離子交換樹脂的原理
離子交換樹脂的原理即是離子交換樹把溶液中的鹽分脫離出來的過程：離子交換樹脂作用環境中的水溶液中，含有的金屬陽離子（Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等)與陽離子交換樹脂(含有的磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基團，在水中易生成H+離子)上的H+ 進行離子交換，使得溶液中的陽離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中，（即為陽離子交換樹脂原理）；水溶液中的陰離子(Cl-、HCO3-等)與陰離子交換樹脂（含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亞胺基（—NH2）等鹼性基團，在水中易生成OH-離子）上的OH-進行交換，水中陰離子被轉移到樹脂上，而樹脂上的OH-交換到水中，（即為陰離子交換樹脂原理）。而H+與OH-相結合生成水，從而達到脫鹽的目的，如下圖：
以氯化鈉(NaCl)代表水中無機鹽類，離子交換樹脂工作原理（即水質除鹽的基本反應可以用下列方程式表達）：
陽離子交換樹脂：R—H+Na+ R—Na+H+
陰離子交換樹脂：R—OH+Cl- R—Cl+OH-
陽、陰離子交換樹脂總的反應式即可寫成：
RH+ROH+NaCl——RNa+RCL+H2O
由此可看出，水中的NaCl已分別被樹脂上的H+和OH-所取代,而反應生成物只有H2O,故達到了去除水中鹽的作用。
以上，又稱為陰陽離子交換樹脂原理、離子交換樹脂工作原理。
為了更好地理解離子交換樹脂原理，我們要站在離子交換樹脂系統中，了解離子交換樹脂的概念、結構、作用：
什麼是離子交換樹脂？
離子交換樹脂是苯乙烯或丙烯酸、丙烯酯，通過聚合反應生成的三維空間體網狀結構的基因，再在基因上導入不同類型的化學活性團而合成的不溶性高分子球形顆粒狀聚合物。外觀如下圖：
離子交換樹脂分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩大種類，陽離子樹脂又分為強酸性樹脂和弱酸性樹脂兩類，陰離子樹脂又分為強鹼性樹脂和弱鹼性樹脂兩類。
離子交換樹脂的結構：
離子交換樹脂由不溶性的三維空間網狀高分子骨架、連接在骨架上的離子功能基團和功能基團上帶有相反電荷的可交換離子孔三部分構成，如圖：
高分子骨架：由交聯的高分子聚合物組成，如交聯的聚苯烯、聚丙烯酸等；
離子交換基團：它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子(稱為反離子)的離子官能團[如-SO3Na、-COOH、-N(CH3)3Cl]等，或帶有極性的非離子型官能團[如-N(CH3)2、-N(CH3)H等]；
孔：它是在干態和濕態的離子交換樹脂中都存在的高分子結構中的孔(凝膠孔)和高分子結構之間的孔(毛細孔)
在交聯結構的高分子基體(骨架)上，以化學鍵結合著許多交換基團，這些交換基團也是由兩部分組成：固定部分和活動部分。交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動，所以稱為固定離子；交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，稱為反離子或可交換離子。反離子在溶液中可以離解成自由移動的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發生交換反應。
離子交換樹脂的作用：
離子交換樹脂作用主要是「離子交換法」製取純水：原水中的各種無機鹽電離生成的陽（鈣、鎂、銅、鈉等金屬離子）、陰離子（碳酸根、硝酸根、硫酸根等非金屬離子），經過陽、陰樹脂層（離子交換柱內的交換離子劑）時，跟樹脂上的氫離子和氫氧根離子發生置換反應，而被樹脂吸附，從樹脂上置換下來的氫離子和氫氧根離子結合成了水分子（H2O），從而取得去除水中無機鹽類的效果，達到製取脫鹽純水的目的，如圖：
由於離子交換作用是可逆的，因此用過的離子交換樹脂一般用適當濃度的無機酸或鹼進行洗滌，可恢復到原狀態而重複使用，這一過程稱為再生。陽離子交換樹脂可用稀鹽酸、稀硫酸等溶液淋洗；陰離子交換樹脂可用氫氧化鈉等溶液處理，進行再生。
為此離子交換樹脂可理解成用化學合成法將高分子共聚物製成的有機單體顆粒的離子交換劑，是軟化水水處理離子交換樹脂。
離子交換樹脂使用方法：
1、預選。離子交換樹脂的粒度一般控制在20-35目，有些可達到50目，因此在使用前要先乾燥，粉碎，過篩，通常乾燥時在烘箱中進行，亦可在裝有五氧化二磷、氧化鈣或者濃硫酸的乾燥器中進行，粉碎時不要分得過細，否則影響實驗收率。2、預處理。強鹼性離子交換樹脂應先用20倍樹脂體積的4%氫氧化鈉水溶液處理（是樹脂轉化成OH型），然後用10倍體積的水洗，再用10倍量4%鹽酸處理（是樹脂轉化成氯型），最後用蒸餾水洗至中性，然後將氯型轉化成OH型，再轉化成氯型，最後用10倍4%氫氧化鈉水溶液處理。弱鹼性離子交換樹脂處理時只需用10倍量蒸餾水洗即可，不必洗至中性。
3、裝柱。將處理好的樹脂至於燒杯中，加水充分攪拌除掉氣泡，靜置幾分鐘待樹脂大部分沉降後，傾去上層泥狀顆粒；反覆操作直至上層液澄清後，即可裝柱。注意要在柱子底部放1cm後的玻璃絲，用玻璃棒將其壓平，將樹脂倒入柱子中，還要注意防止氣泡產生。
4、樹脂交換。將樣品配製成一定濃度的水溶液，以適當流速通過柱子，亦可將樣品溶液反覆通過柱子，直到成分交換完全。用顯色法檢驗成分是否交換徹底。
5、樹脂洗脫。注意親和力弱的成分先被洗下來，常用的離子交換樹脂洗脫劑有強酸、強鹼、鹽類、不同pH緩衝溶液、有機溶液等，可選擇梯度洗脫或者單一濃度洗脫。
6、樹脂再生。
現以D113型離子交換樹脂的使用方法為例說明離子交換樹脂原理：
D113丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂是一種大孔型離子交換樹脂，內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團；硫酸鋅溶液中的Zn2+，S042-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Zn2+選擇性強於對Ca2+的選擇性，所以Zn2+就與樹脂孔道中的交換基團Ca2+發生快速的交換反應，被交換下來的Ca2+遇到擴散進入孔道的S042-發生沉澱反應，生成硫酸鈣沉澱，其過程大致為：
1、邊界水膜內的擴散水中的Zn2+，S042-離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面；
2、交聯網孔內的擴散(或稱孔道擴散)聯網孔，並進行擴散，到達交換點；
3、離子交換Zn2+與樹脂基團上的可交換的Ca2+進行交換反應，被交換下來的Ca2+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴張，Zn2+、S042-離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔內擴散；
4、部分交換下來的Ca2+在擴散過程中遇到由外部擴散進入孔徑的S042-發生沉澱反應，生成CaS04沉澱；
5、沒有發生沉澱反應的部分Ca2+擴散通過樹脂顆粒表面的邊界水膜層，並進入水溶液中。
此外，由於離子交換以及沉澱反應的速度很快，硫酸鈣沉澱基本在樹脂的孔道里生成，因此樹脂的孔道就限制了沉澱的生長及形貌，對其具有一定的規整作用。
通過調整攪拌速度、反應溫度等外界條件，可以使樹脂顆粒及其內部孔道發生相應的變化，這樣當沉澱在樹脂孔道中生成後，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸鈣 沉澱。
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