离子交换

离子交换技术（Ion exchange）或称离子色谱法，是将两种电解质间做离子的交换，或是在电解溶液和配合物之间的交换。最常见到的例子是使用聚合物或矿物用来纯化、分离或净化纯水和其他离子溶液。其他的例子有离子交换树脂，功能化多孔或凝胶聚合物）、沸石、蒙脱石、黏土和土壤中的腐殖质。

离子交换器

离子交换树脂珠

离子交换有两类，一种是阳离子交换，指的是带正电的离子互相交换；另外的阴离子交换，则是带负电的离子互相交换。也有两性离子交换剂可让阴、阳离子同时交换。而在混床中能同时有效的进行交换阴、阳离子的交换。混床包括了阴、阳离子交换树脂，或由处理过的溶液通过几种不同的离子交换材料所制造出来。

离子交换剂，可以为非选择性或因喜好结合为某些类别的离子，这取决于其化学结构。这根据了离子的大小、电价或结构而定。可以结合交换离子的常见范例有：

• H⁺（质子）和OH⁻（氢氧化物）
• 单一原子带一价正负电的离子如Na⁺、K⁺、Cl⁻
• 单一原子带两价正负电的离子如Ca²⁺、Mg²⁺
• 多原子无机化合物的离子如SO₄²⁻、PO₄³⁻
• 有机碱，通常分子中含有氨基酸官能团-NR₂H⁺
• 有机酸，往往分子中含有-COO⁻（羧酸）官能团
• 生物分子可以被离子化：氨基酸，肽，蛋白质等…

离子交换是一种可逆反应，且离子交换剂可洗去过多的离子使之再生、重复使用。

应用

离子交换柱，用于纯化蛋白质

^[1]

离子交换技术广泛应用于食品饮料业、湿法冶金、金属加工、化工及石油化工、制药、制糖和甜味剂、地下水和饮用水、核子工业、软化及工业用水、半导体、电力工程，以及许多其他行业。

最常见的应用是制备高纯度水的电力工程、电子业和核子工业，使用不溶于水的聚合物或矿物作为离子交换之技术广泛应用于硬水软化、水净化等。

此原理也广泛应用于家庭之中（洗涤剂、滤水器）用于生产软水。其运作方式是将水中的Ca²⁺或Mg²⁺替换成Na⁺离子或H⁺离子（可见硬水软化）。

产业学界中的离子交换层析法是另一种重要的技术。 离子交换层析法是一种色谱法，被广泛用于化学分析和离子分离技术中。例如，在生物化学中被广泛应用于带电分子——蛋白质的分离。生物萃取和纯化后所产生的物质，如蛋白质之氨基酸和DNA/RNA等，也为一重要应用领域。

离子交换过程也用来分离和纯化金属，包括分离铀、钚和其他锕系元素等，包括钍、镧、钕、镱、钐、镏和其他稀土金属。有两个系列的稀土金属——镧系元素和锕系元素，这两个族内过渡元素都有非常相似的物理和化学特性。1940年代由法兰克‧斯佩丁（英语：Frank Spedding）开发了新的用法，离子交换技术成为唯一可以大量将稀土金属与其他元素分开的方法，直到出现了溶剂萃取技术，才大幅度增加产量。

一个非常重要的例子是钚铀萃取法，这是从核反应堆中分离钚和铀等用过的核子燃料，并能够处理其他的废料。然后，钚和铀可用于制造核能材料，如新的燃料和核武器。

离子交换过程，也是用来分开其他非常相似的化学成分，如锆、铪，这也是一项非常重要的核子工业。锆能被自由中子穿过，可用于建造核燃料棒的外壳；而铪是一个非常强烈的中子吸收体，可用于核反应堆中的控制棒。

离子交换器用于核燃料再提炼和处理核废料。

离子交换树脂薄膜用于氯碱工业、燃料电池和全钒氧化还原液流电池中。离子交换也可以用离子交换柱来减轻水的硬度，其原理便是将钙、镁离子替换成氢、氯离子的方法。

其他应用

• 在土壤学中，阳离子交换容量是指土壤中带正电离子的交换容量。土壤可视为自然的弱性阳离子交换剂。
• 平面波导管制造上，使用离子交换技术可制造较高折射率的引导层。
• 脱碱（英语：dealkalization），从玻璃表面去除碱性离子。
• 化学强化玻璃，用KNO₃（硝酸钾）融化玻璃表面，K⁺将会取代Na⁺。
• 在滤水过程中，利用离子交换树脂把硬水软化。

参考文献

引用

1. 离子交换层析法 互联网档案馆的存档，存档日期2015-01-11.

来源

• sunil budania (in india m.d),2010
• Ion Exchangers (K. Dorfner, ed.), Walter de Gruyter, Berlin, 1991.
• C. E. Harland, Ion exchange: Theory and Practice, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1994.
• Ion exchange (D. Muraviev, V. Gorshkov, A. Warshawsky), M. Dekker, New York, 2000.
• A. A. Zagorodni, Ion Exchange Materials: Properties and Applications, Elsevier, Amsterdam, 2006.

外部链接

• 达特茅斯学院化学实验室，实作离子交换之明确定义及图解
• 一些小程式，说明离子交换过程
• 简单解释去离子技术
• BioMineWiki上的离子交换条目 （页面存档备份，存于互联网档案馆）

参见

• 碱性阴离子交换膜（英语：alkali anion exchange membrane）
• 离子交换树脂