通过离子交换来分离可溶性物质

固体物可通过过滤的方式，将其从液体介质中分离出来，但可溶性物质则需要采用不同的方法。离子交换是指含有可溶性电离物质的溶液与固体物（离子交换材料，如阳离子树脂）之间进行可逆的离子交换，在这种交换中，固体物的结构不会发生永久性的变化。

基本上，离子交换过程如下：溶液穿过或流过含有可移动或可交换离子的离子交换树脂。溶质离子对树脂的亲和力比树脂上的离子更强时，溶质离子就会从溶液中去除，并被树脂上的可交换离子所取代。在水处理中，离子交换通常可以去除软化应用中的硬度和除盐应用中的所有溶解离子。离子交换还可用于去除饮用水中的硝酸盐、铬酸盐、砷和其他特定污染物。

离子交换工艺可以采用连续或分批模式进行，大多数水处理 离子交换工艺采用连续模式。连续离子交换过程在含有离子交换树脂颗粒的管柱或容器所构成的深床中进行；水流通常向下流动，流经树脂。当树脂容量耗尽时，便可再生。

结构和特点

市场上大约 85% 的离子交换树脂由聚苯乙烯基质构成。另有 10% 是由聚丙烯酸酯基质构成的丙烯酸树脂，剩余 5% 是由苯酚-甲醛等特种聚合物基质构成。

传统的离子交换树脂具有固定的交联聚合物基质，整个结构中可移动离子活性位点分布相对均匀。基质中交联程度影响着树脂的强度等属性, 因此交联程度的不同也决定了离子交换树脂的性能和“紧密性”或“松散性”。

离子交换树脂具有凝胶基质或微孔基质，并以颗粒或球形（珠状）形式制备，大多数离子交换树脂是球形的。

离子交换树脂的主要化学特性包括：

• 容量：可用于离子交换的位点数量（总容量），或衡量 IX 树脂在一组规定的条件下在管柱中运行时获得的使用性能（工作容量）。
• 膨胀：固定离子基团的水合作用，随着容量的增加而增加，直到达到树脂聚合物网格的极限。
• 选择性:树脂对离子的亲和力；选择性由离子的电荷和离子水合形式的大小决定。
• 动力学：离子交换的速度。
• 稳定性：降解的趋势或速度。

阳离子、阴离子、螯合和吸附树脂

离子交换树脂通过其所属的功能基团进行识别。树脂通常分为：

• 阳离子交换树脂
  • 强酸 (SAC)：它们的特点是能够交换阳离子或裂解中性盐；它们在整个 pH 值范围内都可使用。
  • 弱酸 (WAC)：对氢离子具有高亲和力，因此易使用强酸再生；对与碱度有关的碱土金属表现出高容量，而对碱金属的容量较有限。
• 阴离子交换树脂
  • 强碱 (SBA)
    • 1 型：现有最强碱性功能基团，对水除盐过程中常见的硅酸、碳酸等弱酸的亲和力最强；树脂再生为氢氧型的效率略低于 2 型。
    • 2 型：与 1 型树脂相比，碱性更低，但对于大多数应用而言，它的碱性足以去除弱酸阴离子；化学稳定性不如 1 型树脂，后者更适合高温应用；2 型树脂的再生效率显著高于 1 型树脂。
  • 弱碱 (WBA)：含有三级胺官能，可作为酸吸附树脂；能够高容量吸附强酸，且易于使用苛性碱再生；与强碱阴离子结合使用时，特别有效，具有较高的总体工作容量和再生效率。
• 特殊化学基团，例如用于湿法冶金工业的螯合树脂，特别适用于碱土金属和碱金属溶液中各种重金属的选择性交换。
• 吸附树脂：用于诸多行业的有机化合物去除，例如生物加工和废水处理等应用。