離子交換-百科詞條

　　以離子交換樹脂上的可交換離子與液相中離子間發生交換為基礎的分離方法。早在19世紀末就有人發現離子交換現象，並利用天然矽酸鹽來分離甜菜糖汁中的鈉和鉀。20世紀初合成瞭矽鋁酸鹽無機離子交換劑，並用於水的軟化和糖的處理；為瞭克服無機離子交換劑的缺點，於40年代合成磺化煤、陰離子和陽離子交換樹脂及磺化聚苯乙烯樹脂等，從而開始瞭離子交換分離的新階段。目前廣為應用的是合成離子交換樹脂。

　　合成離離子交換樹脂　它是具有網狀結構和可電離的活性基團的難溶性高分子電解質。樹脂骨架上的活性基團可電離的離子為陽離子時，能與溶液中的陽離子發生交換，稱為陽離子交換樹脂；活性基團可電離的離子為陰離子時，可與溶液中陰離子發生交換，稱為陰離子交換樹脂。若樹脂骨架上同時含有可電離的陽離子基團（又稱酸性基團）和陰離子基團（又稱堿性基團）時，稱為兩性離子交換樹脂，可用來分離非電解質溶液中的電解質。例如，可從甘油水溶液中除去電解質。骨架上具有能形成螯合物的基團者，稱為螯合樹脂，這種樹脂對高價金屬離子具有很高的親和力；骨架上具有氧化性或還原性基團者，稱為氧化還原樹脂。其中常用的陽離子交換樹脂，又可分為強酸、中強酸和弱酸性陽離子交換樹脂，它們適用的酸度范圍各不相同。陰離子交換樹脂又可分為強堿和弱堿性兩種，其適用酸度條件也各異。用於離子交換分離的樹脂，要求具有不溶性、一定的交聯度、溶脹作用，交換容量和穩定性高。

　　離子交換反應　反應是可逆的，而且等當量地進行。因此，可用質量作用定律來描述。但由於樹脂相內的活度系數難以測定，隻好用平衡時濃度乘積的比值來表示反應進行的程度。這個比值的大小表示某離子在樹脂上被選擇吸附的能力，叫做選擇系數(常用K_s表示)。K_s值隨離子的電荷增高、半徑增大而增加；同價離子交換時，其濃度改變對K_s無顯著影響；不等價離子發生交換反應時，濃度的變化對K_s值有顯著影響；同一離子與不同樹脂發生交換反應時，K_s值也不同；K_s值還隨交聯度的增大而增加。

　　不同離子發生交換反應的趨勢和程度各不相同，人們把容易發生交換反應的離子稱為交換勢大的離子，而K_s正好反映離子和樹脂發生交換反應的趨勢和程度。因此，將離子按照選擇系數大小順序排列，就得到離子的交換勢順序。由於交換勢受多種因素影響，至今尚難提出準確的理論來，但根據實驗事實，可得出如下規律：

　　①常溫下稀溶液中陽離子交換勢隨離子電荷的增高、半徑的增大而增大，例如：

Th⁴⁺＞Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺

Rb⁺＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺

La³⁺＞Ce³⁺＞Pr³⁺＞Nd³⁺＞Sm³⁺

交換勢的順序還和交聯度有關，但對一般交聯度（4％～12％）的樹脂，其交換勢順序大致為：

Ba²⁺＞Pb²⁺＞Ag⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Ni²⁺＞Cd²⁺＞

Cu²⁺＞Co²⁺＞Zn²⁺＞Mg²⁺＞Rb⁺＞UO₂²⁺＞K⁺＞

NH₄⁺＞Na⁺＞Li⁺

　　②常溫下稀溶液中陰離子在常用陰離子交換樹脂上的交換順序為：

檸檬酸根＞SO₄^2-＞C₂O₄^2-＞l^-＞NO₃^-＞CrO₄^2-＞

Br^-＞SCN^-＞Cl^-＞HCOO^-＞CH₃COC^-＞F^-

　　③弱酸性樹脂與H⁺結合後活性基團為弱酸型，不易電離，不易為別種離子置換；強酸樹脂與H⁺結合後，活性基團屬強電解質型，易電離，所以H⁺交換勢很低。

　　④OH^-與弱堿性樹脂交換時，OH^-的交換勢大於所有陰離子；與強堿性樹脂交換時，OH^-交換勢很低。

　　所有上述規律隻適於常溫稀溶液中的交換反應。若溫度增高，濃度增大或為非水溶液時，離子交換勢不遵守上述規律。

　　⑤高分子量的有機離子及金屬絡合陰離子具有很高的交換勢；高極化度的離子如Ag⁺、Tl⁺等也具有高的交換勢。

　　離子交換速率隨樹脂交聯度的增大而降低，隨顆粒減小而增大；離子電荷越低，半徑越大，反應速率越快；溫度增高，濃度增大，其交換反應速率也增快。

　　離子交換樹脂可以再生。將交換耗竭的離子交換樹脂轉化為所需要的型式叫做再生。再生時所用電解質溶液與耗竭的樹脂發生交換，使電解質溶液中的一種離子交換到樹脂上去。該電解質溶液稱為再生劑，常用的再生劑為酸、堿和鹽類。

　　應用　離子交換分離廣泛用於：①實驗室去離子水的制備和工業上水的軟化及高純水的制備。②試劑的制備，例如，硫酸、過氧化氫、次磷酸、三磷酸等。它有耗試劑少、純度高等優點。③溶液和物質的純化，例如，從中性鹽、有機物和溶劑中除去酸或堿，從酸、堿和鹽電解質中除去金屬離子，從有機物和非水溶劑中除去離子。④幹擾離子的除去，例如，測定陰離子時，用陽離子交換樹脂除去幹擾的金屬離子；測定陽離子時，用陰離子交換樹脂除去陰離子。⑤金屬離子的分離和核能材料的提取，例如，從堿金屬中分離過渡金屬離子，或從有V⁵⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺等離子共存下測定Na⁺或K⁺。將溶液流經檸檬酸鹽型式的強堿性樹脂柱，則過渡金屬離子被絡合而保留在樹脂上，而堿金屬離子在流出液中測定。此外，還可進行鈾的分離和純化。⑥痕量離子的濃縮，例如，可從1升到數升的湖水或河水中濃集微克級金屬離子。⑦總鹽濃度的測定。⑧鏈黴素和四環素的提取和純化。⑨在環境保護方面，可用於廢水中金屬離子的除去和回收、有機廢水的凈化等。

　　展望　50年代後發展起來的離子交換膜，已在冶金、化工、醫藥、食品和造紙等方面獲得應用。60年代末和70年代初，在經典離子交換色譜分離的基礎上，提出瞭高效離子交換色譜，由於采用小顆粒樹脂（一般為5～10微米）、高壓系統、自動進樣和監測，配以專用微機系統，使離子交換分離達到高效、高速和連續測定的目的和新的水平。例如，經典法分離稀土元素需要幾十到一百小時，而采用高效離子交換分離，隻要30～60分鐘。現在，用高效離子交換法分離重稀土，已接近小型工業化的實用程度。70年代中期又發展瞭離子色譜法，並有成套裝置在市場出售。目前主要用於空氣、水質污染、土壤、食品、海水、電鍍液及有機酸堿等的分析。由於離子交換分離的效能高，比較經濟，加上新離子交換樹脂的合成，結合紅外光譜和核磁共振譜的研究，離子交換分離的理論和應用必將得到更快的發展。

參考書目

　F.C.Nachod and J.Schubert，Ion Exchange Technology，Academic Press，New York，1956.