水族用----氢型阳离子交换树脂

1、一、氫型陽離子交換樹脂是什麼     氫型陽離子交換樹脂（有時簡稱氫型樹脂）是一種人造有機聚合物產品。最常用的原料是：苯乙烯或丙烯酸（酯），先經過聚合反應生成具有三度空間立體網狀結構的聚合物骨架（樹脂母體），再於骨架上導入不同的化學活性基而成。由於它的活性基，如磺酸基（-SO3H）、羧基（-COOH）等，都含有活性氫離子，可在水中解離出來，用於與其他陽離子進行交換，所以特別在陽離子樹脂名稱之前再冠上氫型兩字，以與同一系統的鈉型種類有所區別。不過鈉型可以利用強酸處理成為氫型，氫型也可以用氫氧化鈉溶液處理成為鈉型，即兩型樹脂實際上可以互相轉換。   

2、;  氫型陽離子交換樹脂不溶於水和一般溶劑。和其他離子交換樹脂一般，常被製成顆粒狀，外觀看起來有些像魚卵，粒徑大約在0.3 1.2 mm之間，但大部分在0.4 0.6 mm範圍內。化學性質相當安定，摸起來硬而有彈性，機械強度也足夠承受相當壓力，顏色由白色至近乎黑色都有，顏色淺時呈透明狀，深時呈半透明狀，都有光鮮亮麗的樹脂光澤。 氫型陽離子交換樹脂最常應用的地方，就是硬水的軟化，即讓硬水流過樹脂層，把硬水中的硬度離子，如鈣、鎂等離子吸收在樹脂中，就變成不帶硬度離子的軟水了，這也是陽離子交換樹脂最初被製造的主要目的，但它在工業上應用沒有鈉型來的多，因為在軟化過程中，它會直接釋出氫離子，使

3、水質呈酸性，可能會因此腐蝕相關金屬設備。依需要的不同，它也可以應用到水族缸中，用作軟化水質及降低pH值之用。二、種類     樹脂主要性質和類別之差異，在於它們的化學活性基種類之不同，因此氫型陽離子交換樹脂可依活性基（一種官能基）種類不同，分成兩種：強酸性陽離子交換樹脂（strong- acid anion exchange resin）和弱酸性陽離子交換樹脂（weak - acid anion exchange resin）。     強酸性陽離子交換樹脂係因它的活性氫離子在水中很容易解離而得名，其骨架均為聚苯乙烯系統，主要產品是磺

4、酸型強酸性陽離子交換樹脂，通常顏色較深，棕黃色至綜色球狀顆粒，以綜色最常見；反之，弱酸性陽離子交換樹脂則是因它的活性氫離子在水中比較不容易解離而得名，骨架均為聚丙烯酸系統，主要產品是羧酸型弱酸性陽離子交換樹脂，通常顏色較淺，白色或淡黃色球狀顆粒，以淡黃色最常見。如果用化學反應來表示這兩種樹脂的差異性，我們可以描述如下(R代表樹脂母體)：     強酸性： R-SO3H R-SO3- H+ （H+容易解離，在水中呈強酸性）     弱酸性： R-COOH R-COO- H+ （H+不易解離，在水中呈弱酸性）   &#

5、160; 由於強酸性陽離子交換樹脂的解離能力很強，所以在任何酸性或鹼性溶液中均能解離和產生離子交換作用，其作用pH範圍介於114。反之，弱酸性陽離子交換樹脂的解離能力很弱，只能在弱酸性至鹼性溶液中解離和產生離子交換作用，其作用pH範圍僅介於514。三、交換能力     氫型陽離子交換樹脂在水中可解離出氫離子（H+），當遇到金屬離子或其他陽離子，就發生互相交換作用，但交換後的樹脂，就不再是氫型樹脂了。例如，當水中的陽離子如鈣離子、鎂離子的濃度相當大時，磺酸型的陽離子交換樹脂中的氫離子，可和鈣、鎂離子進行交換，而形成鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂，如下式： 2R-SO3H

6、 Ca2+ (R-SO3)2Ca 2H+ （鈣型強酸性陽離子交換樹脂） 2R-SO3H Mg2+ (R-SO3)2Mg 2H+（鎂型強酸性陽離子交換樹脂） 氫型陽離子交換樹脂的交換能力與被交換的陽離子的價數有密切關係。在常溫下，低濃度水溶液中，交換能力隨離子價數增加而增加，即價數越高的陽離子被交換的傾向越大。此外，若價數相同，離子半徑越大的陽離子被交換的傾向也越大。如果以水草缸經常出現陽離子列為參考對象，則氫型陽離子交換樹脂的交換能力順序可表示如下：     強酸性：Fe3+Fe 2+Mn2+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+ 弱酸性：H+Fe3+Fe 2+M

7、n2+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+     由上述交換能力順序可知：強酸性與弱酸性陽離子交換樹脂的母體，對陽離子交換能力順序完全相同，唯一的差異是：兩者對H+的交換能力不同，強酸性對氫離子的親和力最弱，弱酸性對氫離子的親和力最強，這個特性可能會深深影響它們在水草缸的作用與功能。雖然氫型弱酸性陽離子交換樹脂對氫離子的親合力最強，但氫離子（H+）與氫氧離子（OH-）結合成水（H2O）的親合力更強，所以在鹼性水質中，弱酸性陽離子交換樹脂中的H+會快速被OH-所消耗，OH-主要來自KH硬度（HCO3-）的水解反應： HCO3- H2O H2CO3 OH-&

8、#160;H+所遺留之活性位置再改由其他陽離子如Fe3+Fe 2+Mn2+Ca2+Mg2+等依序取代，一直持續到HCO3-完全被消除為止（KH0）。因此弱酸性陽離子交換樹脂的主要作用區間是在於pH5 14的水質。由於HCO3-為暫時硬度的陰離子，因此當HCO3-完全被消除後，它的當量陽離子，如如鈣、鎂等離子也同時完全被取代，故能消除所有暫時硬度的當量陽離子。氫型強酸性陽離子交換樹脂對氫離子（H+）的親合力最弱，使它在任何pH之下，它都具有交換能力，因此可以完全除去GH硬度（暫時硬度及永久硬度）。四、交換容量     離子交換樹脂進行離子的交換反應的性能，主要由交換

9、容量表現出來。所謂交換容量是指每克乾樹脂所能交換離子的毫克當量數，以m mol/g為單位。當離子為一價時（如K+），其毫克當量數即為其毫克分子數，對於二價（如Ca2+）或更多價離子（如Fe3+），其毫克當量數即為其毫克分子數乘以其離子價數。     交換容量又分為總交換容量、操作交換容量和再生容量等三種表示方法。總交換容量表示每克乾樹脂所能進行離子交換反應的化學基總量，屬於理論性計量。操作交換容量表示每克乾樹脂在某一定條件下的離子交換能力，屬於操作性計量，它與樹脂種類、總交換容量，以及具體操作條件（如接觸時間、溫度）等因素有關，可用於顯示操作效率。再生容量表示每克

10、乾樹脂在一定的再生劑量條件下，所取得的再生樹脂之交換容量，可用於顯示樹脂再生效率。 由於樹脂的結構不同（主要是活性基數目不同），強酸性與弱酸性陽離子交換樹脂的交換容量也不相同。一般而言，弱酸性的活性基數目通常多於於強酸性，故總交換容量較高約7.0 10.5 m mol/g，相形之下，強酸性僅約3.2 4.5m mol/g而已，但在實際應用中，弱酸性的操作交換容量卻不一定高於強酸性，例如，pH值低於5時，弱酸性的操作交換容量為零，根本無交換作用。在pH值為6.5時，兩者的操作交換容量相似；但在鹼性溶液中，弱酸性遠高於強酸性。在再生容量方面，弱酸性則通常高於強酸性，故弱酸性的使用壽命會更長一些。五

11、、再生      離子相對濃度高低對樹脂的交換性質會產生很大的影響。當水溶液中氫離子的濃度相當大時，鈣型或鎂型的陽離子交換樹脂中的鈣離子或鎂離子，可與氫離子進行交換，重新成為氫型陽離子交換樹脂。換言之，交換反應也可以反方向進行。      由於離子交換過程是可逆的，因此當交換樹脂交換了一定量的離子後，可用相對濃度較高的氫離子再取代下來，使之一再重複被循環使用，這種作用稱為再生(regeneration)。其反應式如下： (R-SO3)2Ca 2H+ 2R-SO3H Ca2+ (R-COO)2Ca 2H+ 2R-CO

12、OH Ca2+     當氫型樹脂中的氫離子，都被其他硬度離子交換後，這些樹脂就沒有軟化水質作用，此時之狀態稱為飽和狀態。再生操作主要目的就是將已經達到飽和狀態的樹脂，利用再生劑洗出所交換來的陽離子，讓樹脂重新再回復到原有的交換容量，或所期望的容量程度，或原有的樹脂型態等。      無論是強酸性或弱酸性陽離子交換樹脂，都可以使用稀硫酸或稀鹽酸作為再生劑，但一般認為以稀硫酸作為再生劑，效果可能會好一些。因為樹脂若吸附有機物的話，稀硫酸較稀鹽酸更能解析出有機物，所以一般相關教科書多採用稀硫酸為再生劑。不過實際應用時，可能因為硫

13、酸的取得較為困難，所以多使用鹽酸作為再生劑居多。六、再生方法及再生效益     樹脂再生方法雖有多種，但一般處理程序相似。例如，在實驗室，可用逆洗操作法再生，即先用適量蒸餾水將待處理樹脂清洗13次，然後再將樹脂填充於再生管或塔內，再用2硫酸或5鹽酸為再生劑，以28VB/h的逆洗速率通過樹脂柱，等到逆洗作業結束後取出再用蒸餾水清洗13次即成。     在一般家庭，最簡單的再生方法是浸泡法。首先，將欲再生之樹脂，用乾淨的水將樹脂外表的雜質清洗乾淨，以保證再生液能更自由地通過樹脂層，提高再生效率。接著使用稀硫酸或稀鹽酸作再生液加以浸泡，此時

14、樹脂所吸收的硬度離子能與酸液中的氫離子產生交換反應，結果，樹脂又重新獲得新鮮的氫離子，可再供硬水軟化之用。     浸泡法如果只操作一次，便完成再生手續，稱為一次操作再生。同樣操作如果再重複做一次，稱為二次操作再生，餘類推。每次再生的操作次數越多，樹脂的再生率或再生容量就越高。但是，在實際的再生操作中，為降低操作費用，要適當控制操作次數及酸液用量，使樹脂達到可以恢復到最經濟合理的程度即可，而不是要100再生（不可能），或接近100再生（也不需要）。一般以能控制再生率達50 90，樹脂即可重複利用，但以 70 80最適合，如果要達到更高的再生率，則再生酸液要大量增加

15、，操作次數也會增加，反而不划算。    在浸泡法再生過程中，若使用2H2SO4或5HCl為再生劑，操作用量通常為樹脂體積的1.1倍，在室溫條件下操作，其再生效率均以初次操作效率最高，通常可達約50 75，二次操作約可提高510，三次操作約可再提高35，顯示每次再生操作次數的順序如果越往後，再生效率有逐漸下降趨勢，但總再生效率仍然增加，例如，連續經過三次操作的總再生效率，必高於二次操作，同理，二次操作必高於一次操作。總之，總再生效率主要依樹脂種類、特性、操作條件（如操作次數及溫度），酸液性質（如種類及濃度）以及樹脂是否有吸附有機物等不同情況而異。  

16、60;   當再生樹脂使用一段時間又達到飽和狀態，而必須再進行第二度再生時，其平均再生率將會略為下降，顯示再生次數若越多，樹脂效能通常有逐漸劣化跡象，因此，儘管樹脂具有再生能力之特性，但卻也有壽命之限制。七、影響再生特性的主要因素     氫型樹脂的再生特性與它的類型和結構有密切關係，強酸性氫型樹脂的再生比較困難，需要的再生酸液的劑量比理論值高許多，而且必須較長的接觸時間。相形之下，弱酸性氫型樹脂的再生則比較容易，需要的再生酸液的劑量僅比理論值高一些，也不需要長的接觸時間。一般認為，在硫酸或鹽酸的用量為其總交換容量的二倍時，每次再生樹脂與再生酸

17、液浸泡接觸時間是：強酸性約30 60分；弱酸性約30 45分。     此外，氫型樹脂的再生特性也與它們的交聯度有關。所謂交聯度乃是定量樹脂中所含的交聯劑（如苯乙烯）的質量百分率。通常交聯度低的樹脂，其特徵是聚合密度較低，內部空隙較多，網孔大，對水的溶脹性好，但對離子選擇較弱，交換反應速度快，較易再生，因此每次再生樹脂與再生酸液浸泡接觸時間較短。反之，交聯度高的樹脂，則需要較長再生酸液與樹脂接觸的時間。無論強酸性或弱酸性氫型樹脂的交聯度均可以在製造時控制。 由於氫型樹脂的網孔不僅提供了良好的離子交換條件，而且也像活性碳一般，能產生分子吸附作用，也可能吸附各種有機物

18、，因此容易受到有機物污染，而影響其操作效率，也使得其再生操作發生困難。如果樹脂在使用過程中，吸附了有機物，特別是大分子有機物，再生接觸時間必須更久，而且通常要提高溫度（70 80）才能除去大部分有機物，以免其效能降低太快，同時在高溫下操作，也可以加速再生反應時間，使浸泡接觸時間得以因而縮短。在這方面應用的再生劑，以硫酸較佳，理由是硫酸在加熱時相當安定，鹽酸則可能會產生有毒的氯化氫氣體。八、再生液濃度與再生效率的關係     樹脂再生的化學反應是它原先交換的逆反應，按化學反應的平衡原理，提高反應物濃度，可促進反應向另一邊進行，故提高酸液濃度可加速再生反應速率，進而提

19、高再生效率。但是，這並不表示酸液濃度越高越好，假如沒有經過實驗去評估交換樹脂所需要的酸量，就會發生過猶不及的問題。雖然再生酸液濃度不足時，使樹脂的再生率降低，將多少會影響後續的硬水軟化功能。相反地，若所用酸液過多，平日浪費了酸液，增加了再生的成本，也是不划算的。為了讓消費者了解再生酸液的劑量問題，有些服務較好的廠商，都會主動提供最適合的濃度供人參考。      還有，如果水中酸液氫離子濃度超過1mol/l以上時，再生反應速率可能會受到網孔擴散作用的限制，因此網孔較小的樹脂，不宜使用高濃度酸液再生，否則可能也會造成浪費酸液的現象。此外，儘管硫酸是很好的再生

20、劑，但仍要防止被樹脂吸收的鈣離子與硫酸反應，而在樹脂中生成硫酸鈣沉澱物，若要避免此問題發生，可在第一次操作時，先倒入1 2硫酸浸泡洗脫一次，在第二次操作時，再使用較高濃度硫酸處理。      最後，如果打算僅使用一次操作再生即要完成再生作業，無妨斟酌提高酸液的操作濃度，以增加其再生效率。雖然這種操作方式最方便，但再生效率將不如將該相同劑量酸液稀釋，分兩二次或多次浸泡處理來得好。不過，要進行多次操作，還得考慮為了多增加一點再生效率，值不值得發花力氣去處理。九、在水草缸中的應用      雖然本人曾經使用氫型陽離子交換

21、樹脂間接來改善水草缸的水質，但是卻從未深入研究過氫型陽離子交換樹脂對水草育成的影響，實在不配與大家談論這個話題。然而，寫了這麼多關於氫型陽離子交換樹脂的資料，總不能連最重要的結論都不表示一點個人意見吧？因此，只好硬著頭皮依自已的思考模式，提出一點見解，供各類先進參考，也請多予敬請指正。     首先，我把兩種氫型陽離子交換樹脂重要性質作一歸納：一般強酸性樹脂可在所有pH值範圍內操作，但其交換容量較小，而必須經常再生，此外又因再生效率較差，所需再生劑費較高，但可以除去所有硬度離子，或調節pH。弱酸性樹脂具有較高的交換容量，再生效率較高，所需再生劑較少，但僅能在有限的pH值範圍內操作，以及僅能除去暫時硬度離子。 再來，我想分析這兩種氫型陽離子交換樹脂在水草缸的適用性。坦白說，它們都不太適合直接放入水草缸使用，因為它們會快速吸收水草所需要的營養離子，不僅浪費肥料，而且樹脂很快就因飽和而失去效用，尤其是弱酸性樹脂在中至鹼性水中，其交換能力遠比強酸性樹脂強很多，交換容量又大，更能快速吸收水草所需要的養分。