陽離(li)子(zi)交(jiao)換樹脂(zhi)物(wu)理結構 陽離(li)子(zi)交(jiao)換樹脂(zhi)物(wu)理性(xing)質

物理結構

離子樹脂(zhi)常(chang)分為凝膠型(xing)(xing)和大孔(kong)型(xing)(xing)兩類(lei)。

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)脂不能吸(xi)附大分子有機(ji)物質(zhi)(zhi)，因(yin)后者(zhe)的尺寸(cun)較大，如蛋(dan)白質(zhi)(zhi)分子直徑為5～20nm，不(bu)能進入(ru)這(zhe)類(lei)樹脂的顯微孔隙(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(da)小和(he)數量都可以在制造時控制。孔(kong)道的表(biao)面(mian)積可以增大(da)到超過(guo)1000m2/g。這不僅為離(li)子(zi)交換(huan)提供了良好的(de)接觸條件，縮短了離(li)子(zi)擴散的(de)路(lu)程，還增加(jia)了許(xu)多鏈節活性(xing)中心(xin)，通過(guo)分子(zi)間的(de)范(fan)德華引(yin)力（van de waal's force）產生分(fen)子吸(xi)附作用，能(neng)夠象活(huo)性炭那樣(yang)吸(xi)附各(ge)種非離子性物(wu)質，擴大它的(de)功(gong)能(neng)。一些不(bu)帶交換功(gong)能(neng)團的(de)大孔型(xing)樹(shu)脂(zhi)也能(neng)夠吸(xi)附、分(fen)離多種物(wu)質，例如化工廠(chang)廢水中的(de)酚類物(wu)。

大孔樹脂內部的孔隙又(you)多又(you)大，表面積很(hen)大，活性中心多，離子擴散(san)速(su)度快，離子交換(huan)速(su)度也快很(hen)多，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時(shi)(shi)的作用快、效(xiao)率高，所(suo)需處理(li)時(shi)(shi)間縮(suo)短。大孔樹脂還(huan)有(you)多種優點：耐(nai)(nai)溶脹，不易碎裂(lie)，耐(nai)(nai)氧(yang)化，耐(nai)(nai)磨(mo)損(sun)，耐(nai)(nai)熱及耐(nai)(nai)溫度變化，以及對有(you)機大分子物(wu)質較易吸附和交換(huan)，因而抗污染力強，并較容易再(zai)生。

物理性質

離(li)子交換樹脂的顆粒尺寸和有關的物理(li)性質對它的工(gong)作和性能有很大影響。

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(liu)體通過的阻力，降低流(liu)量和(he)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……目篩網上的留存量，以90%粒(li)子可以通過其相對應(ying)的(de)篩孔直徑(jing)，稱為樹(shu)脂(zhi)的(de)“有效粒(li)徑(jing)”。多數通用的(de)樹(shu)脂(zhi)產(chan)品的(de)有效粒(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(dui)應(ying)的篩孔直(zhi)徑與有效粒徑的比例。如(ru)一種樹脂（ir-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它(ta)在20目篩、30目篩及40目篩上留(liu)存粒子分別為(wei)：18.3%、41.1%、及31.3%，則計(ji)算得均勻系數(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(wei)0.85g/ml；而丙(bing)烯(xi)酸系凝膠型弱酸陽離子樹脂(zhi)的真(zhen)密度為1.19g/ml，視密度為(wei)0.75g/ml。

樹脂的溶解性

離子交(jiao)換樹(shu)脂(zhi)應為(wei)不溶(rong)性(xing)物(wu)質。但樹(shu)脂(zhi)在(zai)合成過(guo)程中夾雜的(de)聚合度(du)較低(di)的(de)物(wu)質，及樹(shu)脂(zhi)分解生成的(de)物(wu)質，會(hui)在(zai)工作運行時溶(rong)解出來。交(jiao)聯度(du)較低(di)和含活性(xing)基團多的(de)樹(shu)脂(zhi)，溶(rong)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轉為na，陰樹脂由(you)cl－轉為oh－，都(dou)因離(li)子(zi)(zi)直徑增(zeng)大(da)(da)而發(fa)生膨(peng)脹(zhang)，增(zeng)大(da)(da)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)的(de)體積(ji)。通常，交聯(lian)度低(di)的(de)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)的(de)膨(peng)脹(zhang)度較大(da)(da)。在(zai)設(she)計(ji)離(li)子(zi)(zi)交換裝置時，必須考慮樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)的(de)膨(peng)脹(zhang)度，以適應生產運行(xing)時樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)中(zhong)的(de)離(li)子(zi)(zi)轉換發(fa)生的(de)樹(shu)(shu)(shu)脂(zhi)(zhi)體積(ji)變化(hua)。

耐用性

樹脂顆粒(li)使用時有(you)轉移(yi)、磨擦、膨脹和(he)(he)收縮等變化，長期(qi)使用后會有(you)少量損耗和(he)(he)破碎，故樹脂要有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)機械強度和(he)(he)耐(nai)磨性。通常，交聯度低的(de)樹脂較(jiao)(jiao)易碎裂，但(dan)樹脂的(de)耐(nai)用性更主要地(di)決定于交聯結(jie)(jie)構的(de)均勻程(cheng)度及其強度。如大(da)孔樹脂，具有(you)較(jiao)(jiao)高的(de)交聯度者，結(jie)(jie)構穩定，能耐(nai)反(fan)復再生。

選擇性

高價(jia)離子(zi)通(tong)常(chang)被(bei)優(you)先(xian)吸附(fu)，而低價(jia)離子(zi)的吸附(fu)較弱。在同價(jia)的同類(lei)離子(zi)中，直徑較大的離子(zi)的被(bei)吸附(fu)較強。一(yi)些陽離子(zi)被(bei)吸附(fu)的順序如(ru)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+的選擇性介于Na+和Li+之間。但對(dui)弱酸性陽樹脂，H+的選擇性最強。