離子交換劑

能與溶液中的離子進行等當量交換反應的物質，常指用於離子交換操作的一類不溶、不熔的細粒固體。還可用作溶液中非電解質溶質的吸附劑和某些有機化學反應的催化劑。它的干品還用作有機液體的脫水劑。

製成膜狀的固體離子交換劑，稱為離子交換膜，它具有離子選擇透過性，用於膜分離操作。液體離子交換劑是一類具有離子交換功能的有機液體，作為萃取劑用於萃取操作。固態離子交換劑具有網狀空間結構的骨架，以連接可電離的交換基團。

根據交換基團的性質，離子交換劑分為兩類：陽離子交換劑，交換基團是酸基，電離后形成固定的陰離子，而可遷移的陽離子能與溶液中的陽離子進行交換；陰離子交換劑，交換基團是胺基，電離或與酸作用后形成固定的陽離子，而可遷移的陰離子能與溶液中的陰離子進行交換。對離子交換劑的基本要求是：交換容量(每克干離子交換劑能交換離子的毫克當量數)大，交換反應的選擇性高，對化學、熱、機械和輻照的穩定性好，交換速率高，溶脹性小。

離子交換劑分為無機質和有機質兩類。無機質主要是沸石，有機質有磺化煤和離子交換樹脂。沸石有天然沸石和合成沸石。天然沸石是最早應用的無機離子交換劑，是含有水的鈉、鈣以及鋇、鍶、鉀等硅鋁酸的鹽類。色淺，具玻璃光澤，是陽離子交換劑。除天然產品外，也有人工製成的合成沸石。它的交換容量低，在酸中不穩定，不能作氫離子交換，曾用於水的軟化。由於無機離子交換劑耐高溫和輻照，研製出鋯氧、鉻氧和鈦氧等的磷酸鹽或鎢酸鹽構成的陽離子交換劑，它們的交換容量高，應用於核工業中。

磺化煤 是煙煤用濃硫酸磺化的產物，是陽離子交換劑，含有磺酸基、羧基和酚羥基，用於水的脫鹼軟化。磺化煤價廉，但性能隨煤種而異，交換容量較低，性脆易碎，不耐磨耗。

離子交換樹脂 大都是苯乙烯與二乙烯苯的共聚物（見聚合物），也有的是丙烯酸系的共聚物或苯酚甲醛的縮聚物。離子交換樹脂按它的交換基團分成陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類：陽離子交換樹脂又分為強酸性與弱酸性，前者具有的磺酸基交換基團，適用於所有的酸性溶液，後者則是羧基、膦酸基或酚羥基，僅能用於中性至鹼性溶液，但交換容量大，容易再生。陰離子交換樹脂又分為強鹼性與弱鹼性，前者帶有季胺基，適用於所有鹼度的溶液，還能交換吸附弱酸；後者帶有叔胺基或仲胺基，僅能用於中性至酸性溶液，但交換容量大，容易再生。離子交換樹脂按物理結構又分為凝膠型和大孔型，前者是外觀透明的均相凝膠結構，離子通過基體的大分子鏈間孔隙，才能擴散到交換基團附近，只適用於交換一般無機離子。此外，還有大孔離子交換樹脂，在它的顆粒內有毛細孔道，具有非均相凝膠結構，適用於交換分子量較大的有機離子。近年為適應生物化學工程的需要，在葡聚糖或纖維素上引入交換基團，用於提取多肽、核酸等物質。

換離子交換水處理設備理是指採用離子交換劑，使交換劑中和水溶液中可交換離子產生符合等物質的量規則的可逆性交換，導致水質改善而交換劑的結構並不發生實質性(化學的)變化的水處理方式。

在這種水處理方式中，只有陽離子參與交換反應的，稱陽離子交換水處理；只有陰離子參與交換反應的，稱陰離子交換水處理；既有陽離子又有陰離子參與交換反應的，稱陽、陰離子交換水處理。

交換樹脂更換由於原水的水質千差萬別，而對出水水質的要求又多種多樣，所以有許多種類型的離子交換及某組合的水處理方法，採用這些水處理方法而使原水軟化、除鹼和除鹽。離子交換劑中參與交換反應的離子是鈉離子Na+時，此方法稱為鈉(Na)型離子交換法，此交換劑稱為鈉(Na)型陽離子交換劑，相類似的，有氫(H)型離子交換法及氫(H)型陽離子交換劑等。

鈉型離子交換法是工業鍋爐給水最通用的一種水處理方法。當原水經過鈉型離子交換劑時，水中的Ca2+、Mg2+等陽離子與交換劑中的Na+進行交換，降低了水的硬度，使水質得到軟化，故這種方法又稱為鈉離子交換軟化法。

(1)再生過程

在鈉離子交換過程中，當軟水出現了硬度，且殘留硬度超過水質標準規定時，則認為鈉離子交換劑已經失效。為了恢復其交換能力，就需要對交換劑進行再生(或還原)。再生過程是使含有大量鈉離子的氯化鈉(NaCl)溶液通過失效的交換劑層恢復其交換能力的過程。此時，鈉離子又被離子交換劑所吸著，而交換劑中的鈣、鎂離子被置換到溶液中去。鈉型離子交換劑的再生過程可用如下反應式表示：

CaR2 + 2NaCl——2NaR + CaCl2

MgR2 + 2NaCl——2NaR + MgCl2

生產中多採用食鹽(NaCl)溶液作為再生劑。因為食鹽比較容易得到，而且再生過程中所形成的產物(CaCl2、MgCl2)是可溶性鹽類，很容易隨再生液排出去。再生用食鹽，大都水處理設備採用工業用鹽，其中雜質含量不宜過多，食鹽溶液需澄清過濾后使用。通常認為，10%食鹽溶液的硬度不應超過40mmol/L，懸浮物不應大於2%。離子交換劑再生時，一般要用經過澄清的8～10%的鹽溶液。總的再生接觸時間隨離子交換樹脂交聯度的不同而變化，對於一般交聯度7%左右的強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，再生劑和樹脂總的接觸時間最低應保證45min以上。

(2)水處理設備交換過程

碳酸鹽硬度(暫硬)軟化過程：

Ca(HCO3)2 + 2NaR——CaR2 + 2NaHCO3

Mg(HCO3)2 + 2NaR——MgR2 + 2NaHCO3

非碳酸鹽硬度(永硬)軟化過程：

CaSO4 + 2NaR——CaR2 + Na2SO4

CaCl2 + 2NaR——CaR2 + 2NaCl

MgSO4 + 2NaR——MgR2 + Na2SO4

MgCl2 + 2NaR——MgR2 + 2NaCl

也可以用綜合上述反應式的離子式表示：

Ca2+ + 2NaR——CaR2 + 2Na+

Mg2+ + 2NaR——MgR2 + 2Na+