。
離子交換樹脂物理結(jié)構(gòu)
離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類
。
凝膠型離子交換樹脂
凝膠型離子交換樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內(nèi)部沒(méi)有毛細(xì)孔
。它在吸水時(shí)潤(rùn)脹，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙
，通常稱為顯微孔(micro-pore)
。濕潤(rùn)樹脂的平均孔徑為2～4nm(2×10－6 ～4×10－6mm)。 這類樹脂較適合用于吸附無(wú)機(jī)離子
，它們的直徑較小
，一般為0.3～0.6nm。這類樹脂不能吸附大分子有機(jī)物質(zhì)
，因后者的尺寸較大
，如蛋白質(zhì)分子直徑為5～20nm，不能進(jìn)入這類樹脂的顯微孔隙中
。
離子交換樹脂大孔型樹脂
大孔型離子交換樹脂是在聚合反應(yīng)時(shí)加入致孔劑
，形成多孔海綿狀構(gòu)造的骨架，內(nèi)部有大量性的微孔
，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成
。它并存有微細(xì)孔和大網(wǎng)孔(macro-pore)，潤(rùn)濕樹脂的孔徑達(dá)100～500nm
，其大小和數(shù)量都可以在制造時(shí)控制
。孔道的表面積可以增大到超過(guò)1000m2/g
。這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件
，縮短了離子擴(kuò)散的路程，還增加了許多鏈節(jié)活性中心
，通過(guò)分子間的范德華引力(van de waal's force)產(chǎn)生分子吸附作用
，能夠象
活性炭那樣吸附各種非離子性物質(zhì)，擴(kuò)大它的功能
。一些不帶交換功能團(tuán)的大孔型樹脂也能夠吸附
、分離多種物質(zhì)
，例如化工廠廢水中的酚類物。 大孔樹脂內(nèi)部的孔隙又多又大
，表面積很大
，活性中心多，離子擴(kuò)散速度快
，離子交換速度也快很多
，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時(shí)的作用快
、效率高
，所需處理時(shí)間縮短。大孔樹脂還有多種優(yōu)點(diǎn)：耐溶脹
，不易碎裂
，耐氧化，耐磨損
，耐熱及耐溫度變化
，以及對(duì)有機(jī)大分子物質(zhì)較易吸附和交換，因而抗污染力強(qiáng)
，并較容易再生
。
離子交換樹脂交換容量
離子交換樹脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能，表現(xiàn)在它的“離子交換容量”
，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)
，meq/g(干)或 meq/ml(濕)；當(dāng)離子為一價(jià)時(shí)
，毫克當(dāng)量數(shù)即是毫克分子數(shù)(對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子
，前者為后者乘離子價(jià)數(shù))。它又有“總交換容量”
、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式
。1、總交換容量
，表示每單位數(shù)量(重量或體積)樹脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量
。2、工作交換容量
，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力
，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成
、流速
、溫度等因素有關(guān)。 3
、再生交換容量
，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度
。
離子交換樹脂通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%(一般控制70～80%)
，而工作交換容量為再生交換容量的30～90%(對(duì)再生樹脂而言)
，后一比率亦稱為樹脂的利用率。 在實(shí)際使用中
，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量
，但后者所占的比例因樹脂結(jié)構(gòu)不同而異。現(xiàn)仍未能分別進(jìn)行計(jì)算
，在具體設(shè)計(jì)中
，需憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并在實(shí)際運(yùn)行時(shí)復(fù)核之
。 離子樹脂交換容量的測(cè)定一般以無(wú)機(jī)離子進(jìn)行
。這些離子尺寸較小，能自由擴(kuò)散到樹脂體內(nèi)
，與它內(nèi)部的全部交換基團(tuán)起反應(yīng)
。而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，溶液中常含有高分子有機(jī)物
，它們的尺寸較大
，難以進(jìn)入樹脂的顯微孔中
，因而實(shí)際的交換容量會(huì)低于用無(wú)機(jī)離子測(cè)出的數(shù)值
。這種情況與樹脂的類型、孔的結(jié)構(gòu)尺寸及所處理的物質(zhì)有關(guān)
。
離子交換樹脂物理性質(zhì)
離子交換樹脂的顆粒尺寸和有關(guān)的物理性質(zhì)對(duì)它的工作和性能有很大影響
。
離子交換樹脂顆粒尺寸
離子交換樹脂通常制成珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要
。樹脂顆粒較細(xì)者
，反應(yīng)速度較大，但細(xì)顆粒對(duì)液體通過(guò)的阻力較大
，需要較高的工作壓力
；特別是濃糖液粘度高，這種影響更顯著
。因此
，樹脂顆粒的大小應(yīng)選擇適當(dāng)。如果樹脂粒徑在0.2mm(約為70目)以下
，會(huì)明顯增大流體通過(guò)的阻力
，降低流量和生產(chǎn)能力。
離子交換樹脂顆粒大小的測(cè)定通常用濕篩法
，將樹脂在充分吸水膨脹后進(jìn)行篩分
，累計(jì)其在20
、30、40
、50……目篩網(wǎng)上的留存量
，以90%粒子可以通過(guò)其相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效粒徑”
。多數(shù)通用的樹脂產(chǎn)品的有效粒徑在0.4～0.6mm之間
。 樹脂顆粒是否均勻以均勻系數(shù)表示。它是在測(cè)定樹脂的“有效粒徑”坐標(biāo)圖上取累計(jì)留存量為40%粒子
，相對(duì)應(yīng)的篩孔直徑與有效粒徑的比例
。如一種樹脂(ir-120)的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩
、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%
、41.1%、及31.3%
，則計(jì)算得均勻系數(shù)為2.0
。
離子交換樹脂的密度
離子交換樹脂在干燥時(shí)的密度稱為真密度。濕樹脂每單位體積(連顆粒間空隙)的重量稱為視密度
。樹脂的密度與它的交聯(lián)度和交換基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)
。通常，交聯(lián)度高的樹脂的密度較高
，強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹脂的密度高于弱酸或弱堿性者
，而大孔型樹脂的密度則較低。例如
，苯乙烯系凝膠型強(qiáng)酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.26g/ml
，視密度為0.85g/ml；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽(yáng)離子樹脂的真密度為1.19g/ml
，視密度為0.75g/ml
。(3) 樹脂的溶解性離子交換樹脂應(yīng)為不溶性物質(zhì)。但樹脂在合成過(guò)程中夾雜的聚合度較低的物質(zhì)
，及樹脂分解生成的物質(zhì)
，會(huì)在工作運(yùn)行時(shí)溶解出來(lái)。交聯(lián)度較低和含活性基團(tuán)多的樹脂
，溶解傾向較大
。
離子交換樹脂膨脹度
離子交換樹脂含有大量親水基團(tuán)，與水接觸即吸水膨脹
。當(dāng)樹脂中的離子變換時(shí)
，如陽(yáng)離子樹脂由h 轉(zhuǎn)為na ，陰樹脂由cl－轉(zhuǎn)為oh－
，都因離子直徑增大而發(fā)生膨脹
，增大樹脂的體積
。通常，交聯(lián)度低的樹脂的膨脹度較大
。在設(shè)計(jì)離子交換裝置時(shí)
，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)樹脂中的離子轉(zhuǎn)換發(fā)生的樹脂體積變化
。
離子交換樹脂耐用性
樹脂顆粒使用時(shí)有轉(zhuǎn)移
、磨擦、膨脹和收縮等變化
，長(zhǎng)期使用后會(huì)有少量損耗和破碎
，故樹脂要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性。通常
，交聯(lián)度低的樹脂較易碎裂
，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的均勻程度及其強(qiáng)度。如大孔樹脂
，具有較高的交聯(lián)度者
，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能耐反復(fù)再生
。
離子交換樹脂注意事項(xiàng)
1
、離子交換樹脂含有一定水份，不宜露天存放
，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中應(yīng)保持濕潤(rùn)
，以免風(fēng)干脫水，使樹脂破碎
，如貯存過(guò)程中樹脂脫水了
，應(yīng)先用濃食鹽水（10%）浸泡
，再逐漸稀釋
，不得直接放入水中，以免樹脂急劇膨脹而破碎
。2
、 冬季儲(chǔ)運(yùn)使用中，應(yīng)保持在5-40℃的溫度環(huán)境中
，避免過(guò)冷或過(guò)熱
，影響質(zhì)量，若冬季沒(méi)有保溫設(shè)備時(shí)
，可將樹脂貯存在食鹽水中
，食鹽水濃度可根據(jù)氣溫而定。3
、離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中
，常含有少量低聚合物和未參加反應(yīng)的單體
，還含有鐵、鉛
、銅等無(wú)機(jī)雜質(zhì)
，當(dāng)樹脂與水、酸
、堿或其它溶液接觸時(shí)
，上述物質(zhì)就會(huì)轉(zhuǎn)入溶液中，影響出水質(zhì)量
，因此
，新樹脂在使用前必須進(jìn)行預(yù)處理，一般先用水使樹脂充分膨脹
，然后
，對(duì)其中的無(wú)機(jī)雜質(zhì)（主要是鐵的化合物）可用4-5%的稀鹽酸除去，有機(jī)雜質(zhì)可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去
，洗到近中性即可
。如在醫(yī)藥制備中使用，須用乙醇浸泡處理
。
4
、 離子交換樹脂在使用中，防止與金屬（如鐵
、銅等）油污
、有機(jī)分子微生物、強(qiáng)氧化劑等接觸
，免使離子交換能力降低
，甚至失去功能，因此
，須根據(jù)情況對(duì)樹脂進(jìn)行不定期的活化處理
，活化方法可根據(jù)污染情況和條件而定，一般陽(yáng)樹脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡
，然后逐步稀釋
，陰樹脂易受有機(jī)物污染，可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗
，必要時(shí)可用1%雙氧水溶液泡數(shù)分鐘
，其它，也可采用酸堿交替處理法
，漂白處理法
，酒精處理及各種滅菌法等等。 5、 新樹脂的預(yù)處理：離子交換樹脂的工業(yè)產(chǎn)品中
，常含有少量低聚物和未參加反應(yīng)的單體
