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概念
離子交換反應(yīng)是指離子交換劑功能基中的陽(yáng)離子或陰離子與溶液中同性離子進(jìn)行可逆交換的過(guò)程。用于濕法冶金的離子交換劑主要是離子交換樹(shù)脂。具有固定陰離子的離子交換樹(shù)脂，它交換的離子帶正電荷，其交換過(guò)程稱(chēng)為陽(yáng)離子交換;而具有固定陽(yáng)離子的離子交換樹(shù)脂，所交換的離子帶有負(fù)電荷，其交換過(guò)程，稱(chēng)為陰離子交換。離子交換是在離子交換設(shè)備中進(jìn)行的，通過(guò)離子交換劑的吸附和解吸作用進(jìn)行物質(zhì)的分離或富集以及離子交換樹(shù)脂再生。涉及離子交換的主要參數(shù)有離子交換樹(shù)脂分配吸收、交換率。在離子交換工藝過(guò)程中，按處理的料液是否含有懸浮固體，分為礦漿吸附法和清液吸附法。顧名思義，礦漿吸附法是用于離子交換樹(shù)脂直接在礦漿中進(jìn)行吸附作業(yè)，而清液吸附法是在不含懸浮固體料液中進(jìn)行吸附的離子交換工藝。
工藝過(guò)程
離子交換反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，典型的反應(yīng)為:A+ BReS=B+AReS。式中BReS為離子交換樹(shù)脂的功能基，ReS為固定在離子交換樹(shù)脂或其他類(lèi)型離子交換劑上的離子，B為可交換的一價(jià)陽(yáng)離子，A為料液中一價(jià)的陽(yáng)離子。
料液中的A取代B而為離子交換樹(shù)脂所捕獲的過(guò)程稱(chēng)為交換或吸附，在交換過(guò)程中當(dāng)B幾乎全部被A所取代后，即使再通入含A的料液，A也會(huì)原封不動(dòng)的流出來(lái)，此時(shí)，便認(rèn)為離子交換處于平衡狀態(tài)。當(dāng)往被A所交換的離子交換樹(shù)脂中通入某種含B而B(niǎo)又能取代離子交換樹(shù)脂中A的溶液時(shí)，反應(yīng)便向交換的逆方向進(jìn)行。即流出含A的溶液，而B(niǎo)ReS功能基因再生。稱(chēng)這一操作為淋洗、再生或解吸。稱(chēng)所用的這種溶液為淋洗液或再生劑。這樣，特定離子通過(guò)交換為離子交換樹(shù)脂所捕獲，然后經(jīng)過(guò)淋洗又可以回收。但離子為離子交換樹(shù)脂所捕獲的程度，或從所捕獲的離子交換樹(shù)脂上淋洗下來(lái)的程度，則因不同離子而異。因此，通過(guò)交換和淋洗操作，即可實(shí)現(xiàn)離子的選擇性分離。通常用離子選擇系數(shù)Kd來(lái)評(píng)價(jià)離子的分離程度。當(dāng)Kd約等于1時(shí)，表明離子交換樹(shù)脂對(duì)離子沒(méi)有選擇性，離子得不到分離;而當(dāng)Kd大于1或小于1時(shí)，則表明離子交換樹(shù)脂對(duì)離子有選擇性，而在Kd遠(yuǎn)大于1或Kd遠(yuǎn)小于1時(shí)，離子分離的更加徹di。離子交換之所以能使離子分離，是基于各種離子的選擇系數(shù)不同及離子和離子交換樹(shù)脂的結(jié)合力不一樣。當(dāng)混合離子溶液流過(guò)充填著離子交換樹(shù)脂的交換柱時(shí)，各離子按其選擇系數(shù)分別形成各自的吸附帶而被捕集。在淋洗階段，利用同樣原理擴(kuò)大其選擇性。由此可知，比較難以吸附而容易淋洗的離子便在初期階段流出的淋洗液中出現(xiàn)并富集;與此相反，容易吸附而難以淋洗的離子則在后階段的淋洗液中富集，從而得到分離。
離子交換的工藝過(guò)程一般由交換、反洗、淋洗（再生）、正洗四部分組成，原則流程圖如圖1。反洗的目的是在淋洗之前洗去離子交換樹(shù)脂中的雜質(zhì)和松動(dòng)離子交換樹(shù)脂層，正洗是在淋洗之后洗去離子交換樹(shù)脂顆粒之間及表面上的再生劑。
交換速度
離子交換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速度不像溶液中離子交換反應(yīng)速度那樣快。因?yàn)殡x子交換樹(shù)脂與溶液接觸進(jìn)行的離子交換反應(yīng)，不僅發(fā)生在離子交換樹(shù)脂顆粒表面，更主要的是在離子交換樹(shù)脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行。當(dāng)溶液中的交換離子擴(kuò)散到離子交換樹(shù)脂表面后，還需要經(jīng)過(guò)5個(gè)步驟，才能完成一個(gè)交換過(guò)程:（1）溶液中的交換離子達(dá)到離子交換樹(shù)脂和溶液形成的表面膜后，再向這層膜內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散，稱(chēng)為膜擴(kuò)散;（2）交換離子到達(dá)離子交換樹(shù)脂后，繼續(xù)在離子交換樹(shù)脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，稱(chēng)為粒擴(kuò)散;（3）發(fā)生交換反應(yīng);（4）交換下來(lái)的離子在離子交換樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散到離子交換樹(shù)脂顆粒表面;（5）交換下來(lái)的離子繼續(xù)擴(kuò)散穿過(guò)顆粒表面膜，進(jìn)入溶液。
在離子交換樹(shù)脂交換位置上的實(shí)際交換速度是較快的，但離子擴(kuò)散速度較慢，尤其是溶脹的離子交換樹(shù)脂呈凝膠狀，密度大，使離子的擴(kuò)散速度變得更為緩慢，這就是離子交換反應(yīng)比溶液離子互換反應(yīng)速度慢的主要原因。
影響離子交換反應(yīng)速度的還有離子交換樹(shù)脂種類(lèi)、交換離子、離子濃度、攪拌作用及作業(yè)溫度等因素。一般凝膠離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度增加，交換速度會(huì)明顯下降。大孔徑離子交換樹(shù)脂內(nèi)部的微孔既多又大，其表面積也大，活性中心多，這種例子交換樹(shù)脂的交換速度快，在增加其交聯(lián)度時(shí)，雖然也會(huì)降低交換反應(yīng)速度，但不很明顯。一般而言，在進(jìn)行離子交換時(shí)，提高溶液中交換離子濃度和溫度，加強(qiáng)攪拌作用，都會(huì)使離子交換反應(yīng)速度變快。
離子交換理論
（1）晶格交換理論:離子交換樹(shù)脂的交換機(jī)理與晶體中的晶格離子和電解質(zhì)溶液離子間的交換相似，可以把各種陽(yáng)離子和陰離子交換樹(shù)脂看做為具有大分子量的聚合電解質(zhì)，與離子交換樹(shù)脂中的功能基結(jié)合的離子像晶體的聯(lián)接離子一樣，可與相接觸的電解質(zhì)溶液中的某些離子進(jìn)行交換。
（2）雙電層理論:對(duì)離子交換的解釋建立在古維和斯特恩的雙電層模型上，這種模型認(rèn)為離子交換樹(shù)脂在溶液中與膠體類(lèi)似。存在一個(gè)雙電層。離子交換樹(shù)脂的功能基構(gòu)成固定不變的內(nèi)層，與功能基結(jié)合的離子為可擴(kuò)散移動(dòng)的外層。擴(kuò)散外層中的離子一直延伸到外面溶液的介質(zhì)中，溶液中的一些離子將會(huì)替代某些原來(lái)處于這一層中的離子，發(fā)生離子交換，這種交換按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行。
（3）道南膜理論:假定離子交換樹(shù)脂由不能滲透擴(kuò)散的離子和能擴(kuò)散的交換離子組成，把離子交換樹(shù)脂看成是濃的電解質(zhì)溶液，離子交換樹(shù)脂和液的接觸界面作為膜，離子交換樹(shù)脂中的可交換離子和溶液中某些帶相同電荷的離子，在適當(dāng)條件下，穿過(guò)假定膜發(fā)生交換。
發(fā)展歷程
早在19世紀(jì)初，人們就觀(guān)察到土壤能吸附某些物質(zhì)，到19世紀(jì)中葉離子交換的事實(shí)為人們所確認(rèn)。20世紀(jì)初，離子交換已用于工業(yè)水的軟化。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著穩(wěn)定性好，交換量大的磺酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、聚胺型陰離子交換樹(shù)脂、苯乙烯和兩烯酸衍生物合成樹(shù)脂的問(wèn)世，離子交換技術(shù)在金屬的提取和分離、水處理、化學(xué)分析、化合物提純、環(huán)境保護(hù)和醫(yī)藥等方面獲得了廣泛應(yīng)用。
隨著較便宜而有效萃取劑的出現(xiàn)及溶劑萃取技術(shù)的進(jìn)步，離子交換在濕法冶金中的地位有所下降。但對(duì)于用其他方法難于處理的微量元素的回收，或要得到高純產(chǎn)品的生產(chǎn)，離子交換法仍不失為濕法冶金中一項(xiàng)專(zhuān)用的分離和提純的重要單元過(guò)程。其發(fā)展方向是:（1）研究與擴(kuò)大應(yīng)用離子交換法進(jìn)行分離及提純的新工藝;（2）研究與合成性能優(yōu)良的高效離子交換樹(shù)脂;（3）研究與設(shè)計(jì)能連續(xù)化作業(yè)的離子交換設(shè)備;（4）繼續(xù)開(kāi)展離子交換理論的研究。
參考資料
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