收縮。顯然這種脹縮不得造成顆粒破裂。裝置的設(shè)計(jì)必須能在最困難的情況下允許這種膨脹而不在床內(nèi)引起過(guò)度應(yīng)力。

(1)離子交換材料的交換容量，指交換材料每單位體積(或在特種情況下每單位質(zhì)量)能固者的離子重量。交換容量用每升密實(shí)的樹脂交換的克當(dāng)量數(shù)表示或用每單位體積交換的度數(shù)表示克當(dāng)量和度的換算數(shù)在各國(guó)是不同的。

( 2 )總?cè)萘?，指能夠交換的最大重量，這是給定樹脂的特性。

( 3 )有效容量，指上述容量中的可用部分，取決于具體應(yīng)用的水力和化學(xué)條件。

( 4 )床容量，指每小時(shí)處理液的體積與樹脂體積之比。

(5)離子流量，為床容量乘以水的含鹽量(每小時(shí)每升樹脂處理的亳克當(dāng)量數(shù))之積。

( 6 )再生率，指再生單位體積交換材料所用的再生劑重量。

( 7 )再生效率，再生劑的克當(dāng)量用量按化學(xué)計(jì)量相應(yīng)于換出離子的再生劑。

( 8 )泄漏率，指液體中應(yīng)固著的離子處理后濃度與處理前依度之比(以%表示)。

( 9 )磨耗，指顆粒在使用過(guò)程中的機(jī)械磨損。

離子交換纖維（Ion Exchange Fiber，簡(jiǎn)稱IEF） 是一種纖維狀離子交換材料，離子交換纖維作為新型功能高分子材料，具有獨(dú)特的化學(xué)及物理吸附和分離功能，在一些相關(guān)領(lǐng)域有著不可代替的作用，在環(huán)境保護(hù)、資源回收再生、醫(yī)藥、化工、冶金等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

離子交換纖維主要分為四類：強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換纖維、弱酸性陽(yáng)離子交換纖維、強(qiáng)堿性陰離子交換纖維、弱堿性陰離子交換纖維 。

酸堿特性

目前為止，已有不少關(guān)于測(cè)定離子交換纖維的表觀酸堿特性的文獻(xiàn)見諸于世，它密切聯(lián)系了凝結(jié)作用與吸附作用等界面反應(yīng)，是水化固體的重要特性之一，電位滴定法是測(cè)定纖維酸堿性的一個(gè)重要方法。

化學(xué)穩(wěn)定性

離子交換纖維的化學(xué)穩(wěn)定性，是指纖維在化學(xué)因素作用下保持原有物理化學(xué)性質(zhì)的能力，由骨架聚合物和功能基團(tuán)共同決定。離子交換纖維應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，例如，在各種酸（如 HCl、H2SO4）、堿（如NaOH、Na2CO3、NH4OH）、氧化性物質(zhì)（如 H2O2、K2Cr2O7、KMnO4）等中應(yīng)保持有一定的穩(wěn)定性。

機(jī)械性能

離子交換纖維的機(jī)械強(qiáng)度取決于它的制備工藝、化學(xué)功能基團(tuán)數(shù)量以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密度。由于制備過(guò)程中，伴隨著多步化學(xué)反應(yīng)，原纖維骨架會(huì)發(fā)生不同程度的鏈間交聯(lián)、支鏈化以及取向和晶體結(jié)構(gòu)的破壞，所以一般情況下離子交換纖維的機(jī)械強(qiáng)度明顯低于原化學(xué)合成纖維的強(qiáng)度，但適當(dāng)強(qiáng)度足以滿足一般加工過(guò)程的使用要求?？傊?，在循環(huán)使用過(guò)程中離子交換纖維的機(jī)械性能與交換容量應(yīng)基本保持不變，才能使工藝過(guò)程穩(wěn)定。

交換吸附性能

對(duì)于離子交換纖維，其交換容量為一定量的纖維所帶有的可交換離子的數(shù)量，是衡量纖維質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。離子交換纖維的交換容量取決于固定在纖維大分子結(jié)構(gòu)上的活性基數(shù)量及其解離程度和可及度，由于影響離子交換的因素較多，不同離子交換纖維的交換容量也相差較大。

動(dòng)力學(xué)性能

與顆粒狀離子交換材料相比，離子交換纖維具有較大的外比表面積和較短的傳質(zhì)距離，所以它具有更快的吸附與解吸速度，其吸附速度可高出前者幾倍、甚至十幾倍 。

（1）晶格交換理論：離子交換樹脂的交換機(jī)理與晶體中的晶格離子和電解質(zhì)溶液離子間的交換相似，可以把各種陽(yáng)離子和陰離子交換樹脂看做為具有大分子量的聚合電解質(zhì)，與離子交換樹脂中的功能基結(jié)合的離子像晶體的聯(lián)接離子一樣，可與相接觸的電解質(zhì)溶液中的某些離子進(jìn)行交換。

（2）雙電層理論：對(duì)離子交換的解釋建立在古維和斯特恩的雙電層模型上，這種模型認(rèn)為離子交換樹脂在溶液中與膠體類似。存在一個(gè)雙電層。離子交換樹脂的功能基構(gòu)成固定不變的內(nèi)層，與功能基結(jié)合的離子為可擴(kuò)散移動(dòng)的外層。擴(kuò)散外層中的離子一直延伸到外面溶液的介質(zhì)中，溶液中的一些離子將會(huì)替代某些原來(lái)處于這一層中的離子，發(fā)生離子交換，這種交換按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行。

（3）道南膜理論：假定離子交換樹脂由不能滲透擴(kuò)散的離子和能擴(kuò)散的交換離子組成，把離子交換樹脂看成是濃的電解質(zhì)溶液，離子交換樹脂和液的接觸界面作為膜，離子交換樹脂中的可交換離子和溶液中某些帶相同電荷的離子，在適當(dāng)條件下，穿過(guò)假定膜發(fā)生交換。