离子交换原理及特点

① 离子交换法原理

采用碱性阴离子抄交换树脂，A-Cl + I- =A-I + Cl-。离子交换法一般应用于生化产品的制备、纯水的制备等。原理:根据目的物与杂质在不同pH下所带电荷的不同选择相应的离子交换树脂。你的实验是提取碘，在溶液中，碘离子带负电荷，那么就要选择阴离子交换树脂，要么强碱性，要么弱碱性，如果原液ph>9，就必须用强碱性树脂，在9以下，强碱弱碱都可以。你可以都试试。碘酸属于中强酸，优先选择弱碱性阳离子交换树脂。

② 离子交换树脂的原理及应用是什么

原理
离子交换树脂是一种聚合物，带有相应的功能基团。一般情况下，常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。当水中的钙镁离子含量高时，离子交换树脂可以释放出钠离子，功能基团与钙镁离子结合，这样水中的钙镁离子含量降低，水的硬度下降。硬水就变为软水，这是软化水设备的工作过程。
当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。
由于实际工作的需要， 软化水设备的标准工作流程主要包括：工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。

反洗：工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污物除去后，离子交换树脂才能完全曝露出来，再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入，从顶部流出，这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般需要5-15分钟左右。

吸盐(再生)：即将盐水注入树脂罐体的过程，传统设备是采用盐泵将盐水注入，全自动的设备是采用专用的内置喷射器将盐水吸入(只要进水有一定的压力即可)。在实际工作过程中，盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好，所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生，这个过程一般需要30分钟左右，实际时间受用盐量的影响。

慢冲洗(置换)：在用盐水流过树脂以后，用原水以同样的流速慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗，由于这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁离子被钠离子交换，根据实际经验，这个过程中是再生的主要过程，所以很多人将这个过程称作置换。这个过程一般与吸盐的时间相同，即30分钟左右。

快冲洗：为了将残留的盐彻底冲洗干净，要采用与实际工作接近的流速，用原水对树脂进行冲洗，这个过程的最后出水应为达标的软水。一般情况下，快冲洗过程为5-15分钟。
应用
1）水处理
水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。

2）食品工业
离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

3）制药行业
制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。

4）合成化学和石油化学工业
在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。
甲基叔丁基醚（MTBE）的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。

5）环境保护
离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。

6）湿法冶金及其他
离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。

其他补充：
离子交换技术有相当长的历史，某些天然物质如泡沸石和用煤经过磺化制得的磺化煤都可用作离子交换剂。但是，随着现代有机合成工业技术的迅速发展，研究制成了许多种性能优良的离子交换树脂，并开发了多种新的应用方法，离子交换技术迅速发展，在许多行业特别是高新科技产业和科研领域中广泛应用。近年国内外生产的树脂品种达数百种，年产量数十万吨。
在工业应用中，离子交换树脂的优点主要是处理能力大，脱色范围广，脱色容量高，能除去各种不同的离子，可以反复再生使用，工作寿命长，运行费用较低(虽然一次投入费用较大)。以离子交换树脂为基础的多种新技术，如色谱分离法、离子排斥法、电渗析法等，各具独特的功能，可以进行各种特殊的工作，是其他方法难以做到的。离子交换技术的开发和应用还在迅速发展之中。
离子交换树脂的应用，是近年国内外制糖工业的一个重点研究课题，是糖业现代化的重要标志。膜分离技术在糖业的应用也受到广泛的研究。

离子交换树脂都是用有机合成方法制成。常用的原料为苯乙烯或丙烯酸(酯)，通过聚合反应生成具有三维空间立体网络结构的骨架，再在骨架上导入不同类型的化学活性基团(通常为酸性或碱性基团)而制成。
离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状或粉状。树脂颗粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范围内，大部分在0.4～0.6mm之间。它们有较高的机械强度(坚牢性)，化学性质也很稳定，在正常情况下有较长的使用寿命。
离子交换树脂中含有一种(或几种)化学活性基团，它即是交换官能团，在水溶液中能离解出某些阳离子(如H+或Na+)或阴离子(如OH－或Cl－)，同时吸附溶液中原来存有的其他阳离子或阴离子。即树脂中的离子与溶液中的离子互相交换，从而将溶液中的离子分离出来。

离子交换树脂的品种很多，因化学组成和结构不同而具有不同的功能和特性，适应于不同的用途。应用树脂要根据工艺要求和物料的性质选用适当的类型和品种。

③ 离子交换器的工作原理

工作原理就是离子的交换。
运行时：阳树脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)
阴树脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)
其中M+为金属离子，X-为阴离子。
再生过程为其逆过程。
离子交换器的失效控制
离子交换除盐水处理最简单的流程为 阳床-阴床 组成的一级复床除盐系统。有的一级复床除盐系统采用单元制，即每套一级复床除盐系统包括 阳床、（除碳器）、阴床各一台，在离子交换除盐运行过程中，无论是阳床还是阴床先失效，都是同时再生；还有的一级复床除盐系统采用母管制，即阳床与阳床或阴床与阴床是并联运行的，哪一台交换器失效就再生哪一台。
1 检测和控制原理
强酸性阳树脂对水中各种阳离子的吸附顺序为：Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ；由此可知，水中金属离子Na+被吸附的能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，H+.最后被其他阳离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的Na+；因此监督阳离子交换器失效是以漏钠为标准的；其反应方程为（A代表金属阳离子,R为树脂基团）：
An+ +nRH=RnA+n H+
HCO3- + H+ =H2O+CO2↑
强碱性阴树脂对水中各种阴离子的吸附顺序为：SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知，HSiO3-的吸附能力最弱，所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移，OH-.被其他阴离子置换下来，当保护层穿透时，首先泄漏的是最下层的HSiO3-；因此监督阴离子交换器失效是以漏硅为标准的；其反应方程为（B代表酸根阴离子，R为树脂基团）：
Bm- +mROH=RmB+mOH-
2 控制点和控制方法
由于母管制系统包含了单元制系统,而且它具有能充分使用树脂、提高交换器的出水能力、降低酸碱消耗等优点，我们在研究中主要讨论以这种结构为基础的离子交换除盐水处理系统。
以成都生物制品研究所蛋白分离车间纯水站为例，该系统为母管制水处理系统，系统的结构为：砂滤-活性炭过滤-粗滤-阳床- 一阴-二阴-混床-精滤-纯水罐，系统产水能力为5 t/h，在系统的失效控制研究中，我们提出单元失效控制概念，也就是充分利用了母管制制水系统的优点对系统进行失效控制。
（1）RO对各有机溶质的去除率大于NF膜。（2）不同有机溶质的去除率不相同，有的甚至相差很大（例如，RO和NF膜对乙酸的吸光度去除率分别为95.34%、81.45%，而对苯胺的吸光度去除率则分别为61.50%、46.82%）。
3 出水水质
原水经一级复床除盐后，电导率（25℃）低于10μS/cm，水中硅含量低于100μg/L。

④ 离子交换法的原理

吸附（adsorption）
溶液中的离子与树脂上官能团发生反应，并结合到树脂上的过程。
淋洗（elution）
用一定浓度的淋洗剂将已吸附在离子交换树脂上的金属由树脂转移到水溶液中的过程，又称解吸。
转型（transformation）
将树脂从一种型式转变为其他离子型式的过程。
离子交换树脂（ion exchange resin）
一种带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构与不溶性的高分子聚合物。通常是球形颗粒物。
饱和树脂（loadedresin）
在某一特定条件下，当吸附尾液中被吸附离子的浓度与进料液中浓度相等或达到动态平衡时的离子交换树脂。
离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。不论是哪一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。

⑤ 离子交换树脂的工作原理

离子交换树脂原理即是离子交换树把溶液中的盐分脱离出来的过程：

离子交换树脂作用环境中的水溶液中，含有的金属阳离子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)与阳离子交换树脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，在水中易生成H+离子)上的H+进行离子交换，使得溶液中的阳离子被转移到树脂上，而树脂上的H+交换到水中，（即为阳离子交换树脂原理）。

水溶液中的阴离子(Cl-、HCO3-等)与阴离子交换树脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚胺基（—NH2）等碱性基团，在水中易生成OH-离子）上的OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中，（即为阴离子交换树脂原理）。而H+与OH-相结合生成水，从而达到脱盐的目的。

(5)离子交换原理及特点扩展阅读：

离子交换树脂使用方法：

1、预选。离子交换树脂的粒度一般控制在20-35目，有些可达到50目，因此在使用前要先干燥，粉碎，过筛，通常干燥时在烘箱中进行，亦可在装有五氧化二磷、氧化钙或者浓硫酸的干燥器中进行，粉碎时不要分得过细，否则影响实验收率。

2、预处理。强碱性离子交换树脂应先用20倍树脂体积的4%氢氧化钠水溶液处理，然后用10倍体积的水洗，再用10倍量4%盐酸处理，最后用蒸馏水洗至中性，然后将氯型转化成OH型，再转化成氯型，最后用10倍4%氢氧化钠水溶液处理。弱碱性离子交换树脂处理时只需用10倍量蒸馏水洗即可，不必洗至中性。

3、装柱。将处理好的树脂至于烧杯中，加水充分搅拌除掉气泡，静置几分钟待树脂大部分沉降后，倾去上层泥状颗粒；反复操作直至上层液澄清后，即可装柱。注意要在柱子底部放1cm后的玻璃丝，用玻璃棒将其压平，将树脂倒入柱子中，还要注意防止气泡产生。

4、树脂交换。将样品配制成一定浓度的水溶液，以适当流速通过柱子，亦可将样品溶液反复通过柱子，直到成分交换完全。用显色法检验成分是否交换彻底。

5、树脂洗脱。注意亲和力弱的成分先被洗下来，常用的离子交换树脂洗脱剂有强酸、强碱、盐类、不同pH缓冲溶液、有机溶液等，可选择梯度洗脱或者单一浓度洗脱。

6、树脂再生。

⑥ 离子交换的原理

有两种理论可用于研究交换过程的选择性：
① 多相化学反应理论假定离子A1与A2之间有如下的交换反应：
式中Z1和Z2分别为离子A1和A2的化合价;A1和A2表示存在于溶液相中的离子；凴1和凴2表示存在于树脂相中的离子。以离子浓度C代替活度，依据质量作用定律,可得出离子交换平衡常数为： 式中C1、C2、叿1和叿2分别为A1、A2、凴1和凴2的离子浓度。此常数又称选择性系数。
②膜平衡理论认为树脂表面相当于半透膜, 所交换的离子能自由通过；而连接在树脂骨架上的离子不能通过。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈尔公式：
式中R为摩尔气体常数;T为绝对温度；α1、α2、ā1和ā2分别为离子A1、A2、凴1和凴2的活度；π为渗透压;堸为位于树脂相的离子的偏摩尔体积。由上式可以看出，化合价较高、体积较小（即水化半径较小）的离子，将优先与树脂结合。因此，溶液中各种离子的化合价及体积相差越大，离子交换过程的选择性越高。 离子交换是一种液固相反应过程，必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。在常温下，交换反应的速度很快，不是控制因素。如果进行交换的离子在液相中的扩散速度较慢，称为外扩散控制，如果在固相中的扩散较慢，则称为内扩散控制。
早期的研究系从斐克定律（见分子扩散）出发，所导出的速率方程式只适用于同位素离子的交换。实际上，离子交换过程至少有两种离子反向扩散。如果它们的扩散速率不等，就会产生电场，此电场必对离子的扩散产生影响。考虑到此电场的影响，F.G.赫尔弗里希导出相应的速率方程为：
式中N为物质通量；D为扩散系数；F为法拉第常数；φ为电极电位。

⑦ 离子交换法与反渗透法各有什么特点

反渗透（RO）和离子交换（IE）的比较，反渗透与离子交换优缺点，由于水处理设备的工艺是根据不同的原水水质和出水要求而设计的，针对不同的原水水质特点而设计水处理方案才是最经济有效的方案，同时也是出水水质长期稳定达到要求的保证。除盐处理工艺的要求是多样的，用户对不同技术的看法也是不同。例如有些用户希望用反渗透技术，而有些用户则希望用更传统的技术如离子交换，另外有些用户则以低投资为主要考虑因素。

社会效益：反渗透是当今最先进的除盐技术，利用反渗透对水进行除盐，除盐率在97％以上。该工艺工作量轻，维护量极小，反渗透实行自动操作，人员配置较少，操作管理方便。

离子交换是七十年代以来普遍采用的除盐工艺，它是靠离子交换化学交换来完成对水进行除盐。该工艺操作量较多名维护量较大，人员配置较多，从目前锅炉除盐水工艺系统应用来看，离子交换逐渐被反渗透工艺所取代。反渗透是以电能为动力，无需酸碱再生，若离子交换的工作周期为1天，那么采用反渗透脱除原水97%的盐分，在用离子交换来担负3%的盐分，将使离子交换的工作周期延至长30天以上，极大程度减少酸碱再生废液的排放量，降低了对环境的影响，大大减轻了酸碱排放废水的处理负担。离子交换除盐化学交换，需要酸碱再生，其再生频率大，酸碱用量大，对周围的水和大气环境均有较大程度的影响。

⑧ 离子交换的基本原理

离子交换抄法是通过离袭子交换剂上的离子与水中离子交换以去除水中阴离子的方法。
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。

⑨ 离子交换膜的原理是什么

离子交换膜又称离子选择透过性膜。
按其功能和结构的不同，可分为阳专离子交换膜属、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合膜5种。离子交换膜的构造和离子交换树脂相同，但为膜的形式。
离子交换膜可制成均相膜和非均相膜两类。采用高分子的加工成型方法制造。①均相膜。先用高分子材料如丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈等制成膜，然后引入单体如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜内聚合成高分子，再通过化学反应引入所需功能基。也可通过甲醛、苯酚等单体聚合制得。②非均相膜。用粒度为200～400目的离子交换树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后加工成膜制得。为免失水干燥而变脆破裂，须保存在水中。
离子交换膜主要应用于海水淡化，甘油、聚乙二醇的除盐，放射性元素、同位素及氨基酸的分离，有机物及无机物纯化，放射性废液处理，燃料电池隔膜及选择性电极等。

⑩ 离子交换树脂的交换原理

离子交换树脂的内部结构，由三部分组成，分别是：

1、高分子骨。

由交联的高分子聚合物组成；

2、离子交换基团。

它连在高分子骨架上，带有可交换的离子（称为反离子）的离子型官能团或带有极性的非离子型官能团；

3、孔。

它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔（凝胶孔）和高分子结构之间的孔（毛细孔）。

在交联结构的高分子基体（骨架）上，以化学键结合着许多交换基团。这些交换基团也是由两部分组成：固定部分和活动部分。

交换基团中的固定部分被束缚在高分子的基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。反离子在溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定条件下，它能与符号相同的其他反离子发生交换反应。

1、离子交换的选择性定义：

离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。

离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于强酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。

2、以001×7强酸阳离子交换树脂为例说明：

001×7强酸阳离子交换树脂是一种凝胶型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当原水当中的Ca2+，Mg2+等阳离子-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Ca2+，Mg2+等阳离子选择性强于对H+的选择性，所以H+就与进入树脂孔道中的Ca2+，Mg2+等阳离子发生快速的交换反应，Ca2+，Mg2+等阳离子被固定到树脂交换基团上面，被交换下来的H+向树脂的孔道中-扩散，最终扩散到水中。

（1）边界水膜内的扩散

水中的Ca2+，Mg2+等阳离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面；

（2）交联网孔内的扩散（或称孔道扩散）

Ca2+，Mg2+等阳离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；

（03）离子交换

Ca2+，Mg2+等阳离子与树脂基团上的可交换的H+进行交换反应；

（4）交联网孔内的扩散

被交换下来的H+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散。

（5）边界水膜内的扩散

最终扩散到水中。

鉴于离子交换树脂反应的可逆性，反应后的树脂通过处理，重新转化为原来的离子交换树脂，这样又可以进入下一循环，其循环次数视所用树脂类型不同而定。