離子交換樹脂的功能及工作原理

離子交換樹脂的性能簡介 :

離子交換樹脂(Ion exchange resin )的基本功能:

　　去除溶解在水中各種陰陽離子(De-ionization)是使用離子交換樹脂的主要目的，可輕易將水中的無機離子排除到ppb(十億分之一)或ppt(兆分之一)的等級，這就是利用離子交換原理的水質純化技術。

    所謂的超純水(18.2MΩ.cm)的最後一段純化流程就是要靠混床式離子交換樹脂(mixed bed ion exchange resin)來達成的。

樹脂分成兩種:  陽離子交換樹脂 vs. 陰離子交換樹脂

離子交換樹脂的工作原理:

 陽離子交換樹脂利用氫離子(H⁺)來交換水中的陽離子;而陰離子交換樹脂則利用氫氧根離子(OH^–)來交換陰離子，氫離子與氫氧根離子互相結合成中性水，其反應流程如下:

在上圖及下圖中，我們利用鈉離子Na⁺代表所有的陽離子，而利用氯離子Cl^–代表所有的陰離子來進行離子交換反應:

離子交換能力分成兩種:  強 vs. 弱

    根據不同應用的需求，不同的陰/陽離子交換樹脂的化學官能基有強弱之分(如下圖) ，導致其交換能力(純化能力)及再生條件皆有所不同:

離子交換樹脂的再生:

    離子交換是一種可逆反應，利用強酸(針對陽離子交換樹脂)或強鹼(針對陰離子交換樹脂)可洗去過多的離子使之再生、重複使用。

　　這些樹脂之吸附能力耗盡之後需要再還原，陽離子交換樹脂需要強酸的H⁺離子來還原(藉由濃度優勢);相反的，陰離子則需要強鹼的OH^–離子來還原。

離子交換樹脂對不同離子的吸附能力及交換順序:

陽離子交換樹脂對各種陽離子的吸附力有所差異，這也是造成不同陽離子之間在離子交換樹脂的表面上產成交換的原因，其交換的強弱程度及相對關係如下:

　　Ba²⁺>Pb²⁺>Sr²⁺>Ca²⁺>Ni²⁺>Cd²⁺>CU²⁺>Co²⁺>Zn²⁺>Mg²⁺>Ag⁺>Cs⁺>K⁺>NH₄⁺>Na⁺>H⁺

陰離子交換樹脂與各陰離子之間的親合力強度如下:

　　S0₄^2->I^–>NO₃^–>NO₂^–>Cl^–>HCO₃^–>OH^–

離子交換樹脂的酸鹼值問題:

在混床式離子交換樹脂中，如果陰離子交換樹脂飽和而繼續使用時，因吸附力最弱的氫氧離子OH^–被消耗完畢但因陽離子交換樹脂功能正常而繼續交換出氫離子H⁺時，純水中的pH會下降變酸，水質變差。

    如果在混床式離子交換樹脂中的陽離子交換樹脂呈現飽和時，氫氧離子OH^–也會出現在純水之中，造成水質鹼性的增加( pH值的上升)，所以去離子功能是否有效，需要時常監測。

離子交換樹脂的水質監測方式:

    一般是靠電阻率(單位: MΩ.cm Resistivity; 俗稱阻抗)或電導率 (單位: μS/cm  Conductivity; 俗稱導電度)來判斷。

    電導率與水中的總離子濃度成正比關係，而電阻率則與總離子濃度成反比關係。

    在水處理的工程上，較常使用的單位則是: TDS 總可溶性固體( Total Dissolved Solid) ，與電導率有下列的轉換關係:

                  TDS (ppm) = 電導率/2  (as NaCl)

保養的重要性:

    去離子法所使用的離子交換樹脂在缺乏正確保養維護時，會造成細菌的繁殖引起水質汙染及交換能力降低，這是值得注意的一點。

離子交換樹脂的應用:

    離子交換技術廣泛應用於食品飲料業、電鍍、化工及石油化工、製藥、和飲用水、核子工業、軟化及工業用水、半導體、電力工程等行業。

    此原理也廣泛應用於家庭之中（洗滌劑、濾水器）用於生產軟水。其運作方式是將水中的Ca²⁺或Mg²⁺替換成Na⁺離子以達到軟水的目的。

各種陰/陽離子交換樹脂的化學性質分類及其工作原理:

(1) 強酸性陽離子交換樹脂
這類樹脂含有大量的強酸性官能基，如磺酸基－SO₃H，容易在溶液中離解出H⁺，故呈強酸性。樹脂離解後，本體所含的負電基團，如SO₃^－，能吸附結合溶液中的其他陽離子。這兩個反應使樹脂中的H⁺與溶液中的陽離子互相交換。強酸性樹脂的解離能力很強，在酸性或鹼性溶液中均能解離和產生離子交換作用。
樹脂在使用一段時間後，要進行再生處理，即使用化學藥品(強酸)使離子交換反應以相反方向進行，使樹脂的官能基團回復原來狀態，以供再次使用。如上述的陽離子樹脂是用強酸進行再生處理，此時樹脂放出被吸附的陽離子，再與H⁺結合而恢復原來的組成。

(2) 弱酸性陽離子交換樹脂
　　這類樹脂含弱酸性官能基，如羧基－COOH，能在水中離解出H⁺ 而呈酸性。樹脂離解後餘下的負電基團，如R-COO^－(R為碳氫基團)，能與溶液中的其他陽離子吸附結合，從而產生陽離子交換作用。這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進行離子交換，只能在鹼性、中性或微酸性溶液中(如pH5～14)起作用。這類樹脂亦是用酸進行再生(比強酸性樹脂較易進行再生)。

(3) 強鹼性陰離子交換樹脂
　　這類樹脂含有強鹼性官能基，如季胺基(亦稱四級胺基)－NR₃OH(R為碳氫基團)，能在水中離解出OH^－而呈強鹼性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。
這種樹脂的解離性很強，在不同pH下都能正常工作。它利用強鹼(如NaOH)來進行再生。

(4) 弱鹼性陰離子交換樹脂
　　這類樹脂含有弱鹼性官能基，如一級胺基 -NH₂、二級胺基 -NHR、或三級胺基 -NR₂，它們在水中能離解出OH^－而呈弱鹼性。這種樹脂的正電基團能與溶液中的陰離子吸附結合，從而產生陰離子交換作用。它只能在中性或酸性條件(如pH1～9)下工作。它可用Na₂CO₃、NH₄OH進行再生。

離子交換樹脂的等級:

    所謂的核子級(nuclear type)離子交換樹脂與核子物理毫無關係，它是指在製程中，利用異種核產生結晶式的三度空間同心圓的離子交換樹脂。

而所謂的電子級(electronic grade)離子交換樹脂通常是指最高純化能力的樹脂，因為電子廠可能是對水質要求最高的用戶，所以得此名稱。

離子交換樹脂的限制:

     離子交換樹脂只能去除水中陰陽離子，卻無法去除其它水中汙染物如有機汙染物，微生物，懸浮顆粒。

離子交換樹脂不能單獨使用，絕大部分以逆滲透法為前端處理，原因有二:

(一)因為離子交換樹脂非常容易被自來水或地下水的懸浮顆粒及有機汙染物阻塞而失去大部分的交換功能，而逆滲透可以輕易的去除98%以上的懸浮顆粒及有機汙染物，足以保護離子交樹脂的功能正常。

(二)通常逆滲透可以輕易的去除水中98%的陰陽離子，所以可以這樣說，經過逆滲透處理的離子交換樹脂的壽命將比未經逆滲透處理過的例子交換樹脂增加50倍的壽命，在成本考量上絕對是划算的。

總之，使用離子交換樹脂來進行水質純化是現今最重要也是無法取代的純化手段。

參考資料

elga labwater