陽(yang)離子交換樹(shu)脂物理(li)結(jie)構(gou) 陽(yang)離子交換樹(shu)脂物理(li)性質(zhi)

物理結構

離子樹脂常分(fen)為凝(ning)膠型和大孔型兩類。

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(zhe)類樹脂不能吸(xi)附大分(fen)子有(you)機物質，因后者的尺寸較(jiao)大，如(ru)蛋白質分(fen)子直徑為5～20nm，不能(neng)進入這類(lei)樹脂的顯微孔(kong)隙中。

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(da)小和(he)數(shu)量都可以在制(zhi)造時控制(zhi)。孔道的(de)表面積可以增大(da)到超過1000m2/g。這(zhe)不僅為離子(zi)(zi)交換提供了(le)良好的(de)接觸(chu)條件，縮短了(le)離子(zi)(zi)擴散的(de)路程(cheng)，還(huan)增(zeng)加(jia)了(le)許多鏈節活(huo)性中(zhong)心(xin)，通過分子(zi)(zi)間的(de)范德華(hua)引力（van de waal's force）產生分(fen)子吸(xi)(xi)附(fu)(fu)作用(yong)，能夠象活性(xing)炭那樣吸(xi)(xi)附(fu)(fu)各種非離子性(xing)物(wu)質，擴大(da)它的功能。一些不帶交換功能團的大(da)孔型樹(shu)脂也能夠吸(xi)(xi)附(fu)(fu)、分(fen)離多種物(wu)質，例(li)如(ru)化工廠廢水中的酚類物(wu)。

大(da)孔樹脂內部的孔隙又(you)多又(you)大(da)，表面積(ji)很(hen)大(da)，活(huo)性中心(xin)多，離子擴(kuo)散速度快(kuai)，離子交換(huan)速度也快(kuai)很(hen)多，約(yue)(yue)比凝膠(jiao)型(xing)樹脂快(kuai)約(yue)(yue)十倍。使用時(shi)的作用快(kuai)、效率高，所(suo)需處(chu)理時(shi)間縮短。大(da)孔樹脂還有多種(zhong)優點：耐(nai)(nai)溶(rong)脹，不(bu)易碎裂，耐(nai)(nai)氧(yang)化(hua)，耐(nai)(nai)磨損，耐(nai)(nai)熱及耐(nai)(nai)溫(wen)度變化(hua)，以(yi)及對有機大(da)分(fen)子物質(zhi)較易吸附和交換(huan)，因而(er)抗污染(ran)力強，并較容易再生。

物理性質

離子(zi)交換樹脂的顆(ke)粒尺寸和(he)有關的物理性(xing)質對它的工作(zuo)和(he)性(xing)能有很(hen)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(xian)增大流(liu)體通過的阻(zu)力(li)，降(jiang)低流(liu)量和生產能力(li)。

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……目篩網上(shang)的留(liu)存量(liang)，以(yi)90%粒子可以通過其相對應的(de)(de)篩孔直徑(jing)，稱為(wei)樹脂(zhi)的(de)(de)“有(you)效(xiao)粒徑(jing)”。多數通用的(de)(de)樹脂(zhi)產品(pin)的(de)(de)有(you)效(xiao)粒徑(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(de)篩(shai)孔直徑與有效粒徑的(de)比(bi)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(shai)及40目篩上留存粒子(zi)分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得均勻(yun)系數為(wei)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(du)為(wei)0.85g/ml；而丙烯酸(suan)系凝膠型(xing)弱酸(suan)陽離子樹脂的真(zhen)密度(du)為1.19g/ml，視密度為(wei)0.75g/ml。

樹脂的溶解性

離子交換樹(shu)脂(zhi)(zhi)(zhi)應為不溶性物質(zhi)。但(dan)樹(shu)脂(zhi)(zhi)(zhi)在(zai)合(he)成過程中夾雜(za)的聚合(he)度較低的物質(zhi)，及樹(shu)脂(zhi)(zhi)(zhi)分解生成的物質(zhi)，會在(zai)工作(zuo)運行(xing)時溶解出(chu)來。交聯(lian)度較低和(he)含(han)活性基團多的樹(shu)脂(zhi)(zhi)(zhi)，溶解傾向較大。

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(zhuan)為na，陰樹脂由(you)cl－轉為(wei)oh－，都因離子(zi)(zi)直徑增大而發生(sheng)膨(peng)脹(zhang)，增大樹脂(zhi)的(de)(de)體積。通(tong)常，交(jiao)聯(lian)度(du)低的(de)(de)樹脂(zhi)的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)度(du)較大。在設計離子(zi)(zi)交(jiao)換(huan)裝(zhuang)置時，必須考慮樹脂(zhi)的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)度(du)，以(yi)適應生(sheng)產運行時樹脂(zhi)中的(de)(de)離子(zi)(zi)轉換(huan)發生(sheng)的(de)(de)樹脂(zhi)體積變化。

耐用性

樹脂(zhi)顆粒使(shi)用(yong)時有(you)轉移、磨(mo)擦、膨脹和(he)收縮等(deng)變化，長(chang)期使(shi)用(yong)后會有(you)少(shao)量(liang)損耗和(he)破碎，故樹脂(zhi)要有(you)較高的(de)機(ji)械強度(du)和(he)耐磨(mo)性。通常，交(jiao)(jiao)聯度(du)低的(de)樹脂(zhi)較易碎裂，但樹脂(zhi)的(de)耐用(yong)性更主要地決定于交(jiao)(jiao)聯結構的(de)均勻程度(du)及(ji)其強度(du)。如大孔樹脂(zhi)，具有(you)較高的(de)交(jiao)(jiao)聯度(du)者，結構穩定，能耐反復再生(sheng)。

選擇性

高價離子(zi)(zi)(zi)通常被優先吸(xi)附(fu)(fu)，而低價離子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)較(jiao)弱。在(zai)同價的(de)(de)同類離子(zi)(zi)(zi)中，直徑較(jiao)大的(de)(de)離子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)被吸(xi)附(fu)(fu)較(jiao)強。一(yi)些陽離子(zi)(zi)(zi)被吸(xi)附(fu)(fu)的(de)(de)順(shun)序(xu)如下(xia)：

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。但對弱酸性陽(yang)樹脂，H+的選擇性最強。