離子交換中的自由體積是什麼

『壹』 離子交換法 的名詞解釋

離子交換法是通過離子交換劑上的離子與水中離子交換以去除水中陰離子的方回法。
離子交換法(ion
exchange
process)是液相答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。

『貳』 什麼是自由體積

分散在整個物質中的空隙，又稱為自由體積

『叄』 離子交換的基本原理和裝置運行方式

離子交換的基本原理和裝置運行方式

藉助於固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進行交換，以達到提取或去除溶液中某些離子的目的，是一種屬於傳質分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當量交換反應。下面一起來了解一下離子交換的基本原理和裝置運行方式：

1.1離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。

離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型;

按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;

按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。

⑴離子交換樹脂的構造

是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可交換離子。

⑵基本性能

①外觀

呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，

②交聯度

指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%.

③含水率

指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。

④溶脹性

指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。

在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。

⑤密度

分為干真密度、濕真密度和濕視密度

⑥交換容量

是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。

⑦有效PH范圍

由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。

⑧選擇性

即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。

⑨離子交換平衡

離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。

⑩離子交換速率

主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。

其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。

⑶樹脂層離子交換過程

以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

1.2離子交換裝置運行方式

離子交換裝置按運行方式不同，分為固定床和連續床

⑴固定床的構造與壓力濾罐相似，是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式，其特點是交換與再生兩個過程均在交換器中進行，根據交換器內裝填樹脂種類及交換時樹脂在交換器中的.位置的不同，可分為單層床、雙層床和混合床。

單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂，如果裝填的是陽樹脂，稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂，稱為陰床。

雙層床是離子交換器內按比例裝填強、弱兩種同性樹脂，由於強、弱兩種樹脂密度的不同，密度小的弱型樹脂在上，密度大的強型樹脂在下，在交換器內形成上下兩層。

混合床則是在交換器內均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂，由於陰、陽樹脂混雜，因此原水流經樹脂層時，陰、陽兩種離子同時被樹脂所吸附，其產物氫離子和氫氧根離子又因反應生成水而得以降低，有利於交換反應進行的徹底，使得出水水質大大提高。但其缺點是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。於是又發明了三層混床新技術，保證在反洗時將陰、陽樹脂分隔開來。

根據固定床原水與再生液的流動方向，又分為兩種形式，原水與再生液分別從上而下以同一方向流經離子交換器的，稱為順流再生固定床，原水與再生液流向相反的，稱為逆流再生固定床。

順流再生固定床的構造簡單，運行方便，但存在幾個缺點：在通常生產條件下，即使再生劑單位耗量二至三倍於理論值，再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高，而下部再生程度差;工作期間，原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附，置換出來的反離子隨水流流經底層時，與未再生好的樹脂起逆交換反應，上一周期再生時未被洗脫出來的被去除的離子，作為泄漏離子出現在本周期的出水中，所以出水剩餘被去除的離子較大;而到了了工作後期，由於樹脂層下半部原先再生不好，交換能力低，難以吸附原水中所有被去除的離子，出水提前超出規定，導致交換器過早地失效，降低了工作效率。因此，順流再生固定床只選用於設備出水較小，原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。

逆流再固定床的再生有兩種操作方式：一是水流向下流的方式，一是水流向上流的方式，逆流再生可以彌補順流再生的缺點，而且出水質量顯著提高，原水水質適用范圍擴大，對於硬度較高的水，仍能保證出水水質，所以目前採用該法較多。

總起來說，固定床有出水水質好等優點，但固定床離子交換器存在三個缺點：一是樹脂交換容量利用率低，二是在同設備中進行產水和再生工序，生產不連續，三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻，上層的飽和程度高，下層的低。

為克服固定床的缺點，開發出了連續式離子交換設備，即連續床。

⑵連續床又分為移動床和流動床

移動床的特點是樹脂顆粒不是固定在交換器內，而是處於一種連續的循環運動過程中，樹脂用量可減少三分之一至二分之一，設備單位容積的處理水量還可得到提高，如雙塔移動床系統和三塔移動床系統。

流動床是運行完全連續的離子交換系統，但其操作管理復雜，廢水處理中較少應用。

『肆』 離子交換的基本原理

離子交換法是通過離子交換劑上的離子與水中離子交換以去除水中陰離子的方版法。
離子交換法(ion exchange process)是液權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。

『伍』 離子交換樹脂的基本類型

1.離子交換樹脂的基本類型
(1)  強酸性陽離子樹脂
這類樹脂含有大量的強酸性基團，如磺酸基－SO3H，容易在溶液中離解出H+，故呈強酸性。樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO3－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的離解能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能離解和產生離子交換作用。
樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即用化學葯品使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結合而恢復原來的組成。
(2)  弱酸性陽離子樹脂
這類樹脂含弱酸性基團，如羧基－COOH，能在水中離解出H+ 而呈酸性。樹脂離解後餘下的負電基團，如R-COO－(R為碳氫基團)，能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在鹼性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易再生)。
（3） 強鹼性陰離子樹脂
這類樹脂含有強鹼性基團，如季胺基(亦稱四級胺基)－NR3OH(R為碳氫基團)，能在水中離解出OH－而呈強鹼性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。
這種樹脂的離解性很強，在不同pH下都能正常工作。它用強鹼(如NaOH)進行再生。
(4) 弱鹼性陰離子樹脂
這類樹脂含有弱鹼性基團，如伯胺基(亦稱一級胺基)-NH2、仲胺基(二級胺基)-NHR、或叔胺基(三級胺基)-NR2，它們在水中能離解出OH－而呈弱鹼性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。這種樹脂在多數情況下是將溶液中的整個其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH1～9)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH進行再生。
(5)  離子樹脂的轉型
以上是樹脂的四種基本類型。在實際使用上，常將這些樹脂轉變為其他離子型式運行，以適應各種需要。例如常將強酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉變為鈉型樹脂再使用。工作時鈉型樹脂放出Na+與溶液中的Ca2+、Mg2+等陽離子交換吸附，除去這些離子。反應時沒有放出H+，可避免溶液pH下降和由此產生的副作用(如蔗糖轉化和設備腐蝕等)。這種樹脂以鈉型運行使用後，可用鹽水再生(不用強酸)。又如陰離子樹脂可轉變為氯型再使用，工作時放出Cl－而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉變為碳酸氫型(HCO3－)運行。強酸性樹脂及強鹼性樹脂在轉變為鈉型和氯型後，就不再具有強酸性及強鹼性，但它們仍然有這些樹脂的其他典型性能，如離解性強和工作的pH范圍寬廣等。
2、離子交換樹脂基體的組成
離子交換樹脂的基體(matrix)，製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路骨架結構的聚合物。苯乙烯系樹脂是先使用的，丙烯酸系樹脂則用得較後。
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，便於再生，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，善於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於4%；用於脫色的樹脂的交聯度一般不高於8%；單純用於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製成。如酚醛系(FP)、環氧系(EPA)、乙烯吡啶系(VP)、脲醛系(UA)等。
3、離子交換樹脂的物理結構
離子樹脂常分為凝膠型和大孔型兩類。
凝膠型樹脂的高分子骨架，在乾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)。
這類樹脂較適合用於吸附無機離子，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，因後者的尺寸較大，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，再導入交換基團製成。它並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製造時控制。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 Waal's 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，並較容易再生。
4、離子交換樹脂的離子交換容量
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，前者為後者乘離子價數)。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)，後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，但後者所佔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，並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於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。
5、離子交換樹脂的吸附選擇性
離子交換樹脂對溶液中的不同離子有不同的親和力，對它們的吸附有選擇性。各種離子受樹脂交換吸附作用的強弱程度有一般的規律，但不同的樹脂可能略有差異。主要規律如下：
(1)  對陽離子的吸附
高價離子通常被優先吸附，而低價離子的吸附較弱。在同價的同類離子中，直徑較大的離子的被吸附較強。一些陽離子被吸附的順序如下：
Fe3+  > Al3+  > Pb2+  > Ca2+  > Mg2+  > K+  > Na+  > H+
(2)  對陰離子的吸附
強鹼性陰離子樹脂對無機酸根的吸附的一般順序為：
SO42－> NO3－ > Cl－ > HCO3－ > OH－
弱鹼性陰離子樹脂對陰離子的吸附的一般順序如下：
OH－> 檸檬酸根3－ > SO42－ > 酒石酸根2－ >草酸根2－ > PO43－ >NO2－ > Cl－ >醋酸根－ > HCO3－
(3)  對有色物的吸附
糖液脫色常使用強鹼性陰離子樹脂，它對擬黑色素(還原糖與氨基酸反應產物)和還原糖的鹼性分解產物的吸附較強，而對焦糖色素的吸附較弱。這被認為是由於前兩者通常帶負電，而焦糖的電荷很弱。
通常，交聯度高的樹脂對離子的選擇性較強，大孔結構樹脂的選擇性小於凝膠型樹脂。這種選擇性在稀溶液中較大，在濃溶液中較小。
6、離子交換樹脂的物理性質
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。
(1)  樹脂顆粒尺寸
離子交換樹脂通常製成珠狀的小顆粒，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後進行篩分，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。
(2)  樹脂的密度
樹脂在乾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，強酸性或強鹼性樹脂的密度高於弱酸或弱鹼性者，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。
(4)  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。
(5)  耐用性
樹脂顆粒使用時有轉移、磨擦、膨脹和收縮等變化，長期使用後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於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。
7、離子交換樹脂的品種
離子交換樹脂在國內外都有很多製造廠家和很多品種。國內製造廠有數十家，主要的有上海樹脂廠、南開大學化工廠、晨光化工研究院樹脂廠、南京樹脂廠等；國外較著名的如美國Rohm & Hass公司生產的Amberlite系列、Dow化學公司的Dowex系列、法國Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列，還有Ionac系列、Allassion系列等。樹脂的牌號多數由各製造廠或所在國自行規定。國外一些產品用字母C代表陽離子樹脂(C為cation的第一個字母)，A代表陰離子樹脂(A為Anion的第一個字母)，如Amberlite的IRC和IRA分別為陽樹脂和陰樹脂，亦分別代表陽樹脂和陰樹脂。我國化工部規定(HG2-884-76)，離子交換樹脂的型號由三位阿拉伯數字組成。第一位數字代表產品的分類：0 代表強酸性，1代表弱酸性，2代表強鹼性，3代表弱鹼性，4代表螯合性，5代表兩性，6代表氧化還原。第二位數字代表不同的骨架結構：0代表苯乙烯系，1代表丙烯酸系，2代表酚醛系，3代表環氧系等。第三位數字為順序號，用以區別基體、交聯基等的差異。此外大孔型樹脂在數字前加字母D。因此，D001是大孔強酸性苯乙烯系樹脂。

『陸』 離子交換樹脂的交換容量

離子交換樹脂交換容量：

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，前者為後者乘離子價數)。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)，後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，但後者所佔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，並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於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。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，前者為後者乘離子價數)。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。

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『柒』 什麼是高分子材料的自由體積

自由體積理論最初是由Fox和Flory提出來的。他們認為液體或固體物質，其體積由兩部分組成：一部分是被分子占據的體積V0；另一部分是未被占據的體積Vf。後者以「孔穴」的形式分散於整個物質之中，正是由於自由體積的存在，分子鏈才可能發生運動。Vf就是自由體積。

『捌』 離子交換樹脂的指標所代表具體含義是什麼

(東營市禾成化學科技有限公司的離子交換樹脂 ）
離子交換樹脂是高分子化合物，所以它們的結構和性能因製造工藝的不同而不同，為此，對於商品離子交換樹脂的性能，必須用一系列指標加以說明。
同一類型的離子交換樹脂，其交聯劑加入量的多少，對產品的物理化學性能有很大的影響，一般加交聯劑多（即交聯度大）的樹脂，由於許多苯乙烯鏈都被交聯成網狀，所以其產品有網孔小、機械強度大和穩定性較好等特點，其特點是交換容量較小。
一、物理性能
1、外觀
⑴ 顏色。離子交換樹脂是一種透明或半透明的物質，依其組成的不同，呈現的顏色也各異，苯乙烯系均呈黃色，其他也有黑色及赤褐色的。樹脂的顏色稍深。樹脂在使用中，由於可交換離子的轉換或受雜質的污染等原因，其顏色會發生變化，但這種變化不能確切表明它發生了什麼改變，所以只可以作為參考。
⑵ 形狀。離子交換樹脂一般均呈球形。樹脂呈球狀顆粒數占顆粒總數的百分率，稱為圓球率。對於交換柱水處理工藝來說，圓球率愈大愈好，它一般應達90%以上。
樹脂圓球率的測定方法，是先將樹脂在60℃烘乾、稱重，然後慢慢倒在傾斜10°的玻璃上端，讓樹脂分散地向下自由滾動，將滾動下來的樹脂再稱重，後者與前者比值的百分數即為圓球率。
2、粒度
樹脂顆粒的大小對水處理的工藝過程有較大的影響。顆粒大，交換速度就慢；顆粒小，水通過樹脂層的壓力損失就大。如果各個顆粒的大小相差很大，則對水處理的工藝過程是不利的。這首先是因為小顆粒堵塞了大顆粒間的孔隙，水流不勻和阻力增大；其次，在反洗時流速過大會沖走小顆粒樹脂，而流速過小，又不能松動大顆粒。用於水處理的樹脂顆粒粒徑一般為0.3～1.2mm。樹脂粒度的表示法和過濾介質的粒度一樣，可以用有效粒徑和不勻系數表示。
3、密度
離子交換樹脂的密度是水處理工藝中的實用數據。例如在估算設備中樹脂的裝載量，需要知道它的密度。離子交換樹脂的密度有以下幾種表示法。
（1）干真密度。干真密度即在乾燥狀態下樹脂本身的密度：

干真密度 ＝ g/mL
此值一般為1.6左右,在實用意義不大,常用在研究樹脂性能方面。
(2）濕真密度。濕真密度是指樹脂在水中經過充分膨脹後，樹脂顆粒的密度：

濕真密度 ＝ g/mL
（3）濕視密度.濕視密度是指樹脂在水中充分膨脹後的堆積密度:

濕視密度 ＝ g/mL
濕視密度用來計算交換器中裝載樹脂時所需濕樹脂的質量,此值一般在0.60～0.85之間。陰樹脂較輕，偏於下限；陽樹脂較重，偏於上限。
4、含水率
離子交換樹脂的含水率是指它在潮濕空氣中所保持的水量，它可以反映交聯度和網眼中的孔隙率。樹脂的含水率愈大，表示它的孔隙率愈大，並聯度愈小。
5、溶脹性
當將乾的離子交換樹脂浸入水中時,其體積常常要變大,這種現象稱為溶脹。
影響溶脹率大小的因素有以下幾種：
（1）溶劑。樹脂在極性溶劑中的溶脹性,通常比在非極性溶劑中強。
（2）交聯度。高交聯度樹脂的溶脹能力較低。
（3）活性基團。此基團愈易電離，樹脂的溶脹性愈強。
（4）交換容量。高交換容量離子交換樹脂的溶脹性要比低交換容量的強。
（5）溶液深度。溶液中電解質濃度愈大，由於樹脂內外溶液的滲透壓差減小，樹脂的溶脹率愈小。
（6）可交換離子的本質。可交換的水合離子半徑愈大，其溶脹率愈大，故對於強酸和強鹼性離子交換樹脂，溶脹率大小的次序為：
H＋＞Na＋＞NH4＋＞K＋＞Ag＋
OH－＞HCO3≈CO32-＞SO42-＞Cl-
一般，強酸性陽離子交換樹脂由Na轉變成H型，強鹼性陰離子交換樹脂由Cl型轉變成OH型，其體積均增加約5%。
由於離子交換樹脂具有這樣的性能，因而在其交換和再生的過程中會發生脹縮現象，多次的脹縮就容易促使樹脂顆粒碎裂。
6、耐磨性
交換樹脂顆粒在運行中，由於相互磨軋和脹縮作用，會發生碎裂現象，所以其耐磨性是一個影響其實用性能的指標。一般，其機械強度應能保證每年的樹脂耗損量不超過3%～7%。
7、 溶解性
離子交換樹脂是一種不溶於水的高分子化合物，但在產品中免不了會含有少量低聚物。因這些低聚物較易溶解，所以其應用的最初階段。這些物質會逐漸溶解。
離子交換樹脂在使用中，有時也會發生轉變成膠體漸漸溶入水中的現象，即所謂膠溶。促使膠溶的因素有：樹脂的交聯度小、電離能力大、離子的水合半徑大，有時還有受高溫或被氧化的影響。特別是強鹼性陰樹脂，它會因化學降解而產生膠溶現象。
所以在運行中要密切注意其運行條件：如離子交換樹脂處於蒸餾水中要比在鹽溶液中易膠溶，Na型比Ca型易膠溶。離子交換器備用後剛投入運行時，有時發生出水帶色的現象，就是膠溶的緣故。
8、 耐熱性
各種樹脂所能承受的溫度都有限度，超過此溫度，樹脂熱分解的現象就很嚴重。由於各種樹脂的耐熱性能不一，所以對每種樹脂能承受的最高溫度，應由鑒定試驗來確定。一般陽樹脂可耐100℃或更高的溫度；陰樹脂，強鹼性的約可耐60℃，弱鹼性的可耐80℃以上。通常，鹽型要比酸型或鹼型穩定。
9、 抗凍性
根據對各種樹脂在－20℃的抗凍性試驗，發現大孔型樹脂的搞凍性優於凝膠型樹脂，實際上冰對大孔型樹脂沒有影響。凝膠型陽樹脂的抗凍性不如陰樹脂。無論陰、陽樹脂，機械強度好的（磨後圓球率高），抗凍性能也好。進行濾干外部水分的001×7陽樹脂10周期（凍干24h，再完全解凍24h為1周期）的測定，發現磨後圓球率有所下降，裂球率提高，冰凍對浸在水中的001×7陽樹脂的磨後圓球率幾乎無影響；201×7陰樹脂不管濾干外部水分、還是浸在水中冰凍，磨後圓球率和裂球率均變化不大，表明陰樹脂韌性較強。
10、 耐輻射性能
在有核反應堆的企業中，所用離子交換劑的抗輻射性是很重要的。一般而論，無機離子交換劑的耐輻射性能較好，而樹脂均易降解，其中又以陰樹脂為嚴重。
11、導電性
乾燥的離子交換樹脂不導電，純水也不導電，但用純水潤濕的離子交換樹脂可以導電，所以這種導電屬於離子型導電。這種導電在離子交換膜及樹脂的催化作用上很重要。
二、化學性能

『玖』 離子交換的原理

有兩種理論可用於研究交換過程的選擇性：
① 多相化學反應理論假定離子A1與A2之間有如下的交換反應：
式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在於溶液相中的離子；凴1和凴2表示存在於樹脂相中的離子。以離子濃度C代替活度，依據質量作用定律,可得出離子交換平衡常數為： 式中C1、C2、叿1和叿2分別為A1、A2、凴1和凴2的離子濃度。此常數又稱選擇性系數。
②膜平衡理論認為樹脂表面相當於半透膜, 所交換的離子能自由通過；而連接在樹脂骨架上的離子不能通過。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈爾公式：
式中R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度；α1、α2、ā1和ā2分別為離子A1、A2、凴1和凴2的活度；π為滲透壓;堸為位於樹脂相的離子的偏摩爾體積。由上式可以看出，化合價較高、體積較小（即水化半徑較小）的離子，將優先與樹脂結合。因此，溶液中各種離子的化合價及體積相差越大，離子交換過程的選擇性越高。 離子交換是一種液固相反應過程，必然涉及物質在液相和固相中的擴散過程。在常溫下，交換反應的速度很快，不是控制因素。如果進行交換的離子在液相中的擴散速度較慢，稱為外擴散控制，如果在固相中的擴散較慢，則稱為內擴散控制。
早期的研究系從斐克定律（見分子擴散）出發，所導出的速率方程式只適用於同位素離子的交換。實際上，離子交換過程至少有兩種離子反向擴散。如果它們的擴散速率不等，就會產生電場，此電場必對離子的擴散產生影響。考慮到此電場的影響，F.G.赫爾弗里希導出相應的速率方程為：
式中N為物質通量；D為擴散系數；F為法拉第常數；φ為電極電位。

『拾』 離子交換樹脂 體積全交換容量 eq/l表示什麼意思

離子交換樹脂的離子交換容量
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，前者為後者乘離子價數)。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)，後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，但後者所佔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，並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於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。