離子交換原理及特點

① 離子交換法原理

採用鹼性陰離子抄交換樹脂，A-Cl + I- =A-I + Cl-。離子交換法一般應用於生化產品的制備、純水的制備等。原理:根據目的物與雜質在不同pH下所帶電荷的不同選擇相應的離子交換樹脂。你的實驗是提取碘，在溶液中，碘離子帶負電荷，那麼就要選擇陰離子交換樹脂，要麼強鹼性，要麼弱鹼性，如果原液ph>9，就必須用強鹼性樹脂，在9以下，強鹼弱鹼都可以。你可以都試試。碘酸屬於中強酸，優先選擇弱鹼性陽離子交換樹脂。

② 離子交換樹脂的原理及應用是什麼

原理
離子交換樹脂是一種聚合物，帶有相應的功能基團。一般情況下，常規的鈉離子交換樹脂帶有大量的鈉離子。當水中的鈣鎂離子含量高時，離子交換樹脂可以釋放出鈉離子，功能基團與鈣鎂離子結合，這樣水中的鈣鎂離子含量降低，水的硬度下降。硬水就變為軟水，這是軟化水設備的工作過程。
當樹脂上的大量功能基團與鈣鎂離子結合後，樹脂的軟化能力下降，可以用氯化鈉溶液流過樹脂，此時溶液中的鈉離子含量高，功能基團會釋放出鈣鎂離子而與鈉離子結合，這樣樹脂就恢復了交換能力，這個過程叫作「再生」。
由於實際工作的需要， 軟化水設備的標准工作流程主要包括：工作(有時叫做產水，下同)、反洗、吸鹽(再生)、慢沖洗(置換)、快沖洗五個過程。不同軟化水設備的所有工序非常接近，只是由於實際工藝的不同或控制的需要，可能會有一些附加的流程。任何以鈉離子交換為基礎的軟化水設備都是在這五個流程的基礎上發展來的(其中，全自動軟化水設備會增加鹽水重注過程)。

反洗：工作一段時間後的設備，會在樹脂上部攔截很多由原水帶來的污物，把這些污物除去後，離子交換樹脂才能完全曝露出來，再生的效果才能得到保證。反洗過程就是水從樹脂的底部洗入，從頂部流出，這樣可以把頂部攔截下來的污物沖走。這個過程一般需要5-15分鍾左右。

吸鹽(再生)：即將鹽水注入樹脂罐體的過程，傳統設備是採用鹽泵將鹽水注入，全自動的設備是採用專用的內置噴射器將鹽水吸入(只要進水有一定的壓力即可)。在實際工作過程中，鹽水以較慢的速度流過樹脂的再生效果比單純用鹽水浸泡樹脂的效果好，所以軟化水設備都是採用鹽水慢速流過樹脂的方法再生，這個過程一般需要30分鍾左右，實際時間受用鹽量的影響。

慢沖洗(置換)：在用鹽水流過樹脂以後，用原水以同樣的流速慢慢將樹脂中的鹽全部沖洗干凈的過程叫慢沖洗，由於這個沖洗過程中仍有大量的功能基團上的鈣鎂離子被鈉離子交換，根據實際經驗，這個過程中是再生的主要過程，所以很多人將這個過程稱作置換。這個過程一般與吸鹽的時間相同，即30分鍾左右。

快沖洗：為了將殘留的鹽徹底沖洗干凈，要採用與實際工作接近的流速，用原水對樹脂進行沖洗，這個過程的最後出水應為達標的軟水。一般情況下，快沖洗過程為5-15分鍾。
應用
1）水處理
水處理領域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產量的90%，用於水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹脂的最大消耗量是用在火力發電廠的純水處理上，其次是原子能、半導體、電子工業等。

2）食品工業
離子交換樹脂可用於製糖、味精、酒的精製、生物製品等工業裝置上。例如：高果糖漿的製造是由玉米中萃出澱粉後，再經水解反應，產生葡萄糖與果糖，而後經離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹脂在食品工業中的消耗量僅次於水處理。

3）制葯行業
制葯工業離子交換樹脂對發展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質量改良具有重要作用。鏈黴素的開發成功即是突出的例子。近年還在中葯提成等方面有所研究。

4）合成化學和石油化學工業
在有機合成中常用酸和鹼作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應。用離子交換樹脂代替無機酸、鹼，同樣可進行上述反應，且優點更多。如樹脂可反復使用，產品容易分離，反應器不會被腐蝕，不污染環境，反應容易控制等。
甲基叔丁基醚（MTBE）的制備，就是用大孔型離子交換樹脂作催化劑，由異丁烯與甲醇反應而成，代替了原有的可對環境造成嚴重污染的四乙基鉛。

5）環境保護
離子交換樹脂已應用在許多非常受關注的環境保護問題上。目前，許多水溶液或非水溶液中含有有毒離子或非離子物質，這些可用樹脂進行回收使用。如去除電鍍廢液中的金屬離子，回收電影製片廢液里的有用物質等。

6）濕法冶金及其他
離子交換樹脂可以從貧鈾礦里分離、濃縮、提純鈾及提取稀土元素和貴金屬。

其他補充：
離子交換技術有相當長的歷史，某些天然物質如泡沸石和用煤經過磺化製得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現代有機合成工業技術的迅速發展，研究製成了許多種性能優良的離子交換樹脂，並開發了多種新的應用方法，離子交換技術迅速發展，在許多行業特別是高新科技產業和科研領域中廣泛應用。近年國內外生產的樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。
在工業應用中，離子交換樹脂的優點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎的多種新技術，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術的開發和應用還在迅速發展之中。
離子交換樹脂的應用，是近年國內外製糖工業的一個重點研究課題，是糖業現代化的重要標志。膜分離技術在糖業的應用也受到廣泛的研究。

離子交換樹脂都是用有機合成方法製成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網路結構的骨架，再在骨架上導入不同類型的化學活性基團(通常為酸性或鹼性基團)而製成。
離子交換樹脂不溶於水和一般溶劑。大多數製成顆粒狀，也有一些製成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度(堅牢性)，化學性質也很穩定，在正常情況下有較長的使用壽命。
離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學活性基團，它即是交換官能團，在水溶液中能離解出某些陽離子(如H+或Na+)或陰離子(如OH－或Cl－)，同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。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。

離子交換樹脂的品種很多，因化學組成和結構不同而具有不同的功能和特性，適應於不同的用途。應用樹脂要根據工藝要求和物料的性質選用適當的類型和品種。

③ 離子交換器的工作原理

工作原理就是離子的交換。
運行時：陽樹脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)
陰樹脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)
其中M+為金屬離子，X-為陰離子。
再生過程為其逆過程。
離子交換器的失效控制
離子交換除鹽水處理最簡單的流程為 陽床-陰床 組成的一級復床除鹽系統。有的一級復床除鹽系統採用單元制，即每套一級復床除鹽系統包括 陽床、（除碳器）、陰床各一台，在離子交換除鹽運行過程中，無論是陽床還是陰床先失效，都是同時再生；還有的一級復床除鹽系統採用母管制，即陽床與陽床或陰床與陰床是並聯運行的，哪一台交換器失效就再生哪一台。
1 檢測和控制原理
強酸性陽樹脂對水中各種陽離子的吸附順序為：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金屬離子Na+被吸附的能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，H+.最後被其他陽離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的Na+；因此監督陽離子交換器失效是以漏鈉為標準的；其反應方程為（A代表金屬陽離子,R為樹脂基團）：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
強鹼性陰樹脂對水中各種陰離子的吸附順序為：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以當離子交換時樹脂層的各種離子吸附層逐漸下移，OH-.被其他陰離子置換下來，當保護層穿透時，首先泄漏的是最下層的HSiO3-；因此監督陰離子交換器失效是以漏硅為標準的；其反應方程為（B代表酸根陰離子，R為樹脂基團）：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制點和控制方法
由於母管制系統包含了單元制系統,而且它具有能充分使用樹脂、提高交換器的出水能力、降低酸鹼消耗等優點，我們在研究中主要討論以這種結構為基礎的離子交換除鹽水處理系統。
以成都生物製品研究所蛋白分離車間純水站為例，該系統為母管制水處理系統，系統的結構為：砂濾-活性炭過濾-粗濾-陽床- 一陰-二陰-混床-精濾-純水罐，系統產水能力為5 t/h，在系統的失效控制研究中，我們提出單元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系統的優點對系統進行失效控制。
（1）RO對各有機溶質的去除率大於NF膜。（2）不同有機溶質的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜對乙酸的吸光度去除率分別為95.34%、81.45%，而對苯胺的吸光度去除率則分別為61.50%、46.82%）。
3 出水水質
原水經一級復床除鹽後，電導率（25℃）低於10μS/cm，水中硅含量低於100μg/L。

④ 離子交換法的原理

吸附（adsorption）
溶液中的離子與樹脂上官能團發生反應，並結合到樹脂上的過程。
淋洗（elution）
用一定濃度的淋洗劑將已吸附在離子交換樹脂上的金屬由樹脂轉移到水溶液中的過程，又稱解吸。
轉型（transformation）
將樹脂從一種型式轉變為其他離子型式的過程。
離子交換樹脂（ion exchange resin）
一種帶有官能團（有交換離子的活性基團）、具有網狀結構與不溶性的高分子聚合物。通常是球形顆粒物。
飽和樹脂（loadedresin）
在某一特定條件下，當吸附尾液中被吸附離子的濃度與進料液中濃度相等或達到動態平衡時的離子交換樹脂。
離子交換法是以圓球形樹脂(離子交換樹脂)過濾原水，水中的離子會與固定在樹脂上的離子交換。常見的兩種離子交換方法分別是硬水軟化和去離子法。硬水軟化主要是用在反滲透(RO)處理之前，先將水質硬度降低的一種前處理程序。軟化機裡面的球狀樹脂，以兩個鈉離子交換一個鈣離子或鎂離子的方式來軟化水質。
離子交換樹脂利用氫離子交換陽離子，而以氫氧根離子交換陰離子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯製成的陽離子交換樹脂會以氫離子交換碰到的各種陽離子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同樣的，以包含季銨鹽的苯乙烯製成的陰離子交換樹脂會以氫氧根離子交換碰到的各種陰離子(如Cl-)。從陽離子交換樹脂釋出的氫離子與從陰離子交換樹脂釋出的氫氧根離子相結合後生成純水。
陰陽離子交換樹脂可被分別包裝在不同的離子交換床中，分成所謂的陰離子交換床和陽離子交換床。也可以將陽離子交換樹脂與陰離子交換樹脂混在一起，置於同一個離子交換床中。不論是哪一種形式，當樹脂與水中帶電荷的雜質交換完樹脂上的氫離子及(或)氫氧根離子，就必須進行「再生」。再生的程序恰與純化的程序相反，利用氫離子及氫氧根離子進行再生，交換附著在離子交換樹脂上的雜質。

⑤ 離子交換樹脂的工作原理

離子交換樹脂原理即是離子交換樹把溶液中的鹽分脫離出來的過程：

離子交換樹脂作用環境中的水溶液中，含有的金屬陽離子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)與陽離子交換樹脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團，在水中易生成H+離子)上的H+進行離子交換，使得溶液中的陽離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中，（即為陽離子交換樹脂原理）。

水溶液中的陰離子(Cl-、HCO3-等)與陰離子交換樹脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團，在水中易生成OH-離子）上的OH-進行交換，水中陰離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的OH-交換到水中，（即為陰離子交換樹脂原理）。而H+與OH-相結合生成水，從而達到脫鹽的目的。

(5)離子交換原理及特點擴展閱讀：

離子交換樹脂使用方法：

1、預選。離子交換樹脂的粒度一般控制在20-35目，有些可達到50目，因此在使用前要先乾燥，粉碎，過篩，通常乾燥時在烘箱中進行，亦可在裝有五氧化二磷、氧化鈣或者濃硫酸的乾燥器中進行，粉碎時不要分得過細，否則影響實驗收率。

2、預處理。強鹼性離子交換樹脂應先用20倍樹脂體積的4%氫氧化鈉水溶液處理，然後用10倍體積的水洗，再用10倍量4%鹽酸處理，最後用蒸餾水洗至中性，然後將氯型轉化成OH型，再轉化成氯型，最後用10倍4%氫氧化鈉水溶液處理。弱鹼性離子交換樹脂處理時只需用10倍量蒸餾水洗即可，不必洗至中性。

3、裝柱。將處理好的樹脂至於燒杯中，加水充分攪拌除掉氣泡，靜置幾分鍾待樹脂大部分沉降後，傾去上層泥狀顆粒；反復操作直至上層液澄清後，即可裝柱。注意要在柱子底部放1cm後的玻璃絲，用玻璃棒將其壓平，將樹脂倒入柱子中，還要注意防止氣泡產生。

4、樹脂交換。將樣品配製成一定濃度的水溶液，以適當流速通過柱子，亦可將樣品溶液反復通過柱子，直到成分交換完全。用顯色法檢驗成分是否交換徹底。

5、樹脂洗脫。注意親和力弱的成分先被洗下來，常用的離子交換樹脂洗脫劑有強酸、強鹼、鹽類、不同pH緩沖溶液、有機溶液等，可選擇梯度洗脫或者單一濃度洗脫。

6、樹脂再生。

⑥ 離子交換的原理

有兩種理論可用於研究交換過程的選擇性：
① 多相化學反應理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應：
式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在於溶液相中的離子；凴1和凴2表示存在於樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度，依據質量作用定律,可得出離子交換平衡常數為： 式中C1、C2、叿1和叿2分別為A1、A2、凴1和凴2的離子濃度。此常數又稱選擇性系數。
②膜平衡理論認為樹脂表面相當於半透膜, 所交換的離子能自由通過；而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈爾公式：
式中R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度；α1、α2、ā1和ā2分別為離子A1、A2、凴1和凴2的活度；π為滲透壓;堸為位於樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出，化合價較高、體積較小（即水化半徑較小）的離子，將優先與樹脂結合。因此，溶液中各種離子的化合價及體積相差越大，離子交換過程的選擇性越高。 離子交換是一種液固相反應過程，必然涉及物質在液相和固相中的擴散過程。在常溫下，交換反應的速度很快，不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢，稱為外擴散控制，如果在固相中的擴散較慢，則稱為內擴散控制。
早期的研究系從斐克定律（見分子擴散）出發，所導出的速率方程式只適用於同位素離子的交換。實際上，離子交換過程至少有兩種離子反向擴散。如果它們的擴散速率不等，就會產生電場，此電場必對離子的擴散產生影響。考慮到此電場的影響，F.G.赫爾弗里希導出相應的速率方程為：
式中N為物質通量；D為擴散系數；F為法拉第常數；φ為電極電位。

⑦ 離子交換法與反滲透法各有什麼特點

反滲透（RO）和離子交換（IE）的比較，反滲透與離子交換優缺點，由於水處理設備的工藝是根據不同的原水水質和出水要求而設計的，針對不同的原水水質特點而設計水處理方案才是最經濟有效的方案，同時也是出水水質長期穩定達到要求的保證。除鹽處理工藝的要求是多樣的，用戶對不同技術的看法也是不同。例如有些用戶希望用反滲透技術，而有些用戶則希望用更傳統的技術如離子交換，另外有些用戶則以低投資為主要考慮因素。

社會效益：反滲透是當今最先進的除鹽技術，利用反滲透對水進行除鹽，除鹽率在97％以上。該工藝工作量輕，維護量極小，反滲透實行自動操作，人員配置較少，操作管理方便。

離子交換是七十年代以來普遍採用的除鹽工藝，它是靠離子交換化學交換來完成對水進行除鹽。該工藝操作量較多名維護量較大，人員配置較多，從目前鍋爐除鹽水工藝系統應用來看，離子交換逐漸被反滲透工藝所取代。反滲透是以電能為動力，無需酸鹼再生，若離子交換的工作周期為1天，那麼採用反滲透脫除原水97%的鹽分，在用離子交換來擔負3%的鹽分，將使離子交換的工作周期延至長30天以上，極大程度減少酸鹼再生廢液的排放量，降低了對環境的影響，大大減輕了酸鹼排放廢水的處理負擔。離子交換除鹽化學交換，需要酸鹼再生，其再生頻率大，酸鹼用量大，對周圍的水和大氣環境均有較大程度的影響。

⑧ 離子交換的基本原理

離子交換抄法是通過離襲子交換劑上的離子與水中離子交換以去除水中陰離子的方法。
離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會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離子回溶液中。

⑨ 離子交換膜的原理是什麼

離子交換膜又稱離子選擇透過性膜。
按其功能和結構的不同，可分為陽專離子交換膜屬、陰離子交換膜、兩性交換膜、鑲嵌離子交換膜、聚電解質復合膜5種。離子交換膜的構造和離子交換樹脂相同，但為膜的形式。
離子交換膜可製成均相膜和非均相膜兩類。採用高分子的加工成型方法製造。①均相膜。先用高分子材料如丁苯橡膠、纖維素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈等製成膜，然後引入單體如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜內聚合成高分子，再通過化學反應引入所需功能基。也可通過甲醛、苯酚等單體聚合製得。②非均相膜。用粒度為200～400目的離子交換樹脂和普通成膜性高分子材料如聚苯乙烯、聚氯乙烯等充分混合後加工成膜製得。為免失水乾燥而變脆破裂，須保存在水中。
離子交換膜主要應用於海水淡化，甘油、聚乙二醇的除鹽，放射性元素、同位素及氨基酸的分離，有機物及無機物純化，放射性廢液處理，燃料電池隔膜及選擇性電極等。

⑩ 離子交換樹脂的交換原理

離子交換樹脂的內部結構，由三部分組成，分別是：

1、高分子骨。

由交聯的高分子聚合物組成；

2、離子交換基團。

它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子（稱為反離子）的離子型官能團或帶有極性的非離子型官能團；

3、孔。

它是在干態和濕態的離子交換樹脂中都存在的高分子結構中的孔（凝膠孔）和高分子結構之間的孔（毛細孔）。

在交聯結構的高分子基體（骨架）上，以化學鍵結合著許多交換基團。這些交換基團也是由兩部分組成：固定部分和活動部分。

交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動，所以稱為固定離子；交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，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的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發生交換反應。

1、離子交換的選擇性定義：

離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。

離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於強酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。

2、以001×7強酸陽離子交換樹脂為例說明：

001×7強酸陽離子交換樹脂是一種凝膠型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當原水當中的Ca2+，Mg2+等陽離子-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Ca2+，Mg2+等陽離子選擇性強於對H+的選擇性，所以H+就與進入樹脂孔道中的Ca2+，Mg2+等陽離子發生快速的交換反應，Ca2+，Mg2+等陽離子被固定到樹脂交換基團上面，被交換下來的H+向樹脂的孔道中-擴散，最終擴散到水中。

（1）邊界水膜內的擴散

水中的Ca2+，Mg2+等陽離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面；

（2）交聯網孔內的擴散（或稱孔道擴散）

Ca2+，Mg2+等陽離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；

（03）離子交換

Ca2+，Mg2+等陽離子與樹脂基團上的可交換的H+進行交換反應；

（4）交聯網孔內的擴散

被交換下來的H+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散。

（5）邊界水膜內的擴散

最終擴散到水中。

鑒於離子交換樹脂反應的可逆性，反應後的樹脂通過處理，重新轉化為原來的離子交換樹脂，這樣又可以進入下一循環，其循環次數視所用樹脂類型不同而定。