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離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)及其原理
一. 離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)
離子交換樹(shù)脂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖所示。由三部分組成，分別是：
(1)高分子骨架 由交聯(lián)的高分子聚合物組成：
(2)離子交換基團(tuán) 它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子(稱為反離子)的離子型官能團(tuán)或帶有極性的非離子型官能團(tuán)；
(3)孔 它是在干態(tài)和濕態(tài)的離子交換樹(shù)脂中都存在的高分子結(jié)構(gòu)中的孔(凝膠孔)和高分子結(jié)構(gòu)之間的孔(毛細(xì)孔)。
在交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體(骨架)上，以化學(xué)鍵結(jié)合著許多交換基團(tuán)，這些交換基團(tuán)也是由兩部分組成：固定部分和活動(dòng)部分。交換基團(tuán)中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動(dòng)，所以稱為固定離子；交換基團(tuán)的活動(dòng)部分則是與固定離子以離子鍵結(jié)合的符號(hào)相反的離子，稱為反離子或可交換離子。反離子在溶液中可以離解成自由移動(dòng)的離子，在一定條件下，它能與符號(hào)相同的其他反離子發(fā)生交換反應(yīng)。
二、離子交換的基本原理
離子交換的選擇性定義為離子交換劑對(duì)于某些離子顯示優(yōu)先活性的性質(zhì)。離子交換樹(shù)脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹(shù)脂吸附，但吸著后要把它置換下來(lái)就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來(lái)卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹(shù)脂對(duì)水中不同離子的選擇性與第一文庫(kù)網(wǎng)樹(shù)脂的交聯(lián)度、交換基團(tuán)、可交換離子的性質(zhì)、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關(guān)。離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團(tuán)上的可交換離子發(fā)生交換。一般來(lái)說(shuō)，離子交換樹(shù)脂對(duì)價(jià)數(shù)較高的離子的選擇性較大。對(duì)于同價(jià)離子，則對(duì)離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價(jià)的金屬離子中，原子序數(shù)較大的離子其水合半徑較小，陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)其的選擇性較大。對(duì)于強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，它對(duì)一些離子的選擇性順序?yàn)椋?/p>
Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，但是這種可逆反應(yīng)并不是在均相溶液中進(jìn)行的，而是在固態(tài)的樹(shù)脂和溶液的接觸界面間發(fā)生的。這種反應(yīng)的可逆性使離子交換樹(shù)脂可以反復(fù)使用。 以001×7強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂為例說(shuō)明：
001×7強(qiáng)酸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂是一種凝膠型離子交換樹(shù)脂，其內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中有無(wú)數(shù)四通八達(dá)的孔道，孔道里面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團(tuán)。當(dāng)原水當(dāng)中的Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子-擴(kuò)散到樹(shù)脂的孔道中時(shí)，由于該樹(shù)脂對(duì)Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子選擇性強(qiáng)于對(duì)H+的選擇性，，所以H+就與進(jìn)入樹(shù)脂孔道中的Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子發(fā)生快速的交換反應(yīng)，Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子被固定到樹(shù)脂
交換基團(tuán)上面，被交換下來(lái)的H+向樹(shù)脂的孔道中-擴(kuò)散，最終擴(kuò)散到水中。
(1)邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散 水中的Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子向樹(shù)脂顆粒表面遷移，并擴(kuò)散通過(guò)樹(shù)脂表面的邊界水膜層，到達(dá)樹(shù)脂表面；
(2)交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散(或稱孔道擴(kuò)散) Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子進(jìn)入樹(shù)脂顆粒內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)孔，并進(jìn)行擴(kuò)散，到達(dá)交換點(diǎn)；
(3)離子交換 Ca2+，Mg2+等陽(yáng)離子與樹(shù)脂基團(tuán)上的可交換的H+進(jìn)行交換反應(yīng)；
(4)交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散 被交換下來(lái)的H在樹(shù)脂內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)孔中向樹(shù)脂表面擴(kuò)散。
(5)邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散 最終擴(kuò)散到水中。
三、離子交換樹(shù)脂的再生
鑒于離子交換樹(shù)脂反應(yīng)的可逆性，反應(yīng)后的樹(shù)脂通過(guò)處理，重新轉(zhuǎn)化為原來(lái)的離子交換樹(shù)脂，這樣又可以進(jìn)入下一循環(huán)，其循環(huán)次數(shù)視所用樹(shù)脂類型不同而定。
1. 樹(shù)脂預(yù)處理
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