离子交换树脂原理

2018-03-19

   离子交换树脂无毒无害,作用于电力、石油、化工、轻工、冶金、电子医药、食品、研及三废治理等水处理领域,用于水中的各种阴阳离子的完美去除,这得益于离子交换树脂原理
   

   离子交换树脂原理即阴阳离子交换树脂原理,是离子交换树把溶液中的盐分脱离出来的过程:离子交换树脂作用环境中的水溶液中,含有的金属阳离子(Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)与阳离子交换树脂(含有的磺酸基(—SO3H)、羧基(—COOH)或苯酚基(—C6H4OH)等酸性基团,在水中易生成H+离子)上的H+ 进行离子交换,使得溶液中的阳离子被转移到树脂上,而树脂上的H+交换到水中,(即为阳离子交换树脂原理);水溶液中的阴离子(Cl-、HCO3-等)与阴离子交换树脂(含有季胺基[-N(CH3)3OH]、胺基(—NH2)或亚胺基(—NH2)等碱性基团,在水中易生成OH-离子)上的OH-进行交换,水中阴离子被转移到树脂上,而树脂上的OH-交换到水中,(即为阴离子交换树脂原理)。而H+与OH-相结合生成水,从而达到脱盐的目的,如下图:
    
   

           离子交换树脂原理图

   以氯化钠(NaCl)代表水中无机盐类,离子交换树脂工作原理(即水质除盐的基本反应可以用下列方程式表达):

      阳离子交换树脂:R—H+Na+ R—Na+H+

      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。


   
为了更好地理解离子交换树脂原理,我们要站在离子交换树脂系统中,了解离子交换树脂的概念、结构、作用:

   什么是离子交换树脂
   离子交换树脂是苯乙烯或丙烯酸、丙烯酯,通过聚合反应生成的三维空间体网状结构的基因,再在基因上导入不同类型的化学活性团而合成的不溶性高分子球形颗粒状聚合物。外观如下图:
     
   离子交换树脂分为阳离子树脂和阴离子树脂两大种类,阳离子树脂又分为强酸性树脂和弱酸性树脂两类,阴离子树脂又分为强碱性树脂和弱碱性树脂两类。

   离子交换树脂的结构
   离子交换树脂由不溶性的三维空间网状高分子骨架、连接在骨架上的离子功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子孔三部分构成,如图:
     
   高分子骨架:由交联的高分子聚合物组成,如交联的聚苯烯、聚丙烯酸等;
   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)的离子官能团[如-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl]等,或带有极性的非离子型官能团[如-N(CH3)2、-N(CH3)H等];
   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。  

   离子交换树脂的作用
   离子交换树脂作用主要是“离子交换法”制取纯水:原水中的各种无机盐电离生成的阳(钙、镁、铜、钠等金属离子)、阴离子(碳酸根、硝酸根、硫酸根等非金属离子),经过阳、阴树脂层(离子交换柱内的交换离子剂)时,跟树脂上的氢离子和氢氧根离子发生置换反应,而被树脂吸附,从树脂上置换下来的氢离子和氢氧根离子结合成了水分子(H2O),从而取得去除水中无机盐类的效果,达到制取脱盐纯水的目的,如图:
       

   由于离子交换作用是可逆的,因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤,可恢复到原状态而重复使用,这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗;阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理,进行再生。 
   为此离子交换树脂可理解成用化学合成法将高分子共聚物制成的有机单体颗粒的离子交换剂,是软化水水处理离子交换树脂。

      

      
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