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離子交換原理
2011-09-19
關(guān)于離子交換過程的機(jī)理很多，其中，適于水處理工藝的，是將離子交換樹脂看作具有膠體型結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，這種上觀點(diǎn)認(rèn)為，在離子交換樹脂的高分子表面上有許多和膠體表面相似的雙電層。也就是說這里有兩層離子，緊鄰高分子表面的一層離子稱為內(nèi)層離子，在其外面是一層符號(hào)相反的離子層。
與膠體的命名法相似，我們常把和內(nèi)層離子符號(hào)相同的離子稱作同離子，符號(hào)相反的稱反離子。所以離子交換就是樹脂中原有反離子和溶液中它種反離子相互交換位置。
根據(jù)膠體結(jié)構(gòu)的概念，雙電層中的反離子按其活動(dòng)性的大小可劃分為固定層和擴(kuò)散層。那些活動(dòng)性能差，緊緊地被吸附在高分子表面的離子層，稱為固定層，在其外側(cè)，那些活動(dòng)性較大，向溶液中逐漸擴(kuò)散的反離子層，稱為擴(kuò)散層，因?yàn)檫@些反離子像地球上的大氣一樣，籠罩在高分子表面上，故又稱為離子氛。
內(nèi)層離子依靠化學(xué)鍵結(jié)合在高分子的骨架上，固定層中的反離子依靠異電荷的吸引力被固定著。而在擴(kuò)散層中的反離子，由于受到異電荷的吸引力較小，熱運(yùn)動(dòng)比較顯著，所以這些反離子有自高分子表面向溶液中漸漸擴(kuò)散的現(xiàn)象。
當(dāng)離子交換劑遇到含有電解質(zhì)的水溶液時(shí)，電解質(zhì)對(duì)其雙電層有以下幾種作用：
⑴交換作用。擴(kuò)散層中反離子在溶液中的活動(dòng)較自由，離子交換主要在此種反離子和溶液中其它反離子之間進(jìn)行，但并不局限于此。因動(dòng)平衡的關(guān)系，溶液中的反離子會(huì)先交換至擴(kuò)散層，然后再與固定層中的反離子互換位置。
在擴(kuò)散層中處于不同位置離子的能量是不相等的，那些和內(nèi)層離得遠(yuǎn)的反離子能量大，因此它們活潑，易和其他反離子交換；和內(nèi)層離得較近的反離子能量小，活動(dòng)性較差。這和多元酸或多元堿的多級(jí)電離情況相似。
⑵壓縮作用。當(dāng)溶液中鹽類濃度增大時(shí)，可以使擴(kuò)散層壓縮，從而使擴(kuò)散層中部分反離子變成固定層中的反離子，擴(kuò)散層的活動(dòng)范圍變小。這說明了為什么當(dāng)再生溶液的濃度太大時(shí)，不僅不能提高再生效果，有時(shí)反使再生效果降低。
離子交換反應(yīng)是可逆的，而且等當(dāng)量地進(jìn)行。由實(shí)驗(yàn)得知，常溫下稀溶液中陽離子交換勢(shì)隨離子電荷的增高，半徑的增大而增大；高分子量的有機(jī)離子及金屬絡(luò)合陰離子具有很高的交換勢(shì)。高極化度的離子如Ag+、Tl+等也有高的交換勢(shì)。離子交換速度隨樹脂交聯(lián)度的增大而降低，隨顆粒的減小而增大。溫度增高，濃度增大，交換反應(yīng)速率也增快。
由于離子交換作用是可逆的，因此用過的離子交換樹脂一般用適當(dāng)濃度的無機(jī)酸或堿進(jìn)行洗滌，可恢復(fù)到原狀態(tài)而重復(fù)使用，這一過程稱為再生。陽離子交換樹脂可用*、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進(jìn)行再生。
離子交換過程常在離子交換器中進(jìn)行。離子交換器類似壓力濾池，外殼為一鋼罐；離子交換通常采用過濾方式，濾床由交換劑構(gòu)成，底部為附有濾頭的管系。
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