1 定義

梁世中在其主編的《生物工程設備（第二版）》中，對“離子交換樹脂”定義如下：離子交換樹脂是一種具有網狀立體結構、且不溶于酸、堿和有機溶劑的固體高分子化合物。離子交換樹脂的單元結構由兩部分組成。一部分是不可移動且具有立體結構的網絡骨架，另一部分是可在網絡骨架和溶液間自由遷移的活性離子。

▲源自《實用注冊環保工程師手冊》

離子交換樹脂的交換機理：

1. A+ 自溶液中擴散到樹脂表面；
2. A+ 從樹脂表面再擴散到樹脂內部的活性基團；
3. A+ 在樹脂內部的活性基團中發生交換反應；
4. 交換出來的 B+ 從樹脂內部的活性基團擴散到樹脂表面；
5. B+ 從樹脂表面擴散到溶液中。

根據電荷中和原則，步驟 1 和步驟 5 同時發生，同樣步驟 2 和步驟 4 也同時發生，交換速度均相等。

2 離子交換樹脂分類

按樹脂骨架分類，離子交換樹脂可分為：

1. 聚苯乙烯型樹脂；
2. 聚丙烯酸型樹脂；
3. 酚醛型樹脂等。

按離子交換樹脂聚合的化學反應可分為：

1. 共聚型樹脂；
2. 縮聚型樹脂。

按樹脂骨架的物理結構分類，離子交換樹脂可分為：

1. 凝膠型樹脂（亦稱微孔樹脂）；
2. 大網格樹脂（亦稱大孔樹脂）；
3. 均孔樹脂。

按離子交換樹脂活性基團電離程度及其與溶液中陰、陽離子交換情況，分為：

1. 強酸性陽離子交換樹脂；
2. 弱酸性陽離子交換樹脂；
3. 強堿性陰離子交換樹脂；
4. 弱堿性陰離子交換樹脂。

在實際應用過程中，強酸性陽離子交換樹脂、強堿性陰離子交換樹脂常常被預先轉化為不再具有強酸性、強堿性，卻仍舊保留其他特性的鈉型和氯型。鈉型樹脂在離子交換過程中，釋放出鈉離子，而非氫離子，可避免溶液 pH 值降低和由此造成的設備腐蝕等副作用。同理，氯型樹脂在離子交換過程中，釋放出氯離子，而非氫氧根，避免了溶液 pH 值升高。鈉型樹脂、氯型樹脂在再生時均采用食鹽水作為再生劑，無需采用強酸和強堿。

3 影響離子交換速度的因素

1. 顆粒大小：離子交換樹脂顆粒越小，越有利提高離子在樹脂內、外部擴散的速度。
2. 交聯度：使各個單體交聯而形成樹脂交聚物的物質稱交聚劑，樹脂中含交聚劑的重量百分數稱交聯度。交聯度越小，離子交換樹脂間空隙越大，越易膨脹，使得離子在樹脂內部擴散越容易，交換速度越快。
3. 溫度：提高溶液溫度能提高擴散系數，加快離子擴散。
4. 離子化合價：離子在樹脂中擴散時，和樹脂骨架間存在庫倫引力。離子化合價越高，庫倫引力越大，內擴散速度越小。根據研究者提供的結論：陽離子增加一個電荷，其內擴散速度約減慢為原來的 1/10 。
5. 離子大小：小離子的擴散速度較快，而大分子由于與樹脂骨架發生碰撞，使骨架變形，降低了擴散速度。工業上利用這種現象發展出了分子篩。
6. 攪拌速度：在交換過程中攪拌，可加快擴散，但不會影響內擴散。
7. 溶液濃度：隨溶液濃度增大，離子擴散速度變快。但當溶液濃度增大到某一數值后，離子擴散增速開始逐漸趨緩。

4 離子交換的選擇性

當溶液中同時存在多種離子時，離子交換樹脂對離子有選擇吸附作用。影響離子交換順序的因素有：

1. 離子水合半徑：離子水合半徑越小，與樹脂間的親和力就越大，也就越優先交換。在高濃度溶液中，由于離子的水合作用不充分，離子水合半徑接近離子半徑，因此，離子水合半徑近似由原子序數決定：原子序數越大，離子水合半徑越大。
2. 離子化合價：在常溫下的稀濃度溶液中，離子的化合價越高，越優先交換（Cr3+ ＞ Ca2+ ＞Na+ ；PO43-＞ SO42- ＞ Cl–）。對于同價離子，原子序數越大，越優先交換（K+ ＞ Na+ ＞ H+）；稀土元素則恰恰相反。
3. 溶液組分：有機溶劑的存在會使有機離子脫水收縮，結構緊密，從而降低離子交換樹脂吸附有機離子的能力。

5 離子交換設備

根據離子交換的操作方式不同，可分為：

1. 靜態設備：靜態設備為一帶有攪拌器的反應罐，反應罐僅作靜態交換用，交換后利用沉降、過濾或水力旋風將樹脂分離，然后裝入解吸罐（柱）中洗滌和解吸。這種設備目前已經較為罕見。
2. 動態交換設備：按操作方式不同分為間歇操作的固定床和連續操作的流動床兩大類。

下面簡要介紹一下混合床交換罐的工作原理。混合床交換罐主要用于制備無鹽水，罐內同時裝填了陽、陰兩種離子交換樹脂，脫鹽較完全。在制備無鹽水時，可將水中的陽、陰離子同時除去，而從樹脂上交換出來的 H+ 和 OH– 結合成水，可避免由于出水 pH 的變化而影響產品的質量。混合床交換罐工作過程可分為三個階段：

1. 制備無鹽水；
2. 設備反洗；
3. 離子交換樹脂再生。

6 離子交換樹脂在水污染治理工程中的應用

在水污染治理工程中，離子交換工藝適用于原水脫鹽凈化，回收工業廢水中有價金屬離子、陰離子化工原料等。

去除水中吸附交換能力較強的陽離子可選用弱酸性陽離子交換樹脂；去除水中吸附交換能力較弱的陽離子可選用強酸型陽離子交換樹脂；進水中有機物含量較多時，宜選用抗氧化性好，機械強度較高的大孔型樹脂。

工業廢水處理過程產生的廢棄離子交換樹脂（廢物代碼：900-015-13）需嚴格執行危險廢物轉移聯單管理制度，交有資質單位安全處置。