离子交换反应

离子交换剂功能基中的阳离子或阴离子与溶液中同性离子进行可逆交换的过程

离子交换反应是指离子交换剂功能基中的阳离子或阴离子与溶液中同性离子进行可逆交换的过程。在湿法冶金中常用于从水溶液中提取有价金属或作为溶液净化的一种手段。

概念

离子交换反应是指离子交换剂功能基中的阳离子或阴离子与溶液中同性离子进行可逆交换的过程。用于湿法冶金的离子交换剂主要是离子交换树脂。具有固定阴离子的离子交换树脂，它交换的离子带正电荷，其交换过程称为阳离子交换；而具有固定阳离子的离子交换树脂，所交换的离子带有负电荷，其交换过程，称为阴离子交换。离子交换是在离子交换设备中进行的，通过离子交换剂的吸附和解吸作用进行物质的分离或富集以及离子交换树脂再生。涉及离子交换的主要参数有离子交换树脂分配吸收、交换率。在离子交换工艺过程中，按处理的料液是否含有悬浮固体，分为矿浆吸附法和清液吸附法。顾名思义，矿浆吸附法是用于离子交换树脂直接在矿浆中进行吸附作业，而清液吸附法是在不含悬浮固体料液中进行吸附的离子交换工艺。

工艺过程

离子交换反应是一种可逆反应，典型的反应为：A++ BReS-=B++AReS-。式中BReS-为离子交换树脂的功能基，ReS-为固定在离子交换树脂或其他类型离子交换剂上的离子，B+为可交换的一价阳离子，A+为料液中一价的阳离子。

料液中的A+取代B+而为离子交换树脂所捕获的过程称为交换或吸附，在交换过程中当B+几乎全部被A+所取代后，即使再通入含A+的料液，A+也会原封不动的流出来，此时，便认为离子交换处于平衡状态。当往被A+所交换的离子交换树脂中通入某种含B+而B+又能取代离子交换树脂中A+的溶液时，反应便向交换的逆方向进行。即流出含A+的溶液，而BReS-功能基因再生。称这一操作为淋洗、再生或解吸。称所用的这种溶液为淋洗液或再生剂。这样，特定离子通过交换为离子交换树脂所捕获，然后经过淋洗又可以回收。但离子为离子交换树脂所捕获的程度，或从所捕获的离子交换树脂上淋洗下来的程度，则因不同离子而异。因此，通过交换和淋洗操作，即可实现离子的选择性分离。通常用离子选择系数Kd来评价离子的分离程度。当Kd约等于1时，表明离子交换树脂对离子没有选择性，离子得不到分离；而当Kd大于1或小于1时，则表明离子交换树脂对离子有选择性，而在Kd远大于1或Kd远小于1时，离子分离的更加彻底。离子交换之所以能使离子分离，是基于各种离子的选择系数不同及离子和离子交换树脂的结合力不一样。当混合离子溶液流过充填着离子交换树脂的交换柱时，各离子按其选择系数分别形成各自的吸附带而被捕集。在淋洗阶段，利用同样原理扩大其选择性。由此可知，比较难以吸附而容易淋洗的离子便在初期阶段流出的淋洗液中出现并富集；与此相反，容易吸附而难以淋洗的离子则在后阶段的淋洗液中富集，从而得到分离。

离子交换的工艺过程一般由交换、反洗、淋洗（再生）、正洗四部分组成，原则流程图如图1所示。反洗的目的是在淋洗之前洗去离子交换树脂中的杂质和松动离子交换树脂层，正洗是在淋洗之后洗去离子交换树脂颗粒之间及表面上的再生剂。

交换速度

离子交换反应动力学速度不像溶液中离子交换反应速度那样快。因为离子交换树脂与溶液接触进行的离子交换反应，不仅发生在离子交换树脂颗粒表面，更主要的是在离子交换树脂颗粒内部进行。当溶液中的交换离子扩散到离子交换树脂表面后，还需要经过5个步骤，才能完成一个交换过程：（1）溶液中的交换离子达到离子交换树脂和溶液形成的表面膜后，再向这层膜内进行扩散，称为膜扩散；（2）交换离子到达离子交换树脂后，继续在离子交换树脂颗粒内部进行扩散，称为粒扩散；（3）发生交换反应；（4）交换下来的离子在离子交换树脂内扩散，扩散到离子交换树脂颗粒表面；（5）交换下来的离子继续扩散穿过颗粒表面膜，进入溶液。

在离子交换树脂交换位置上的实际交换速度是较快的，但离子扩散速度较慢，尤其是溶胀的离子交换树脂呈凝胶状，密度大，使离子的扩散速度变得更为缓慢，这就是离子交换反应比溶液离子互换反应速度慢的主要原因。

影响离子交换反应速度的还有离子交换树脂种类、交换离子、离子浓度、搅拌作用及作业温度等因素。一般凝胶离子交换树脂的交联度增加，交换速度会明显下降。大孔径离子交换树脂内部的微孔既多又大，其表面积也大，活性中心多，这种例子交换树脂的交换速度快，在增加其交联度时，虽然也会降低交换反应速度，但不很明显。一般而言，在进行离子交换时，提高溶液中交换离子浓度和温度，加强搅拌作用，都会使离子交换反应速度变快。

离子交换理论

（1）晶格交换理论：离子交换树脂的交换机理与晶体中的晶格离子和电解质溶液离子间的交换相似，可以把各种阳离子和阴离子交换树脂看做为具有大分子量的聚合电解质，与离子交换树脂中的功能基结合的离子像晶体的联接离子一样，可与相接触的电解质溶液中的某些离子进行交换。

（2）双电层理论：对离子交换的解释建立在古维和斯特恩的双电层模型上，这种模型认为离子交换树脂在溶液中与胶体类似。存在一个双电层。离子交换树脂的功能基构成固定不变的内层，与功能基结合的离子为可扩散移动的外层。扩散外层中的离子一直延伸到外面溶液的介质中，溶液中的一些离子将会替代某些原来处于这一层中的离子，发生离子交换，这种交换按化学计量进行。

（3）道南膜理论：假定离子交换树脂由不能渗透扩散的离子和能扩散的交换离子组成，把离子交换树脂看成是浓的电解质溶液，离子交换树脂和液的接触界面作为膜，离子交换树脂中的可交换离子和溶液中某些带相同电荷的离子，在适当条件下，穿过假定膜发生交换。

发展历程

早在19世纪初，人们就观察到土壤能吸附某些物质，到19世纪中叶离子交换的事实为人们所确认。20世纪初，离子交换已用于工业水的软化。自20世纪50年代以来，随着稳定性好，交换量大的磺酸型阳离子交换树脂、聚胺型阴离子交换树脂、苯乙烯和两烯酸衍生物合成树脂的问世，离子交换技术在金属的提取和分离、水处理、化学分析、化合物提纯、环境保护和医药等方面获得了广泛应用。

随着较便宜而有效萃取剂的出现及溶剂萃取技术的进步，离子交换在湿法冶金中的地位有所下降。但对于用其他方法难于处理的微量元素的回收，或要得到高纯产品的生产，离子交换法仍不失为湿法冶金中一项专用的分离和提纯的重要单元过程。其发展方向是：（1）研究与扩大应用离子交换法进行分离及提纯的新工艺；（2）研究与合成性能优良的高效离子交换树脂；（3）研究与设计能连续化作业的离子交换设备；（4）继续开展离子交换理论的研究。

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