離子交換（1）

借助于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，是一種屬于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。

離子交換樹脂充夾在陰陽離子交換膜之間形成單個處理單元,并構成淡水室。離子交換速度隨樹脂交聯度的增大而降低，隨顆粒的減小而增大。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。EDI裝置與混床離子交換設備屬于水處理系統中的精處理設備,下面將兩種設備在產水水質、投資量及運行成本方面進行比較,來說明EDI裝置在水處理中應用的優越性。

介紹

早在1850年就發現了土壤吸收銨鹽時的離子交換現象,但離子交換作為一種現代分離手段,是在20世紀40年代人工合成了離子交換樹脂以后的事。離子交換操作的過程和設備，與吸附基本相同，但離子交換的選擇性較高，更適用于高純度的分離和凈化。

目前離子交換主要用于水處理(軟化和純化)；溶液（如糖液）的精制和脫色；從礦物浸出液中提取鈾和稀有金屬；從發酵液中提取抗生素以及從工業廢水中回收貴金屬等。

原理

平衡

有兩種理論可用于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：

離子交換

式中Z1和Z2分別為離子A1和A2的化合價;A1和A2表示存在于溶液相中的離子；凴1和凴2表示存在于樹脂相中的離子。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　認為樹脂表面相當于半透膜, 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：

離子交換

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;堸為位于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。

動力學

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于同位素離子的交換。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：

離子交換

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。

設備

主要類型有：①攪拌槽（見傳質設備），適用于處理粘稠液體。當單級交換達不到要求時，可用多級組成級聯。②固定床離子交換器,也稱離子交換柱,是用于離子交換的固定床傳質設備，應用最廣。③移動床離子交換器，是用于離子交換的移動床傳質設備，由于技術上的困難尚未得到工業應用。