陽離(li)子(zi)交換樹脂物理結構 陽離(li)子(zi)交換樹脂物理性(xing)質

物理結構

離子(zi)樹脂常(chang)分為凝膠型和大孔(kong)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。這類樹脂不能吸附(fu)大分子有機物質，因后者的尺寸(cun)較大，如蛋白(bai)質分子直徑為5～20nm，不能進(jin)入(ru)這(zhe)類樹(shu)脂的顯微孔隙中(zhong)。

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(qi)大小和數(shu)量都可(ke)以在制造時控制。孔道(dao)的表面積(ji)可(ke)以增大到超過1000m2/g。這不僅為離子交(jiao)換提(ti)供了良好的接(jie)觸條件，縮短了離子擴散的路(lu)程(cheng)，還增(zeng)加了許多(duo)鏈節活性中心，通過分子間(jian)的范德華(hua)引力（van de waal's force）產生分(fen)子吸附作用，能夠(gou)象活性(xing)炭那(nei)樣吸附各(ge)種(zhong)非離子性(xing)物(wu)質(zhi)(zhi)，擴大(da)它的(de)(de)功能。一些不帶交換功能團的(de)(de)大(da)孔型樹脂(zhi)也能夠(gou)吸附、分(fen)離多種(zhong)物(wu)質(zhi)(zhi)，例如化工(gong)廠廢水(shui)中的(de)(de)酚類物(wu)。

大(da)孔(kong)樹脂內(nei)部的孔(kong)隙又多又大(da)，表面積很(hen)(hen)大(da)，活性中(zhong)心多，離(li)子(zi)擴散速(su)度快(kuai)(kuai)(kuai)，離(li)子(zi)交換(huan)速(su)度也快(kuai)(kuai)(kuai)很(hen)(hen)多，約比凝膠型樹脂快(kuai)(kuai)(kuai)約十倍。使用(yong)時的作用(yong)快(kuai)(kuai)(kuai)、效率高(gao)，所需(xu)處(chu)理時間縮短。大(da)孔(kong)樹脂還(huan)有多種優點：耐(nai)溶脹，不易碎裂(lie)，耐(nai)氧化(hua)，耐(nai)磨損(sun)，耐(nai)熱及耐(nai)溫度變(bian)化(hua)，以及對有機大(da)分子(zi)物質較(jiao)易吸附和交換(huan)，因(yin)而抗污染力強，并較(jiao)容易再生。

物理性質

離子交(jiao)換樹脂的(de)顆(ke)粒尺寸和有(you)關的(de)物理性(xing)質對它的(de)工作和性(xing)能(neng)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(yi)下(xia)，會明顯增大流(liu)(liu)體通過的阻(zu)力，降低(di)流(liu)(liu)量和生(sheng)產(chan)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(shang)的留存(cun)量，以90%粒子可以(yi)通過其相對應的篩孔直徑，稱為樹(shu)脂的“有效(xiao)粒徑”。多(duo)數通用的樹(shu)脂產(chan)品的有效(xiao)粒徑在(zai)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(li)子，相對應的篩孔直徑(jing)與有效粒(li)徑(jing)的比例。如一種樹脂（ir-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它(ta)在20目(mu)篩、30目(mu)篩及40目篩(shai)上留存粒子(zi)分(fen)別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則(ze)計算(suan)得均勻系(xi)數為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；而丙烯酸系凝膠型弱酸陽離子(zi)樹(shu)脂的真密度(du)為1.19g/ml，視密度(du)為0.75g/ml。

樹脂的溶解性

離子交換樹脂(zhi)應(ying)為不溶性(xing)物(wu)質(zhi)。但樹脂(zhi)在(zai)合(he)(he)成過程(cheng)中夾(jia)雜(za)的(de)聚合(he)(he)度較低(di)的(de)物(wu)質(zhi)，及樹脂(zhi)分解生成的(de)物(wu)質(zhi)，會在(zai)工(gong)作運行時(shi)溶解出來。交聯度較低(di)和(he)含(han)活(huo)性(xing)基團(tuan)多的(de)樹脂(zhi)，溶解傾向較大(da)。

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oh－，都因離子(zi)直(zhi)徑增(zeng)大而(er)發生膨脹(zhang)，增(zeng)大樹脂(zhi)的(de)體(ti)積(ji)。通常(chang)，交(jiao)聯(lian)度低(di)的(de)樹脂(zhi)的(de)膨脹(zhang)度較大。在設計離子(zi)交(jiao)換(huan)裝(zhuang)置時(shi)(shi)，必(bi)須考慮樹脂(zhi)的(de)膨脹(zhang)度，以適(shi)應生產(chan)運(yun)行(xing)時(shi)(shi)樹脂(zhi)中的(de)離子(zi)轉換(huan)發生的(de)樹脂(zhi)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)。

耐用性

樹脂(zhi)顆粒(li)使用(yong)時有轉移、磨擦、膨(peng)脹和(he)收縮等(deng)變(bian)化，長期使用(yong)后(hou)會有少量損耗和(he)破碎，故樹脂(zhi)要有較高的機(ji)械強度(du)和(he)耐(nai)磨性。通常，交聯度(du)低的樹脂(zhi)較易碎裂，但樹脂(zhi)的耐(nai)用(yong)性更主要地(di)決定(ding)于交聯結(jie)構的均勻(yun)程度(du)及其強度(du)。如(ru)大(da)孔樹脂(zhi)，具有較高的交聯度(du)者，結(jie)構穩定(ding)，能(neng)耐(nai)反(fan)復再生(sheng)。

選擇性

高價離(li)子通常被(bei)優(you)先吸附(fu)(fu)，而低(di)價離(li)子的吸附(fu)(fu)較(jiao)弱(ruo)。在同(tong)價的同(tong)類離(li)子中(zhong)，直徑(jing)較(jiao)大(da)的離(li)子的被(bei)吸附(fu)(fu)較(jiao)強。一些陽離(li)子被(bei)吸附(fu)(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(jian)。但對弱酸(suan)性陽樹脂，H+的選擇性最強。