第1章离子交换与离子交换剂：概述
　　1.1历史
　　进化通常被认为是物种持续、缓慢地获得新特性的方式。与之相反，“科学”却时常经历快速发展期与发展停滞期。记录离子交换现象的第一部著作为圣经旧约中《出埃及记》，第15章22～25页记载，摩西通过离子交换和吸附技术将苦水转化为饮用水。另一个经常被引用的记载是亚里士多德通过某种沙粒的渗透过滤，降低或改变水中的含盐量。然而，从科学的角度来看，离子交换现象的真正记录来自于英国的农业和土壤化学家维（Way）和汤普森（Thompson）。1850年，这两位科学家成功使用某种土壤通过离子交换从肥料中去除铵根离子，并做了十分详细的记录和分析。他们的实验实现了以下所示的离子交换反应：
　　 （1.1）
　　 （1.2）
　　离子交换过程中的一部分基本原理也正是通过两位科学家的该项实验总结归纳出来：①离子交换与物理吸附不同；②离子交换实为等电量交换；③离子交换的过程可逆；④某些离子的交换相比于其他离子更为有利。
　　由于维（Way）和汤普森（Thompson）实验中的很多突破与当时的许多科学研究冲突，他们的结论受到学界的广泛质疑和抵触，他们不得不终止了相关的实验。*终，由于资料有限、离子交换材料合成困难，关于离子交换的实验研究进展十分缓慢。
　　之后的研究发现无机沸石（天然或人工合成的硅铝酸盐）在水体软化中有着十分广泛的应用，例如，通过阳离子交换作用去除水中的钙、镁等离子。然而针对阴离子的交换作用依然未被发现。即使在当时，人们也不难接受通过氢离子和氢氧根离子的分别交换来生产纯水的技术：
　　（1.3）
　　实现这一目标的*大障碍在于离子交换剂的合成。所需的交换剂除了具有良好的阴阳离子交换效果，还需要在不同温度、pH等条件下稳定耐用。1935年，Adams和Holmes成功合成了第一个有机（聚合）阳离子交换剂。在此后不到十年的时间内，成功合成了多种强/弱酸性阳离子交换剂和强/弱碱性阴离子交换剂。自那以后，各种新型离子交换剂的合成似乎从未减缓。离子交换技术在电力、生物、农业、制药、化学、微电子等行业中的应用不断增多。没有任何一个专业可以独立发展，离子交换原理、离子交换树脂以及离子交换膜在全球范围内不断创新发展并且实际应用。图1.1展示了近三十年来美国发表的离子交换技术的相关专利数量，充分印证了新产品新工艺的不断研发。
　　图1.1根据谷歌专利检索，每年有关“阴离子交换”和“阳离子交换”的专利数量。数据经过谷歌许可
　　具有讽刺意味的是，第二次世界大战，更准确地说是核技术竞争，加速了离子交换技术的发展和成熟。离子交换技术被认为是分离过渡元素的可行方案，进而引起了人们极大的兴趣。事实上，Boyd等在第二次世界大战期间针对离子交换热力学和动力学进行了一系列基础实验研究并公开发表在各类期刊文献中。一直以来，对离子交换基础原理的理解远远落后于其实际应用。表1.1中总结概述了离子交换技术发展中的里程碑。
　　1.2水与离子交换：密不可分的伙伴
　　离子交换是一个非均质的过程，而水则是我们地球上储备*丰富的极性溶剂。即便涉及气体或固体的离子交换过程也必须要有水的参与。因此为了探寻离子交换的*基础的原理，我们必须首先了解水的基本性质。氧元素存在于元素周期表中的ⅥA族，而水（H2O）则是氧的二氢化物。我们知道，元素周期表中，硫（S）和硒（Se）也与氧元素属于同一族，但是它们的二氢化物（H2S和H2Se）在室温下均有挥发性。相比之下，水是液体，并且是具有离子键的盐类的极好溶剂。从水的分子结构来看，氢元素和氧元素相隔较远，氢带有正电荷而氧则带有负电荷，由于共享电子对在氢和氧之间的不均匀分布，水分子中的共价键为极性共价键。如图1.2（A）所示，水分子为偶极子，其偶极矩为1.85D。如图1.2（B）所示，水的分子结构呈四面体排列，氧原子具有两个孤对电子。因此将水分子放置于电场中时会产生扭矩，该扭矩称为偶极矩。当分子具有偶极矩时，其分子间的作用力会明显增大，可能形成偶极-偶极相互作用力或者氢键。水分子中氧原子有两个极性氢氧键和两对孤对电子，使得水分子间的相互作用非常强烈。如图1.3所示，这会使得四个氢原子和一个氧原子通过共价键和氢键结合在一起。因此，水分子通常以三聚体（H6O3）的形式存在，而水的沸腾也需要更高的汽化热来破坏水分子间的共价键和氢键。如图1.4所示，在所有ⅥA族氢化物中，水的沸点*高。