离子交换的基本知识

离子交换的基本知识

离子交换法(ion exchange process)是液相中的离子和固相中离子间

所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换

固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，

所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。

离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.1~1mm，其

离子交换能力依其交换能力特征可分：

1. 强酸型阳离子交换树脂：主要含有强酸性的反应基如磺酸基（－

SO3H），此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。

2. 弱酸型阳离子交换树脂：具有较弱的反应基如羧基（－COOH基），

此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+，对于强

碱中的离子如Ca2+、K+等无法进行交换。

3. 强碱型阴离子交换树脂：主要是含有较强的反应基如具有四面体

铵盐官能基之－N+(CH3)3，在氢氧形式下，－N+(CH3)3OH-中的氢

氧离子可以迅速释出，以进行交换，强碱型阴离子交换树脂可以和所

有的阴离子进行交换去除。

4. 弱碱型阴离子交换树脂：具有较弱的反应基如氨基，仅能去除强

酸中的阴离子如SO42-，Cl－或NO3－，对于HCO3－，CO32－或

SiO42－则无法去除。

不论是离子交换树脂或是沸石，都有其一定的可交换基浓度，称为离

子交换容量(ion exchange capacity)。对阳离子交换树脂而言，大约

在200~500meq/100g。因为阳离子交换为一化学反应，故必须遵守

质量平衡定律。

离子交换的基本知识

为了除去水中离子态杂质,现在采用得最普遍的方法是离子交换。这

种方法可以将水中离子态杂质清除得以较彻底，因而能制得很纯的

水。所以，在热力发电厂锅炉用水的制备工艺中，它是一个必要的步

骤。

离子交换处理，必须用一种称做离子交换剂的物质（简称交换剂）来

进行。这种物质遇水时，可以将其本身所具有的某种离子和水中同符

号的离子相互交换，离子交换剂的种类很多，有天然和人造、有机和

无机、阳离子型和阴离子型等之分，大概情况如表所示。此外，按结

构特征来分，还有大孔型和凝胶型等。

一、离子交换树脂基础介绍

离子交换树脂的全名称由分类名称、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。

离子交换树脂还可以根古代教育 据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸

系树脂。树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。

首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的

阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两

类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类 (或再分出中强酸和中强

碱性类)。

离子交换树脂的命名方式：

离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的

分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别基

因、交联剂等的差异。第一、第二位数字的意义，见表8-1。

表8-1 树脂型号中的一、二位数字的意义

代号 0 1 2 3 4 5 6

分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螫合性 两性 氧化还原性

骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 醋酸系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系

氯乙烯系

大孔树脂在型号前加“D”，凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“”号

连接阿拉伯数字表示。如D0117，表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子

交换树脂，其交联度为7。

离子交换树脂在国内外都有很多制造厂家和很多品琐窗 种。国内制造厂有

数十家，主要的有上海树脂有限公司、南开化工厂、晨光化工研究院

树脂厂、江苏色可赛思树脂有限公司、等；国外较著名的如美国Rohm

& Hass公司生产的Amberlite系列、Success公司生产Ionresin系

列、Dow化学公司的Dowex系列、法国Duolite系列和Asmit系列、

日本的Diaion系列，还有Ionac系列、Allassion系列等。树脂的牌

号多数由各制造厂或所在国自行规定。国外一些产品用字母C代表

阳离子树脂(C为cation的第一个字母)，A代表阴离子树脂(A为Anion

的第一个字母)，如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂，

亦分别代表阳树脂和阴树脂。我国化工部规定(HG2-884-76)，离子

交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分

类：0 代表强酸性，1代表弱酸性，2代表强碱性，3代表弱碱性，4

代表螯合性，5代表两性，6代表氧化还原。第二位数字代表不同的

骨架结构：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代

表环氧系等。第三位数字为顺序号，用以区别基巨流河 体、交联基等的差异。

此外大孔型树脂在数字前加字母D。因此，D001是大孔强酸性苯乙

烯系树脂。

二、离子交换树脂的基本类型

(1) 强酸性阳离子树脂

这类树脂含有大量的强酸性基团，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中

离解出H+，故呈强酸性。树脂离解后，本体所含的负电基团，如SO3

－，能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与

溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱

性溶液中均能离解和产生离子交换作用。

树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使离子交换

反应以相反方向进行，使树脂的官能基团回复原来状态，以供再次使

用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理，此时树脂放出被吸

附的阳离子，再与H+结合而恢复原来的组成。

(2) 弱酸性阳离子树脂

这类树脂含弱酸性基团，如羧基－COOH，能在水中离解出H+ 而呈

酸性。树脂离解后余下的负电基团，如R-COO－(R为碳氢基团)，

能与溶液中的其他阳离子吸附结合，从而产生阳离子交换作用。这种

树脂的酸性即离解性较弱，在低pH下难以离解和进行离子交换，只

能在碱性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。这类树脂亦是

用酸进行再生(比强酸性树脂较易再生)。

(3) 强碱性阴离子树脂

这类树脂含有强碱性基团，如季胺基(亦称四级胺基)－NR3OH(R为

碳小鸟的英语怎么读 氢基团)，能在水中离解出OH－而呈强碱性。这种树脂的正电基团

能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。

这种树脂的离解性很强，在不同pH下都能正常工作。它用强碱(如

NaOH)进行再生。

(4) 弱碱性阴离子树脂

这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(亦称一级胺基)-NH2、仲胺基(二

级胺基)-NHR、或叔胺基(三级胺基)-NR2，它们在水中能离解出OH

－而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，

从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个

其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件(如pH1～9)下工作。它

可用Na2CO3、NH4OH进行再生。

(5) 离子树脂的转型

以上是树脂的四种基本类型。在实际使用上，常将这些树脂转变为其

他离子型式运行，以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与

NaCl作用，转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+与溶

液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附，除去这些离子。反应时没

有放出H+，可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和

设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后，可用盐水再生(不用强酸)。

又如阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作时放出Cl－而吸附交换

其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸

氢型(HCO3－)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型

后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他典型

性能，如离解性强和工作的pH范围宽广等。

三、离子交换树脂基体的组成

离子交换树脂(ionresin)的基体(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙

烯酸(酯)两大类，它们分别与交联剂二乙烯苯产生聚合反应，形成具

有长分子主链及交联横链的网络骨架结构的聚合物。苯乙烯系树脂是

先使用的，丙烯酸系树脂则用得较后。

这两类树脂的吸附性能都很好，但有不同特点。丙烯酸系树脂能交换

吸附大多数离子型色素，脱色容量大，而且吸附物较易洗脱，便于再

生，在糖厂中可用作主要的脱色树脂。苯乙烯系树脂擅长吸附芳香族

物质，善于吸附糖汁中的多酚类色素(包括带负电的或不带电的)；但

在再生时较难洗脱。因此，糖液先用丙烯酸树脂进行粗脱色，再用苯

乙烯树脂进行精脱色，可充分发挥两者的长处。

树脂的交联度，即树脂基体聚合时所用二乙烯苯的百分数，对树脂的

性质有很大影响。通常，交联度高的树脂聚合得比较紧密，坚牢而耐

用，密度较高，内部空隙较少，对离子的选择性较强；而交联度低的

树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度较快，但在工作时的膨胀性

较大，机械中华民族共同体意识 强度稍低生日短语 ，比较脆而易碎。工业应用的离子树脂的交联度

一般不低于4%；用于脱色的树脂的交联度一般不高于8%；单纯用

于吸附无机离子的树脂，其交联度可较高。

除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以外，离子交换树脂还可由其

他有机单体聚合制成。如酚醛系(FP)、环氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、

脲醛系(UA)等。

有机物中引入磺基而形成磺酸。例如，称为苯磺酸。磺基连接在环上

时，一般地讲，以连接磺基的碳原子编号为"1"。例如，化合物称为2，

4-二硝基苯磺酸。

具有磺基的有机物大多溶于水，并且在水中磺基全部电离成氢离子。

因此，苯磺酸是一种强酸；含有磺基的阳离子交换树脂被称为强酸性

阳离子交换树脂，其中磺基上的氢原子可以作为阳离子与等离子交换

用之于软化硬水。