什么是离子交换?

[拼音]：lizi jiaohuan

[外文]：ion exchange

在固相和液相间进行的一种离子可逆交换过程。在过程中固相结构不发生永久性的改变。这种固相物质称为离子交换剂，如硅酸盐、磷酸盐、氧化铝、树脂、生物细胞以及许多无机物的沉淀都具有离子交换性质。早在19世纪中叶就有关于离子交换现象的叙述。20世纪初期离子交换技术已用于水的软化。1935年亚当斯 (B.A.Adams)和霍姆斯(E.L.Holmes)观察到某些合成树脂具有交换离子的能力。后来进一步发现磺酸型树脂可以作为稳定而交换量大的阳离子交换剂；聚胺型树脂表现出良好的阴离子交换性能。从1944年美国通用电气公司由聚苯乙烯制得了合成离子交换树脂后，现代离子交换技术才真正开始形成。50年代以来，离子交换技术在水处理，金属的提取、分离和回收，化学分析以及化合物提纯等方面，已有大规模工业应用。

离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。阳离子交换树脂都有高度聚合而紧密交联的结构，其中含有固定的极性阴离子基团，它的电荷由阳离子中和。这些阳离子交换树脂一般是溶解度极小的电解质，含有一个不能扩散的阴离子和一个简单的可以扩散的阳离子。这些树脂的离子性质主要由磺酸、羧酸或磷酸基等极性基团来决定，而与树脂结构的非极性部分无关。

在离子型固体中，阴离子的交换也可以用阳离子交换的理论加以解释。阴离子交换动力学也与阳离子十分相似。以聚胺型阴离子交换树脂为代表的阴离子交换剂，是一种聚电解质；其中的阳离子是高交联而带有电荷的不扩散离子，这些离子的电荷被扩散的阴离子所平衡。一般认为，离子交换速度决定于扩散速度，而扩散速度又与树脂颗粒大小、溶液的浓度、温度、交换容量的饱和度等有关。

离子交换反应是可逆的。当用过量的电解质水溶液洗涤树脂时，树脂全部转换为所需要盐的形式：垪A+＋B+─→垪B+＋A+

再用含A+ 溶液与此树脂接触时，将呈现一个再生平衡。此再生平衡决定于树脂的选择性，对于上述反应的选择系数K峮可以表示为：

式中m 和


分别表示溶液相和树脂相的A、B离子浓度。这个选择系数与平衡常数不同，它受浓度影响。


乘以


为校正选择系数，γ和峚 分别表示平衡状态下溶液中和树脂中A、B离子的活度系数。极强的氧化剂、高温及γ 射线照射等都会对离子交换树脂的稳定性产生影响。此外，尚有离子交换布、离子交换膜、液体阴离子交换树脂、选择性离子交换树脂以及电子交换树脂等，在性能上各有其特点。

离子交换已经广泛地成为化工和冶金的单元 *** 作。有多种方法使溶液与树脂接触，然而基本技术大致有间歇式 *** 作、管柱式 *** 作和流动层连续 *** 作。离子交换技术主要用于水的处理。以美国为例，处理水的用量超过总量的80％。另一重要用途是湿法冶金，包括：

（1）浓缩并提纯某些矿物浸取液中的金属组分；

（2）用一般方法难以分离的性质相似金属的提纯；

（3）回收冶金过程中残渣及废液中的金属组分；

（4）处理浮选法选矿用水；

（5）冶金工业废水的处理等。最突出的例子为铀的提取，镧系金属的分离与提纯(见稀土金属)、锕系金属的分离，一些有色重金属、贵金属的回收。随着用于冶炼的有色金属矿品位的不断下降和组分的复杂化，离子交换技术的应用将日益广泛。

中国从20世纪50年代即开始在工业上应用此种技术，并生产出多种牌号的阳离子交换树脂、阴离子交换树脂以及凝胶树脂、大孔树脂、大比重树脂(均相及非均相)、金属离子选择吸附树脂、离子纤维催化树脂、离子交换纤维、离子交换膜等。

参考书目

F.C.纳考德、J.修伯特主编，钱庭宝等译：《离子交换技术》，科学出版社，北京，1960。(F.C.Nachod & J. Schubert，Ion Exchange Technology，Academic Press，New York，1956.)李基森等编译：《离子交换膜及其应用》，科学出版社，北京，1977。

参考文章

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