陽離子交換樹脂物理(li)結構 陽離子交換樹脂物理(li)性質

物理結構

離子(zi)樹脂(zhi)常分(fen)為凝膠型(xing)和大孔型(xing)兩類。

凝膠型樹脂

凝膠型樹脂的高分子骨架，在干燥的情況下內部沒有毛細孔。它在吸水時潤脹，在大分子鏈節間形成很微細的孔隙，通常稱為顯微孔（micro-pore）。濕潤樹脂的平均孔徑為2～4nm（2×10－6～4×10－6mm）。

這類樹脂較適合用于吸附無機離子，它們的直徑較小，一般為0.3～0.6nm。這類(lei)樹(shu)脂(zhi)不能吸附(fu)大(da)分子有機物(wu)質，因(yin)后(hou)者(zhe)的尺寸較大(da)，如蛋白質分子直徑為5～20nm，不能(neng)進(jin)入這類樹(shu)脂(zhi)的顯微孔隙(xi)中。

大孔型樹脂

大孔型樹脂是在聚合反應時加入致孔劑，形成多孔海綿狀構造的骨架，內部有大量永久性的微孔，再導入交換基團制成。它并存有微細孔和大網孔（macro-pore），潤濕樹脂的孔徑達100～500nm，其大小和數量都(dou)可(ke)(ke)以在制造時控制。孔道的表面(mian)積可(ke)(ke)以增大到超過1000m2/g。這不僅為(wei)離(li)子(zi)交換提供了良(liang)好的(de)接觸條件(jian)，縮(suo)短了離(li)子(zi)擴散(san)的(de)路程，還增加(jia)了許多鏈節活性中心，通過分子(zi)間的(de)范德華引力（van de waal's force）產(chan)生分子吸(xi)附作用(yong)，能(neng)(neng)夠(gou)象活性炭那樣吸(xi)附各種非離子性物質(zhi)，擴大(da)它的功能(neng)(neng)。一(yi)些不帶交換功能(neng)(neng)團的大(da)孔型(xing)樹脂也能(neng)(neng)夠(gou)吸(xi)附、分離多種物質(zhi)，例如化工廠(chang)廢水中的酚類物。

大(da)(da)孔(kong)樹(shu)(shu)脂內部的孔(kong)隙又多又大(da)(da)，表面積很(hen)大(da)(da)，活性中(zhong)心多，離(li)子(zi)擴(kuo)散速度(du)快，離(li)子(zi)交換速度(du)也快很(hen)多，約比凝膠(jiao)型樹(shu)(shu)脂快約十(shi)倍。使用(yong)時的作用(yong)快、效率(lv)高，所需處理時間縮(suo)短。大(da)(da)孔(kong)樹(shu)(shu)脂還有(you)(you)多種優點：耐(nai)溶脹，不易(yi)碎裂，耐(nai)氧化(hua)，耐(nai)磨損，耐(nai)熱及(ji)耐(nai)溫度(du)變化(hua)，以及(ji)對(dui)有(you)(you)機大(da)(da)分子(zi)物質較易(yi)吸附和交換，因而(er)抗污染(ran)力強，并較容易(yi)再(zai)生(sheng)。

物理性質

離子交(jiao)換樹脂的(de)(de)顆粒尺寸(cun)和(he)有(you)關(guan)的(de)(de)物(wu)理性質對它的(de)(de)工作(zuo)和(he)性能有(you)很大影響。

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。樹脂顆粒較細者，反應速度較大，但細顆粒對液體通過的阻力較大，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，樹脂顆粒的大小應選擇適當。如果樹脂粒徑在0.2mm（約為70目）以下，會明顯增(zeng)大流體通過的阻力，降低流量和生產能力。

樹脂顆粒大小的測定通常用濕篩法，將樹脂在充分吸水膨脹后進行篩分，累計其在20、30、40、50……目(mu)篩網上的(de)留(liu)存量，以90%粒(li)(li)子(zi)可以通過其相對應的篩(shai)孔直徑(jing)，稱(cheng)為樹脂的“有效粒(li)(li)徑(jing)”。多數通用的樹脂產品的有效粒(li)(li)徑(jing)在0.4～0.6mm之間。

樹脂顆粒是否均勻以均勻系數表示。它是在測定樹脂的“有效粒徑”坐標圖上取累計留存量為40%粒子，相對應的篩孔(kong)直徑(jing)與有效粒徑(jing)的比例。如一種樹(shu)脂（ir-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及(ji)40目篩(shai)上留存粒子分別(bie)為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得(de)均勻系(xi)數(shu)為2.0。

樹脂的密度

樹脂在干燥時的密度稱為真密度。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度和交換基團的性質有關。通常，交聯度高的樹脂的密度較高，強酸性或強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，苯乙烯系凝膠型強酸陽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(ning)膠型(xing)弱酸陽離子樹脂的真密度為(wei)1.19g/ml，視密度為(wei)0.75g/ml。

樹脂的溶解性

離子交(jiao)換(huan)樹脂(zhi)(zhi)應為(wei)不(bu)溶(rong)(rong)性物質(zhi)。但樹脂(zhi)(zhi)在合成過程中夾雜的聚合度較低的物質(zhi)，及(ji)樹脂(zhi)(zhi)分解(jie)生成的物質(zhi)，會在工作運(yun)行(xing)時(shi)溶(rong)(rong)解(jie)出(chu)來(lai)。交(jiao)聯度較低和含活性基團多(duo)的樹脂(zhi)(zhi)，溶(rong)(rong)解(jie)傾向較大。

膨脹度

離子交換樹脂含有大量親水基團，與水接觸即吸水膨脹。當樹脂中的離子變換時，如陽離子樹脂由h轉為na，陰樹脂由cl－轉為(wei)oh－，都因離子(zi)直徑增(zeng)大(da)而發(fa)生膨脹(zhang)，增(zeng)大(da)樹(shu)脂(zhi)的體(ti)積。通常，交(jiao)聯度低的樹(shu)脂(zhi)的膨脹(zhang)度較(jiao)大(da)。在設計離子(zi)交(jiao)換裝置時，必須考慮(lv)樹(shu)脂(zhi)的膨脹(zhang)度，以(yi)適應生產運(yun)行(xing)時樹(shu)脂(zhi)中的離子(zi)轉換發(fa)生的樹(shu)脂(zhi)體(ti)積變化(hua)。

耐用性

樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)顆粒使用(yong)時有(you)轉移、磨擦(ca)、膨脹和(he)收(shou)縮等變化(hua)，長期(qi)使用(yong)后會有(you)少(shao)量損耗和(he)破碎，故樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)要有(you)較(jiao)高的機(ji)械強度(du)(du)和(he)耐磨性。通(tong)常(chang)，交聯度(du)(du)低(di)的樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)較(jiao)易碎裂，但樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)的耐用(yong)性更主要地決定(ding)于(yu)交聯結構的均勻程度(du)(du)及(ji)其強度(du)(du)。如大孔樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)，具(ju)有(you)較(jiao)高的交聯度(du)(du)者，結構穩定(ding)，能(neng)耐反(fan)復(fu)再(zai)生。

選擇性

高價(jia)離(li)子通(tong)常被(bei)(bei)優先吸附(fu)(fu)，而低價(jia)離(li)子的(de)吸附(fu)(fu)較弱。在(zai)同(tong)價(jia)的(de)同(tong)類離(li)子中，直徑(jing)較大的(de)離(li)子的(de)被(bei)(bei)吸附(fu)(fu)較強(qiang)。一些陽(yang)離(li)子被(bei)(bei)吸附(fu)(fu)的(de)順序如下：

Fe3+>Al3+>Ra2+>Pb2+>Sr2+>Ca2+>Ni2+>Cd2+>Cu2+>Co2+>Zn2+>Mg2+>Ba2+>K+>NH4+>Na+>Li+。

對強酸性陽樹脂，H+的選(xuan)擇性介于Na+和Li+之間。但對(dui)弱酸性陽(yang)樹脂，H+的選擇性最(zui)強(qiang)。