離子交換材料離子交換劑的主要類型

有兩大類離子交換劑：陽離子交換劑，其分子含有形式為HSO₃或HCO₂的磺酸或羧酸的酸性基團，能固著無機或有機陽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，例如叔胺或季銨官能團，能固著無機或有機陰離子，并能相互交換或與羥離子OH-交換。 2100433B

(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的樹脂交換的克當量數(shù)表示或用每單位體積交換的度數(shù)表示克當量和度的換算數(shù)在各國是不同的。

( 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)用的水力和化學條件。

( 4 )床容量，指每小時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(每小時每升樹脂處理的亳克當量數(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，再生劑的克當量用量按化學計量相應(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，指顆粒在使用過程中的機械磨損。

使用離子交換劑時永遠不應(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。溶解有機物質(zhì)的復(fù)雜問題必須留待更細致的研究去解決。水中存在大量溶解氣體會嚴重干擾交換劑的活性。強氧化劑Cl₂和O₃對某些樹脂有害。一般說來， 在把實驗室的結(jié)果用于生產(chǎn)規(guī)模時以及在閱讀離子交換劑制造廠所提供的文件時均應(yīng)十分慎重。設(shè)計和使用裝置的規(guī)程和對交換物質(zhì)本身的理論性能的知識是同樣重要的。

材料的化學結(jié)構(gòu)，一般為大分子型，必須在其分子中含有一個或數(shù)個酸基團或堿基團。為了說明交換現(xiàn)象，這類基團的存在可把陽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。酸或堿的強度取決于分子核的本質(zhì)和與之聯(lián)結(jié)的基團，如HCO₂、HSO₃、 NH₃OH等。僅有一種基團的交換材料是單功能的， 例如HCO₂或HSO₃，如果分子中同時含有幾種性質(zhì)不同的基團則是多功能的，從而也就具有不同的離子強度，產(chǎn)品在正常使用條件下必須不溶解。在實踐中，當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在周圍介質(zhì)溫度中的真溶解度。對某些交換材料來說，一旦達到某一溫度，這一點就不再真實了。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)引起過度應(yīng)力。

離子交換纖維（Ion Exchange Fiber，簡稱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，具有獨特的化學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、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：強酸性陽離子交換纖維、弱酸性陽離子交換纖維、強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)于測定離子交換纖維的表觀酸堿特性的文獻見諸于世，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，電位滴定法是測定纖維酸堿性的一個重要方法。

化學穩(wěn)定性

離子交換纖維的化學穩(wěn)定性，是指纖維在化學因素作用下保持原有物理化學性質(zhì)的能力，由骨架聚合物和功能基團共同決定。離子交換纖維應(yīng)具有良好的化學穩(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。

機械性能

離子交換纖維的機械強度取決于它的制備工藝、化學功能基團數(shù)量以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密度。由于制備過程中，伴隨著多步化學反應(yīng)，原纖維骨架會發(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械強度明顯低于原化學合成纖維的強度，但適當強度足以滿足一般加工過程的使用要求?？傊?，在循環(huán)使用過程中離子交換纖維的機械性能與交換容量應(yīng)基本保持不變，才能使工藝過程穩(wěn)定。

交換吸附性能

對于離子交換纖維，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。

動力學性能

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行交換。

（2）雙電層理論：對離子交換的解釋建立在古維和斯特恩的雙電層模型上，這種模型認為離子交換樹脂在溶液中與膠體類似。存在一個雙電層。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)合的離子為可擴散移動的外層。擴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替代某些原來處于這一層中的離子，發(fā)生離子交換，這種交換按化學計量進行。

（3）道南膜理論：假定離子交換樹脂由不能滲透擴散的離子和能擴散的交換離子組成，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，在適當條件下，穿過假定膜發(fā)生交換。