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離子交換原理
2011-09-19
關(guān)于離子交換過(guò)程的機(jī)理很多，其中，適于水處理工藝的，是將離子交換樹(shù)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(shù)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(shuō)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(shù)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(shuō)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(yáng)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(shù)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(guò)的離子交換樹(shù)脂一般用適當(dāng)濃度的無(wú)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(guò)程稱為再生。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂可用*、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹(shù)脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進(jìn)行再生。
離子交換過(guò)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(guò)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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