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簡(jiǎn)介離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進(jìn)行的的一種可逆性化學(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。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. 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。種類和性能　　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高級(jí)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(kāi)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)特別是高新科技產(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，各具獨(dú)特的功能，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(kāi)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。基體組成　　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。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。物理結(jié)構(gòu)　　離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。凝膠型樹脂　　凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒(méi)有毛細(xì)孔。它在吸水時(shí)潤(rùn)脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔(micro-pore)。濕潤(rùn)樹脂的平均孔徑為2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。　　這類樹脂較適合用于吸附無(wú)機(jī)離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機(jī)物質(zhì)，因后者的尺寸較大，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進(jìn)入這類樹脂的顯微孔隙中。大孔型樹脂　　大孔型樹脂是在聚合反應(yīng)時(shí)加入致孔劑，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量性的微孔，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成。它并存有微細(xì)孔和大網(wǎng)孔(macro-pore)，潤(rùn)濕樹脂的孔徑達(dá)100～500nm，其大小和數(shù)量都可以在制造時(shí)控制。孔道的表面積可以增大到超過(guò)1000m2/g。這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴(kuò)散的路程，還增加了許多鏈節(jié)活性中心，通過(guò)分子間的范德華引力(van de waals force)產(chǎn)生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴(kuò)大它的功能。一些不帶交換功能團(tuán)的大孔型樹脂也能夠吸附、分離多種物質(zhì)，例如化工廠廢水中的酚類物。　　大孔樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴(kuò)散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時(shí)的作用快、效率高，所需處理時(shí)間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點(diǎn)：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對(duì)有機(jī)大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強(qiáng)，并較容易再生。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。　　在實(shí)際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異。現(xiàn)仍未能分別進(jìn)行計(jì)算，在具體設(shè)計(jì)中，需憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并在實(shí)際運(yùn)行時(shí)復(fù)核之。　　離子樹脂交換容量的測(cè)定一般以無(wú)機(jī)離子進(jìn)行。這些離子尺寸較小，能自由擴(kuò)散到樹脂體內(nèi)，與它內(nèi)部的全部交換基團(tuán)起反應(yīng)。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溶液中常含有高分子有機(jī)物，它們的尺寸較大，難以進(jìn)入樹脂的顯微孔中，因而實(shí)際的交換容量會(huì)低于用無(wú)機(jī)離子測(cè)出的數(shù)值。這種情況與樹脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)。物理性質(zhì)　　離子交換樹脂的顆粒尺寸和有關(guān)的物理性質(zhì)對(duì)它的工作和性能有很大影響。樹脂顆粒尺寸　　離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要。樹脂顆粒較細(xì)者，反應(yīng)速度較大，但細(xì)顆粒對(duì)液體通過(guò)的阻力較大，需要較高的工作壓力；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著。因此，樹脂顆粒的大小應(yīng)選擇適當(dāng)。如果樹脂粒徑在0.2mm(約為70目)以下，會(huì)明顯增大流體通過(guò)的阻力，降低流量和生產(chǎn)能力。樹脂顆粒大小的測(cè)定通常用濕篩法，將樹脂在充分吸水膨脹后進(jìn)行篩分，累計(jì)其在20、30、40、50……目篩網(wǎng)上的留存量，以90%粒子可以通過(guò)其相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效粒徑”。多數(shù)通用的樹脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間。　　樹脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測(cè)定樹脂的“有效粒徑”坐標(biāo)圖上取累計(jì)留存量為40%粒子，相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹脂(ir-120)的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計(jì)算得均勻系數(shù)為2.0。樹脂的密度　　樹脂在干燥時(shí)的密度稱為真密度。濕樹脂每單位體積(連顆粒間空隙)的重量稱為視密度。樹脂的密度與它的交聯(lián)度和交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)。通常，交聯(lián)度高的樹脂的密度較高，強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹脂的密度高于弱酸或弱堿性者，而大孔型樹脂的密度則較低。例如，苯乙烯系凝膠型強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.26g/ml，視密度為0.85g/ml；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.19g/ml，視密度為0.75g/ml。　　(3) 樹脂的溶解性　　離子交換樹脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)，及樹脂分解生成的物質(zhì)，會(huì)在工作運(yùn)行時(shí)溶解出來(lái)。交聯(lián)度較低和含活性基團(tuán)多的樹脂，溶解傾向較大 。膨脹度　　離子交換樹脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹。當(dāng)樹脂中的離子變換時(shí)，如陽(yáng)離子樹脂由h 轉(zhuǎn)為na ，陰樹脂由cl－轉(zhuǎn)為oh－，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹，增大樹脂的體積。通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大。在設(shè)計(jì)離子交換裝置時(shí)，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化。耐用性　　樹脂顆粒使用時(shí)有轉(zhuǎn)移、磨擦、膨脹和收縮等變化，長(zhǎng)期使用后會(huì)有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。通常，交聯(lián)度低的樹脂較易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強(qiáng)度。如大孔樹脂，具有較高的交聯(lián)度者，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐反復(fù)再生 。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%的稀鹽酸除去，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%的稀鹽酸除去，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。