離子交換

水溶液中的一些陽離子進入反離子層，而原來在反離子層中的陽離子進入水溶液，這種發生在反離子層與正常濃度處水溶液之間的同性離子交換被稱為離子交換作用。離子交換主要發生在擴散層與正常水溶液之間，由於黏土顆粒表面通常帶的是負電荷，故離子交換以陽離子交換為主，故又稱為陽離子交換。離子交換嚴格服從當量定律，即進入反離子層的陽離子與被置換出反離子層的陽離子的當量相等。

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後的事。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，更適用於高純度的分離和淨化。 ^[1] 

離子交換主要用於水處理（軟化和純化）；溶液（如糖液）的精製和脱色；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。 ^[2] 

離子交換是應用離子交換劑（最常見的是離子交換樹脂）分離含電解質的液體混合物的過程。離子交換過程是液固兩相間的傳質（包括外擴散和內擴散）與化學反應（離子交換反應）過程，通常離子交換反應進行得很快，過程速率主要由傳質速率決定。

離子交換反應一般是可逆的，在一定條件下被交換的離子可以解吸（逆交換），使離子交換劑恢復到原來的狀態，即離子交換劑通過交換和再生可反覆使用。同時，離子交換反應是定量進行的，所以離子交換劑的交換容量（單位質量的離子交換劑所能交換的離子的當量數或摩爾數）是有限的。 ^[3] 

有兩種理論可用於研究交換過程的選擇性：

假定離子A₁與A₂之間有如下的交換反應：

認為樹脂表面相當於半透膜，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。在常温下，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於同位素離子的交換。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.赫爾弗裏希導出相應的速率方程為：

式中N為物質通量；D為擴散係數；F為法拉第常數；φ為電極電位。

主要類型有：

①攪拌槽，適用於處理粘稠液體。當單級交換達不到要求時，可用多級組成級聯。

②固定牀離子交換器，也稱離子交換柱，是用於離子交換的固定牀傳質設備，應用最廣。

③移動牀離子交換器，是用於離子交換的移動牀傳質設備，由於技術上的困難尚未得到工業應用。

EDI（Electro-de-ionization）是一種將離子交換技術、離子交換膜技術和離子電遷移技術（電滲析技術）相結合的純水製造技術。該技術利用離子交換能深度脱鹽來克服電滲析極化而脱鹽不徹底，又利用電滲析極化而發生水電離產生H和OH離子實現樹脂自再生來克服樹脂失效後通過化學藥劑再生的缺陷，是20世紀80年代以來逐漸興起的新技術。經過十幾年的發展，EDI技術已經在北美及歐洲佔據了相當部分的超純水市場。

EDI裝置包括陰/陽離子交換膜、離子交換樹脂、直流電源等設備。其中陰離子交換膜只允許陰離子透過，不允許陽離子通過，而陽離子交換膜只允許陽離子透過，不允許陰離子通過。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，並構成淡水室。單元與單元之間用網狀物隔開，形成濃水室。在單元組兩端的直流電源陰陽電極形成電場。來水水流流經淡水室，水中的陰陽離子在電場作用下通過陰陽離子交換膜被清除，進入濃水室。在離子交換膜之間充填的離子交換樹脂大大地提高了離子被清除的速度。同時，水分子在電場作用下產生氫離子和氫氧根離子，這些離子對離子交換樹脂進行連續再生，以使離子交換樹脂保持最佳狀態。EDI裝置將給水分成三股獨立的水流：純水、濃水、和極水。純水（90%-95%）為最終得到水，濃水（5%-10%）可以再循環處理，極水（1%）排放掉。

EDI裝置屬於精處理水系統，一般多與反滲透（RO）配合使用，組成預處理、反滲透、EDI裝置的超純水處理系統，取代了傳統水處理工藝的混合離子交換設備。EDI裝置進水要求為電阻率為0.025-0.5MΩ·cm，反滲透裝置完全可以滿足要求。EDI裝置可生產電阻率高達15MΩ·cm以上的超純水。

EDI技術在國外廣泛的應用有十幾年的時間，大多用於製藥行業、微電子行業、發電工業和實驗室。在表面清洗、表面塗裝、電解工業和化工工業的應用也日趨廣泛。在我國應用時間只有2-3年，主要用於醫藥和微電子工業的超純水的處理，而在發電行業化學水處理系統中的應用剛剛興起。

EDI裝置屬於水精處理設備，具有連續產水、水質高、易控制、佔地少、不需酸鹼、利於環保等優點，具有廣泛的應用前景。隨着設備改進與技術完善以及針對不同行業進行優化，初投資費用會大大降低。可以相信在不久的將來會完全取代傳統的水處理工藝中的混合 。