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離子交換法是液相中的離子和固相中離子間所進(jìn)行的一種可逆性化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時(shí)，便會(huì)被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價(jià)離子回溶液中。

  陽(yáng)離子交換樹脂

離子交換樹脂一般呈現(xiàn)多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.5~1.0mm，其離子交換能力依其交換能力特征可分^[1]  ：

1. 強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂：主要含有強(qiáng)酸性的反應(yīng)基如磺酸基（－SO3H），此離子交換樹脂可以交換所有的陽(yáng)離子。

2.弱酸型陽(yáng)離子交換樹脂：具有較弱的反應(yīng)基如羧基（－COOH基），此離子交換樹脂僅可交換弱堿中的陽(yáng)離子如Ca2+、Mg2+，對(duì)于強(qiáng)堿中的離子如Na+、K+等無(wú)法進(jìn)行交換。

陽(yáng)離子樹脂是以苯乙烯和二乙烯苯聚合， 經(jīng)硫酸磺化而制得的聚合物。 生產(chǎn)過(guò)程中不含有明 膠及其它任何動(dòng)物提取物。陽(yáng)離子交換樹脂遇水可將其本身的某一種具有活性的離子和水中某電離子相互交換，即發(fā)生置換反應(yīng)，去除水中可溶解的離子。陽(yáng)離子交換樹脂有粉狀和球狀，都是人工合成的。

種類性能

離子交換樹脂在現(xiàn)代制糖工業(yè)中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和食用糖漿，多數(shù)使用離子交換樹脂將糖液脫色提純，而過(guò)去傳統(tǒng)用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉(zhuǎn)向使用離子交換樹脂的趨勢(shì)。

離子交換技術(shù)有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，某些天然物質(zhì)如泡沸石和用煤經(jīng)過(guò)磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究制成了許多種性能優(yōu)良的離子交換樹脂，并開發(fā)了多種新的應(yīng)用方法，離子交換技術(shù)迅速發(fā)展，在許多行業(yè)特別是*產(chǎn)業(yè)和科研領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近年國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的樹脂品種達(dá)數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬(wàn)噸。

在工業(yè)應(yīng)用中，離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復(fù)再生使用，工作壽命長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用較低(雖然一次投入費(fèi)用較大)。以離子交換樹脂為基礎(chǔ)的多種新技術(shù)，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具*的功能，可以進(jìn)行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還在迅速發(fā)展之中。

離子交換樹脂的應(yīng)用，是近年國(guó)內(nèi)外制糖工業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)研究課題，是糖業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。膜分離技術(shù)在糖業(yè)的應(yīng)用也受到廣泛的研究。

離子交換樹脂都是用有機(jī)合成方法制成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過(guò)聚合反應(yīng)生成具有三維空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的骨架，再在骨架上導(dǎo)入不同類型的化學(xué)活性基團(tuán)(通常為酸性或堿性基團(tuán))而制成。

離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑。大多數(shù)制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內(nèi)，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機(jī)械強(qiáng)度(堅(jiān)牢性)，化學(xué)性質(zhì)也很穩(wěn)定，在正常情況下有較長(zhǎng)的使用壽命。

離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學(xué)活性基團(tuán)，它即是交換官能團(tuán)，在水溶液中能離解出某些陽(yáng)離子(如h 或na )或陰離子(如oh－或cl－)，同時(shí)吸附溶液中原來(lái)存有的其他陽(yáng)離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來(lái)。

樹脂中化學(xué)活性基團(tuán)的種類決定了樹脂的主要性質(zhì)和類別。首先區(qū)分為陽(yáng)離子樹脂和陰離子樹脂兩大類，它們可分別與溶液中的陽(yáng)離子和陰離子進(jìn)行離子交換。陽(yáng)離子樹脂又分為強(qiáng)酸性和弱酸性兩類，陰離子樹脂又分為強(qiáng)堿性和弱堿性兩類 (或再分出中強(qiáng)酸和中強(qiáng)堿性類)。

離子交換樹脂根據(jù)其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂，及根據(jù)樹脂的物理結(jié)構(gòu)分為凝膠型和大孔型。

離子交換樹脂的品種很多，因化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同而具有不同的功能和特性，適應(yīng)于不同的用途。應(yīng)用樹脂要根據(jù)工藝要求和物料的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)念愋秃推贩N。

離子交換樹脂的基體(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)兩大類，它們分別與交聯(lián)劑二乙烯苯產(chǎn)生聚合反應(yīng)，形成具有長(zhǎng)分子主鏈及交聯(lián)橫鏈的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的，丙烯酸系樹脂則用得較后。

這兩類樹脂的吸附性能都很好，但有不同特點(diǎn)。丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數(shù)離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。苯乙烯系樹脂擅長(zhǎng)吸附芳香族物質(zhì)，善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負(fù)電的或不帶電的)；但在再生時(shí)較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹脂進(jìn)行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進(jìn)行精脫色，可充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處。

陽(yáng)離子交換樹脂

樹脂的交聯(lián)度，即樹脂基體聚合時(shí)所用二乙烯苯的百分?jǐn)?shù)，對(duì)樹脂的性質(zhì)有很大影響。通常，交聯(lián)度高的樹脂聚合得比較緊密，堅(jiān)牢而耐用，密度較高，內(nèi)部空隙較少，對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)；而交聯(lián)度低的樹脂孔隙較大，脫色能力較強(qiáng)，反應(yīng)速度較快，但在工作時(shí)的膨脹性較大，機(jī)械強(qiáng)度稍低，比較脆而易碎。工業(yè)應(yīng)用的離子樹脂的交聯(lián)度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯(lián)度一般不高于8%；單純用于吸附無(wú)機(jī)離子的樹脂，其交聯(lián)度可較高。

除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外，離子交換樹脂還可由其他有機(jī)單體聚合制成。如酚醛系(fp)、環(huán)氧系(epa)、乙烯吡啶系(vp)、脲醛系(ua)等。

交換容量

離子交換樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，meq/g(干)或 meq/ml(濕)；當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)，毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子，前者為后者乘離子價(jià)數(shù))。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。

1、總交換容量，表示每單位數(shù)量(重量或體積)樹脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量。

2、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關(guān)。

3、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度。

通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%(一般控制70～80%)，而工作交換容量為再生交換容量的30～90%(對(duì)再生樹脂而言)，后一比率亦稱為樹脂的利用率。

注意事項(xiàng)

1、離子交換樹脂含有一定水份，不宜露天存放，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)保持濕潤(rùn)，以免風(fēng)干脫水，使樹脂破碎，如貯存過(guò)程中樹脂脫水了，應(yīng)先用濃食鹽水（10%）浸泡，再逐漸稀釋，不得直接放入水中，以免樹脂急劇膨脹而破碎。

2、 冬季儲(chǔ)運(yùn)使用中，應(yīng)保持在5-40℃的溫度環(huán)境中，避免過(guò)冷或過(guò)熱，影響質(zhì)量，若冬季沒(méi)有保溫設(shè)備時(shí)，可將樹脂貯存在食鹽水中，食鹽水濃度可根據(jù)氣溫而定。

3、 離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚合物和未參加反應(yīng)的單體，還含有鐵、鉛、銅等無(wú)機(jī)雜質(zhì)，當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時(shí)，上述物質(zhì)就會(huì)轉(zhuǎn)入溶液中，影響出水質(zhì)量，因此，新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理，一般先用水使樹脂充分膨脹，然后，對(duì)其中的無(wú)機(jī)雜質(zhì)（主要是鐵的化合物）可用4-5%的*除去，有機(jī)雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去，洗到近中性即可。如在醫(yī)藥制備中使用，須用乙醇浸泡處理。

4、 樹脂在使用中，防止與金屬（如鐵、銅等）油污、有機(jī)分子微生物、強(qiáng)氧化劑等接觸，免使離子交換能力降低，甚至失去功能，因此，須根據(jù)情況對(duì)樹脂進(jìn)行不定期的活化處理，活化方法可根據(jù)污染情況和條件而定，一般陽(yáng)樹脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡，然后逐步稀釋，陰樹脂易受有機(jī)物污染，可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗，必要時(shí)可用1%雙氧水溶液泡數(shù)分鐘，其它，也可采用酸堿交替處理法，漂白處理法，酒精處理及各種滅菌法等等。

5、 新樹脂的預(yù)處理：離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中，常含有少量低聚物和未參加反應(yīng)的單體，還含有鐵、鉛、銅等無(wú)機(jī)雜質(zhì)。當(dāng)樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時(shí)，上述物質(zhì)就會(huì)轉(zhuǎn)入溶液中，影響出水質(zhì)量。因此，新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理。一般先用水使樹脂膨脹，然后，對(duì)其中的無(wú)機(jī)雜質(zhì)（主要是鐵的化合物）可用4-5%的*除去，有機(jī)雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去洗到近中性即可。