离子交换树脂讲课课件

A. 离子交换树脂的原理

离子交换树脂是人工合成的颗粒状有机高分子化合物，有交换剂本体（有机高聚物内，用R表示）和交换容基团两部分组成。可以分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类
可以通过硬水处理的过程来理解。硬水先后通过分别装有阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的离子交换柱。硬水中的Ca2+ Mg2+等阳离子和Clˉ等阴离子先后与交换树脂中德H+和OHˉ起例子交换作用，从而软化硬水。例子方程式为
阳离子交换树脂的原理 2RSO3H+ Ca2+ = (RSO3)2Ca +2H+
阴离子交换树脂的原理 RN(CH3)3OH +Clˉ = RN(CH3)3Cl + OHˉ

B. 离子交换树脂如何概述

离子交换树脂的结构是怎样的?

离子交换树脂主要由高分子骨架和活性基团两部分组成。

(1)高分子骨架 高分子骨架也称母体结构。它是具有网状结构，不溶于酸或碱的高分子化合物。高分子骨架按其聚合单体，可以分为苯乙烯型和丙烯酸型等。

(2)活性基团 活性基团是由牢固地结合在高分子骨架上不能自由移动的官能团离子和可以自由移动的可交换离子两部分组成的：

1. 官能团离子。官能团离子决定着离子交换树脂的“酸性”或“碱性”和交换能力的强弱。

2. 官能团是强酸性的，就叫强酸性离子交换树脂。官能团离子是强酸性的，就叫强碱性离子交换树脂。
   

3. 同样，按官能团离子的性质，还有弱酸的、弱碱和其他类型的离子交换树脂
   

4. 可交换离子现代交换理论，把离子交换树脂看作是一种胶体型物质，高分子骨架是“胶核”，活性基团则作为高分子骨架的“双电层”。其中官能团和部分交换离子组成“吸附层”，另一部分可交换离子组成“扩散层”。由于可交换离子是可以自由移动的，因而可以与水中同符号的离子发生交换反应。

如果离子交换树脂上的可交换离子为阳离子，就叫H型阳离子交换树脂。同样，如果可交换离子为阴离子，就叫OH型阴离子交换树脂。其余可依此类推

C. 离子交换树脂的基本介绍

离子交换树脂来的全名自称由分类名称、骨架（或基因）名称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔”。分类属酸性的应在名称前加“阳”，分类属碱性的，在名称前加“阴”。如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。

D. 离子交换树脂法原理

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E. 离子交换树脂的交换原理

离子交换树脂的内部结构，由三部分组成，分别是：

1、高分子骨。

由交联的高分子聚合物组成；

2、离子交换基团。

它连在高分子骨架上，带有可交换的离子（称为反离子）的离子型官能团或带有极性的非离子型官能团；

3、孔。

它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔（凝胶孔）和高分子结构之间的孔（毛细孔）。

在交联结构的高分子基体（骨架）上，以化学键结合着许多交换基团。这些交换基团也是由两部分组成：固定部分和活动部分。

交换基团中的固定部分被束缚在高分子的基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。反离子在溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定条件下，它能与符号相同的其他反离子发生交换反应。

1、离子交换的选择性定义：

离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。

离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于强酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。

2、以001×7强酸阳离子交换树脂为例说明：

001×7强酸阳离子交换树脂是一种凝胶型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当原水当中的Ca2+，Mg2+等阳离子-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Ca2+，Mg2+等阳离子选择性强于对H+的选择性，所以H+就与进入树脂孔道中的Ca2+，Mg2+等阳离子发生快速的交换反应，Ca2+，Mg2+等阳离子被固定到树脂交换基团上面，被交换下来的H+向树脂的孔道中-扩散，最终扩散到水中。

（1）边界水膜内的扩散

水中的Ca2+，Mg2+等阳离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面；

（2）交联网孔内的扩散（或称孔道扩散）

Ca2+，Mg2+等阳离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；

（03）离子交换

Ca2+，Mg2+等阳离子与树脂基团上的可交换的H+进行交换反应；

（4）交联网孔内的扩散

被交换下来的H+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散。

（5）边界水膜内的扩散

最终扩散到水中。

鉴于离子交换树脂反应的可逆性，反应后的树脂通过处理，重新转化为原来的离子交换树脂，这样又可以进入下一循环，其循环次数视所用树脂类型不同而定。

F. 离子交换树脂

常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。
详细资料可参考www.nongsuofenli.com
软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。在离子交换过程中与离子交换剂交换基团作用能力强的离子从溶液中分出而进入交换剂，被交换离子则从交换剂分出而进入溶液。离子交换分离常在柱式设备中进行。由于操作方法的不同离子交换法又可分为淋洗法和排代法等。将离子交换剂装入交换柱中，含被分离物质的溶液由柱顶加入，使之在交换柱顶端发生交换吸附，然后用一种溶液(淋洗剂或排代剂)连续流过交换柱，使被分离离子在柱中实现多次离子交换吸附和解吸，最后达到不同离子间的分离。离子交换法的关键在于选择合适的离子交换剂和吸附、淋洗的条件。交换剂中交换基团的性质，交联度、粒度和交换容量的大小，对交换过程有重要影响。往溶液中加入络合剂可提高离子交换法的选择性，以获得更加良好的分离效果。

G. 离子交换树脂系统的工作原理

采用离子交换方法，可抄以把水中呈离子态的阳离子、阴离子去除，以氯化钠(NaCl)代表水中无机盐类，水质除盐的基本反应可以用下列方程式表达：
1、阳离子交换树脂：R—H + Na+= R—Na + H+
2、阴离子交换树脂：R—OH + Cl-= R—Cl + OH-
阳、阴离子交换树脂总的反应式即可写成：RH+ROH+NaCl——RNa+RCl+H2O
由此可看出，水中的NaCl已分别被树脂上的H+和OH-所取代，而反应生成物只有H2O，故达到了去除水中盐的作用。

H. 离子交换树脂的原理

离子交换树脂是由空间网状结构骨架（即母体）与附属在骨架上的许多活性内基团所构成的容不溶性高分子化合物。活性基团遇水电离，分成二部分：（1）固定部分，仍与骨架牢固结合，不能自由移动，构成固定离子；（2）活动部分，能在一定空间内自由移动，并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应，称为可交换离子或反离子。以强酸性阳离子交换树脂为例，可写成R-SO3-H+，其中R代表树脂母体即网状结构部分，-SO3- 代表活性基团的固定离子，H+为活性基团的可交换离子。有时更简单地写成R-H+。离子交换通过不溶性的电解质（树脂）与溶液中的另一种电解质进行化学反应。这一反应可以是中和反应、中性盐分解或复分解反应。譬如中和反应：
R-H+ + NaOH= RNa+H2O 利用这个反应可以去除水的碱度。