陽離子交換樹(shu)脂物理結構 陽離子交換樹(shu)脂物理性質

物理結構

離子樹(shu)脂常分為凝膠型和大孔型兩(liang)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(shu)脂(zhi)不能(neng)吸(xi)附大(da)(da)分子有(you)機物質(zhi)，因(yin)后(hou)者的尺(chi)寸較大(da)(da)，如蛋(dan)白(bai)質(zhi)分子直徑為5～20nm，不(bu)能(neng)進入這類樹脂(zhi)的顯微孔隙中。

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)小和數量都可(ke)以(yi)在制造時控制。孔道的表(biao)面積可(ke)以(yi)增大(da)到超過(guo)1000m2/g。這不僅為離(li)子交(jiao)換提供了良好的(de)接觸條件，縮短(duan)了離(li)子擴散的(de)路程(cheng)，還(huan)增加了許多鏈(lian)節(jie)活性中心(xin)，通過(guo)分子間的(de)范德華引力（van de waal's force）產生分子(zi)吸(xi)附作用，能(neng)夠象活(huo)性(xing)炭那(nei)樣(yang)吸(xi)附各種非離(li)子(zi)性(xing)物質(zhi)，擴大它(ta)的功能(neng)。一些不帶交換(huan)功能(neng)團的大孔型樹脂也能(neng)夠吸(xi)附、分離(li)多種物質(zhi)，例如化工廠廢(fei)水(shui)中的酚類物。

大(da)孔(kong)樹脂內(nei)部的(de)孔(kong)隙又多(duo)(duo)(duo)又大(da)，表面(mian)積很大(da)，活性(xing)中(zhong)心(xin)多(duo)(duo)(duo)，離子擴散速(su)度快(kuai)，離子交(jiao)換速(su)度也快(kuai)很多(duo)(duo)(duo)，約(yue)比(bi)凝膠型樹脂快(kuai)約(yue)十倍(bei)。使用(yong)時的(de)作用(yong)快(kuai)、效率高(gao)，所需處理時間縮短。大(da)孔(kong)樹脂還有(you)多(duo)(duo)(duo)種優點：耐(nai)(nai)溶(rong)脹(zhang)，不易碎裂，耐(nai)(nai)氧化，耐(nai)(nai)磨損，耐(nai)(nai)熱及(ji)耐(nai)(nai)溫度變化，以及(ji)對有(you)機大(da)分子物質較易吸附和交(jiao)換，因而抗污染力強，并較容易再生(sheng)。

物理性質

離子交換樹(shu)脂的顆(ke)粒尺寸和有關的物理性質對它(ta)的工(gong)作(zuo)和性能(neng)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(xia)，會明顯增(zeng)大流體通過的(de)阻(zu)力(li)(li)，降低流量和生(sheng)產能力(li)(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……目篩網上的留存量，以90%粒子可(ke)以通(tong)過其(qi)相對(dui)應的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效(xiao)粒徑”。多數通(tong)用的樹脂產品的有效(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(xiang)對應的篩孔直徑(jing)與有(you)效粒(li)徑(jing)的比例。如(ru)一種樹脂（ir-120）的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩(shai)、30目(mu)篩(shai)及40目(mu)篩上留存粒(li)子分別為(wei)：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得(de)均勻(yun)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(mi)度(du)為0.85g/ml；而(er)丙烯酸(suan)系凝膠型弱酸(suan)陽(yang)離子樹脂(zhi)的真(zhen)密度為(wei)1.19g/ml，視密度為0.75g/ml。

樹脂的溶解性

離子(zi)交換樹脂(zhi)(zhi)應為不溶性(xing)(xing)物(wu)質。但樹脂(zhi)(zhi)在(zai)合成過程中夾雜(za)的聚合度(du)較低(di)的物(wu)質，及(ji)樹脂(zhi)(zhi)分解(jie)(jie)生成的物(wu)質，會在(zai)工作(zuo)運行時溶解(jie)(jie)出來(lai)。交聯度(du)較低(di)和(he)含活(huo)性(xing)(xing)基(ji)團多(duo)的樹脂(zhi)(zhi)，溶解(jie)(jie)傾向(xiang)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(shu)脂由cl－轉(zhuan)為oh－，都因離子直徑增大(da)(da)而發生(sheng)(sheng)膨(peng)脹(zhang)，增大(da)(da)樹脂(zhi)的(de)(de)體積(ji)。通常，交聯(lian)度低的(de)(de)樹脂(zhi)的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)度較大(da)(da)。在(zai)設計離子交換裝置時(shi)，必須考(kao)慮(lv)樹脂(zhi)的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)度，以適應生(sheng)(sheng)產(chan)運(yun)行(xing)時(shi)樹脂(zhi)中(zhong)的(de)(de)離子轉(zhuan)換發生(sheng)(sheng)的(de)(de)樹脂(zhi)體積(ji)變化。

耐用性

樹脂(zhi)(zhi)顆粒(li)使(shi)用(yong)時有(you)轉移、磨擦、膨脹和收縮等變化，長期使(shi)用(yong)后會(hui)有(you)少量損耗和破碎(sui)(sui)，故樹脂(zhi)(zhi)要有(you)較高的(de)機械強度和耐磨性。通常，交(jiao)聯度低的(de)樹脂(zhi)(zhi)較易碎(sui)(sui)裂(lie)，但(dan)樹脂(zhi)(zhi)的(de)耐用(yong)性更(geng)主要地決定(ding)于(yu)交(jiao)聯結構的(de)均勻程度及其強度。如大孔(kong)樹脂(zhi)(zhi)，具有(you)較高的(de)交(jiao)聯度者，結構穩(wen)定(ding)，能耐反復再(zai)生。

選擇性

高價(jia)離子(zi)(zi)通常被(bei)優先吸附，而低價(jia)離子(zi)(zi)的(de)(de)吸附較(jiao)弱。在同(tong)價(jia)的(de)(de)同(tong)類離子(zi)(zi)中，直徑較(jiao)大的(de)(de)離子(zi)(zi)的(de)(de)被(bei)吸附較(jiao)強。一些陽離子(zi)(zi)被(bei)吸附的(de)(de)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(de)選(xuan)擇(ze)性介于(yu)Na+和Li+之間。但對弱酸(suan)性陽樹脂，H+的選擇性最強。