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簡介離子交換法(ion exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。離子交換樹脂一般呈現多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.5~1.0mm，其離子交換能力依其交換能力特征可分：　　1. 強酸型陽離子交換樹脂：主要含有強酸性的反應基如磺酸基（－SO3H），此離子交換樹脂可以交換所有的陽離子。　　2.弱酸型陽離子交換樹脂：具有較弱的反應基如羧基（－COOH基），此離子交換樹脂僅可交換弱堿中的陽離子如Ca2+、Mg2+，對于強堿中的離子如Na+、K+等無法進行交換。種類和性能　　離子交換樹脂在現代制糖工業中起著很重要的作用。世界上許多糖廠制造精糖和高級食用糖漿，多數使用離子交換樹脂將糖液脫色提純，而過去傳統用骨炭的精煉糖廠亦有逐漸轉向使用離子交換樹脂的趨勢。離子交換技術有相當長的歷史，某些天然物質如泡沸石和用煤經過磺化制得的磺化煤都可用作離子交換劑。但是，隨著現代有機合成工業技術的迅速發展，研究制成了許多種性能優良的離子交換樹脂，并開發了多種新的應用方法，離子交換技術迅速發展，在許多行業特別是高新科技產業和科研領域中廣泛應用。近年國內外生產的樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。　　在工業應用中，離子交換樹脂的優點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，可以反復再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。以離子交換樹脂為基礎的多種新技術，如色譜分離法、離子排斥法、電滲析法等，各具獨特的功能，可以進行各種特殊的工作，是其他方法難以做到的。離子交換技術的開發和應用還在迅速發展之中。　　離子交換樹脂的應用，是近年國內外制糖工業的一個重點研究課題，是糖業現代化的重要標志。膜分離技術在糖業的應用也受到廣泛的研究。　　離子交換樹脂都是用有機合成方法制成。常用的原料為苯乙烯或丙烯酸(酯)，通過聚合反應生成具有三維空間立體網絡結構的骨架，再在骨架上導入不同類型的化學活性基團(通常為酸性或堿性基團)而制成。　　離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑。大多數制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm 范圍內，大部分在0.4～0.6mm之間。它們有較高的機械強度(堅牢性)，化學性質也很穩定，在正常情況下有較長的使用壽命。　　離子交換樹脂中含有一種(或幾種)化學活性基團，它即是交換官能團，在水溶液中能離解出某些陽離子(如h 或na )或陰離子(如oh－或cl－)，同時吸附溶液中原來存有的其他陽離子或陰離子。即樹脂中的離子與溶液中的離子互相交換，從而將溶液中的離子分離出來。　　樹脂中化學活性基團的種類決定了樹脂的主要性質和類別。首先區分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩大類，它們可分別與溶液中的陽離子和陰離子進行離子交換。陽離子樹脂又分為強酸性和弱酸性兩類，陰離子樹脂又分為強堿性和弱堿性兩類 (或再分出中強酸和中強堿性類)。　　離子交換樹脂根據其基體的種類分為苯乙烯系樹脂和丙烯酸系樹脂，及根據樹脂的物理結構分為凝膠型和大孔型。　　離子交換樹脂的品種很多，因化學組成和結構不同而具有不同的功能和特性，適應于不同的用途。應用樹脂要根據工藝要求和物料的性質選用適當的類型和品種。基體組成　　離子交換樹脂的基體(matrix)，制造原料主要有苯乙烯和丙烯酸(酯)兩大類，它們分別與交聯劑二乙烯苯產生聚合反應，形成具有長分子主鏈及交聯橫鏈的網絡骨架結構的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的，丙烯酸系樹脂則用得較后。　　這兩類樹脂的吸附性能都很好，但有不同特點。丙烯酸系樹脂能交換吸附大多數離子型色素，脫色容量大，而且吸附物較易洗脫，便于再生，在糖廠中可用作主要的脫色樹脂。苯乙烯系樹脂擅長吸附芳香族物質，善于吸附糖汁中的多酚類色素(包括帶負電的或不帶電的)；但在再生時較難洗脫。因此，糖液先用丙烯酸樹脂進行粗脫色，再用苯乙烯樹脂進行精脫色，可充分發揮兩者的長處。樹脂的交聯度，即樹脂基體聚合時所用二乙烯苯的百分數，對樹脂的性質有很大影響。通常，交聯度高的樹脂聚合得比較緊密，堅牢而耐用，密度較高，內部空隙較少，對離子的選擇性較強；而交聯度低的樹脂孔隙較大，脫色能力較強，反應速度較快，但在工作時的膨脹性較大，機械強度稍低，比較脆而易碎。工業應用的離子樹脂的交聯度一般不低于4%；用于脫色的樹脂的交聯度一般不高于8%；單純用于吸附無機離子的樹脂，其交聯度可較高。　　除上述苯乙烯系和丙烯酸系這兩大系列以外，離子交換樹脂還可由其他有機單體聚合制成。如酚醛系(fp)、環氧系(epa)、乙烯吡啶系(vp)、脲醛系(ua)等。物理結構　　離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。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。這類樹脂不能吸附大分子有機物質，因后者的尺寸較大，如蛋白質分子直徑為5～20nm，不能進入這類樹脂的顯微孔隙中。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，其大小和數量都可以在制造時控制。孔道的表面積可以增大到超過1000m2/g。這不僅為離子交換提供了良好的接觸條件，縮短了離子擴散的路程，還增加了許多鏈節活性中心，通過分子間的范德華引力(van de waals force)產生分子吸附作用，能夠象活性炭那樣吸附各種非離子性物質，擴大它的功能。一些不帶交換功能團的大孔型樹脂也能夠吸附、分離多種物質，例如化工廠廢水中的酚類物。　　大孔樹脂內部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，離子擴散速度快，離子交換速度也快很多，約比凝膠型樹脂快約十倍。使用時的作用快、效率高，所需處理時間縮短。大孔樹脂還有多種優點：耐溶脹，不易碎裂，耐氧化，耐磨損，耐熱及耐溫度變化，以及對有機大分子物質較易吸附和交換，因而抗污染力強，并較容易再生。交換容量　　離子交換樹脂進行離子交換反應的性能，表現在它的“離子交換容量”，即每克干樹脂或每毫升濕樹脂所能交換的離子的毫克當量數，meq/g(干)或 meq/ml(濕)；當離子為一價時，毫克當量數即是毫克分子數(對二價或多價離子，前者為后者乘離子價數)。它又有“總交換容量”、“工作交換容量”和“再生交換容量”等三種表示方式。　　1、總交換容量，表示每單位數量(重量或體積)樹脂能進行離子交換反應的化學基團的總量。　　2、工作交換容量，表示樹脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹脂種類和總交換容量，以及具體工作條件如溶液的組成、流速、溫度等因素有關。　　3、再生交換容量，表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹脂的交換容量,表明樹脂中原有化學基團再生復原的程度。　　通常，再生交換容量為總交換容量的50～90%(一般控制70～80%)，而工作交換容量為再生交換容量的30～90%(對再生樹脂而言)，后一比率亦稱為樹脂的利用率。　　在實際使用中，離子交換樹脂的交換容量包括了吸附容量，但后者所占的比例因樹脂結構不同而異。現仍未能分別進行計算，在具體設計中，需憑經驗數據進行修正，并在實際運行時復核之。　　離子樹脂交換容量的測定一般以無機離子進行。這些離子尺寸較小，能自由擴散到樹脂體內，與它內部的全部交換基團起反應。而在實際應用時，溶液中常含有高分子有機物，它們的尺寸較大，難以進入樹脂的顯微孔中，因而實際的交換容量會低于用無機離子測出的數值。這種情況與樹脂的類型、孔的結構尺寸及所處理的物質有關。物理性質　　離子交換樹脂的顆粒尺寸和有關的物理性質對它的工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……目篩網上的留存量，以90%粒子可以通過其相對應的篩孔直徑，稱為樹脂的“有效粒徑”。多數通用的樹脂產品的有效粒徑在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，相對應的篩孔直徑與有效粒徑的比例。如一種樹脂(ir-120)的有效粒徑為0.4～0.6mm，它在20目篩、30目篩及40目篩上留存粒子分別為：18.3%、41.1%、及31.3%，則計算得均勻系數為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樹脂的真密度為1.19g/ml，視密度為0.75g/ml。　　(3) 樹脂的溶解性　　離子交換樹脂應為不溶性物質。但樹脂在合成過程中夾雜的聚合度較低的物質，及樹脂分解生成的物質，會在工作運行時溶解出來。交聯度較低和含活性基團多的樹脂，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 轉為na ，陰樹脂由cl－轉為oh－，都因離子直徑增大而發生膨脹，增大樹脂的體積。通常，交聯度低的樹脂的膨脹度較大。在設計離子交換裝置時，必須考慮樹脂的膨脹度，以適應生產運行時樹脂中的離子轉換發生的樹脂體積變化。耐用性　　樹脂顆粒使用時有轉移、磨擦、膨脹和收縮等變化，長期使用后會有少量損耗和破碎，故樹脂要有較高的機械強度和耐磨性。通常，交聯度低的樹脂較易碎裂，但樹脂的耐用性更主要地決定于交聯結構的均勻程度及其強度。如大孔樹脂，具有較高的交聯度者，結構穩定，能耐反復再生 。注意事項　　1、離子交換樹脂含有一定水份，不宜露天存放，儲運過程中應保持濕潤，以免風干脫水，使樹脂破碎，如貯存過程中樹脂脫水了，應先用濃食鹽水（10%）浸泡，再逐漸稀釋，不得直接放入水中，以免樹脂急劇膨脹而破碎。　　2、 冬季儲運使用中，應保持在5-40℃的溫度環境中，避免過冷或過熱，影響質量，若冬季沒有保溫設備時，可將樹脂貯存在食鹽水中，食鹽水濃度可根據氣溫而定。　　3、 離子交換樹脂的工業產品中，常含有少量低聚合物和未參加反應的單體，還含有鐵、鉛、銅等無機雜質，當樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時，上述物質就會轉入溶液中，影響出水質量，因此，新樹脂在使用前必須進行預處理，一般先用水使樹脂充分膨脹，然后，對其中的無機雜質（主要是鐵的化合物）可用4-5%的稀鹽酸除去，有機雜質可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去，洗到近中性即可。如在醫藥制備中使用，須用乙醇浸泡處理。　　4、 樹脂在使用中，防止與金屬（如鐵、銅等）油污、有機分子微生物、強氧化劑等接觸，免使離子交換能力降低，甚至失去功能，因此，須根據情況對樹脂進行不定期的活化處理，活化方法可根據污染情況和條件而定，一般陽樹脂在軟化中易受Fe的污染可用鹽酸浸泡，然后逐步稀釋，陰樹脂易受有機物污染，可用10%NaC1+2-5%NaOH混合溶液浸泡或淋洗，必要時可用1%雙氧水溶液泡數分鐘，其它，也可采用酸堿交替處理法，漂白處理法，酒精處理及各種滅菌法等等。　　5、 新樹脂的預處理：離子交換樹脂的工業產品中，常含有少量低聚物和未參加反應的單體，還含有鐵、鉛、銅等無機雜質。當樹脂與水、酸、堿或其它溶液接觸時，上述物質就會轉入溶液中，影響出水質量。因此，新樹脂在使用前必須進行預處理。一般先用水使樹脂膨脹，然后，對其中的無機雜質（主要是鐵的化合物）可用4-5%的稀鹽酸除去，有機雜質可用2-4%稀氫氧化鈉溶液除去洗到近中性即可。