离子交换

　　借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换是可逆的等当量交换反应。早在1850年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象,但离子交换作为一种现代分离手段,是在20世纪40年代人工合成了离子交换树脂以后的事。离子交换操作的过程和设备，与吸附基本相同，但离子交换的选择性较高，更适用于高纯度的分离和净化。
　　目前，离子交换主要用于水处理(软化和纯化)；溶液（如糖液）的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵液中提取抗生素以及从工业废水中回收贵金属等。
　　离子交换平衡 　有两种理论可用于研究交换过程的选择性：
　　① 多相化学反应理论 假定离子A₁与A₂之间有如下的交换反应：

式中Z₁和Z₂分别为离子A₁和A₂的化合价;A₁和A₂表示存在于溶液相中的离子；凴₁和凴₂表示存在于树脂相中的离子。以离子浓度C代替活度，依据质量作用定律,可得出离子交换平衡常数为：

式中C₁、C₂、叿₁和叿₂分别为A₁、A₂、凴₁和凴₂的离子浓度。此常数又称选择性系数。
　　②膜平衡理论　认为树脂表面相当于半透膜, 所交换的离子能自由通过；而连接在树脂骨架上的离子不能通过。按照F.G.唐南膜平衡原理，可得出格雷戈尔公式：

式中R为摩尔气体常数;T为绝对温度；α₁、α₂、ā₁和ā₂分别为离子A₁、A₂、凴₁和凴₂的活度；π为渗透压;堸为位于树脂相的离子的偏摩尔体积。由上式可以看出，化合价较高、体积较小（即水化半径较小）的离子，将优先与树脂结合。因此，溶液中各种离子的化合价及体积相差越大，离子交换过程的选择性越高。
　　离子交换动力学 　离子交换是一种液固相反应过程，必然涉及物质在液相和固相中的扩散过程。在常温下，交换反应的速度很快，不是控制因素。如果进行交换的离子在液相中的扩散速度较慢，称为外扩散控制，如果在固相中的扩散较慢，则称为内扩散控制。
　　早期的研究系从斐克定律（见分子扩散）出发，所导出的速率方程式只适用于同位素离子的交换。实际上，离子交换过程至少有两种离子反向扩散。如果它们的扩散速率不等，就会产生电场，此电场必对离子的扩散产生影响。考虑到此电场的影响，F.G.赫尔弗里希导出相应的速率方程为：

式中N为物质通量；D为扩散系数；F为法拉第常数；φ为电极电位。
　　设备 　主要类型有：①搅拌槽（见传质设备），适用于处理粘稠液体。当单级交换达不到要求时，可用多级组成级联。②固定床离子交换器,也称离子交换柱,是用于离子交换的固定床传质设备，应用最广。③移动床离子交换器，是用于离子交换的移动床传质设备，由于技术上的困难尚未得到工业应用。
　　参考书目
　F.C.纳考德、J.修伯特主编，钱庭宝等译：《离子交换技术》,科学出版社,北京,1960。(F.C.Nachod and J.Schubert, Ion Exchange Technology,Academic Press,New York,1956.)
　小坂勇次郎、清水博编，李基森等编译：《离子交换膜及其应用》，科学出版社，北京，1977。（小坂勇次郎、清水博編：《ィオン交换膜》，共立出版株式会社，東京，1963。）