离子交换材料

土壤能够结合正离子(如K⁺而且Ca^{2 +})，因为它含有粘土矿物质和有机腐殖酸。这两种物质都是不溶性物质，作为它们的一部分分子骨架，带负电荷的离子基。例如，在粘土中，这些基团是硅-氧原子链的末端——要么是携带一个额外电子的氧原子，因为它们只连着一个原子，而不是通常的两个;要么是铝原子连着四个氧，而不是通常的三个。下面的示意图表示了两种离子结构，因为它们发生在一个几乎无限各种各样的硅酸盐而且硅酸铝包括天然的和人造的。

负离子是骨架的一部分;正离子，这里显示为钾离子，很小，如果固体与a接触，可以与其他正离子交换位置解决方案．小的正离子必须能够进出;它们必须位于开放晶格结构的表面或间隙中。

这两个要求离子交换固定离子电荷的支撑材料和材料的渗透性的解决方案，是惊人的大量材料。固定电荷可以是负的，如上面的例子，也可以是正的。可移动离子必须是相反的负责到固定离子。带固定负电荷的材料(如图1)交换正离子或阳离子，这个过程称为阳离子交换．那些带固定正电荷的分子相应地交换负电荷或负离子，这就叫做经历阴离子交换．

离子交换技术在1935年取得了巨大的进步，第一个离子交换树脂是由英国化学家发现的巴兹尔·阿尔伯特·亚当斯和埃里克·雷顿·霍姆斯。的树脂是塑料胶木的化学亲戚，由多羟基酚或酚磺酸与甲醛缩合而成。

1944年Gaetano F. D 'Alelio获得了苯乙烯二乙烯苯专利聚合物这是一种具有网状大分子的物质，通过化学处理将离子基团引入其中。它们的结构化合物可以这样表示:式中，X代表离子基团，这些离子基团可能出现在键的不同位置苯响了。在分子式中，前两个苯环来自苯乙烯，而第三个来自二乙烯基苯。二乙烯基苯因此提供了聚苯乙烯链之间的交联，将它们连接成一个三维网络，这个网络可以紧密或松散，这取决于二乙烯基苯与苯乙烯的比例。这个比例可以随意改变;通常的商业比例是8%。离子基团可能是磺酸组，即-SO_3.⁻H⁺或季铵基，-CH₂N⁺(CH_3.）_3.Cl⁻．这两种类型约占所有离子交换树脂生产的90%。氢离子氯离子可以被其他离子取代，比如Na⁺(钠)或OH⁻(氧化);氢和氢氧化这些树脂的形式分别是强酸和强碱。

苯乙烯和二乙烯基苯是液体，聚合成球形液滴，结果树脂具有几乎完美的球形珠状。这些珠子放在水中时会膨胀，虽然它们看起来光滑且不透水，但实际上它们对水和小离子具有很强的渗透性。它们的直径从几微米(千分之一毫米)到一到两毫米不等。不同的尺寸用于不同的目的。

除磺酸和季铵以外的离子基盐可引入树脂结构。一个有用的是亚氨基二乙酸-CH₂N (CH₂羧基)₂，形成螯合除碱金属以外的所有金属的配合物(由二次键连接在一起的结构)。这些配合物的稳定性差别很大金属金属。螯合树脂用于化学分析分离和浓缩微量金属。

含羧基-COOH的树脂，在医药和生物化学，不是基于聚苯乙烯，而是基于聚甲基丙烯酸:

还有一种离子交换器是由纤维素通过在纤维素分子中引入各种离子基团。由于离子在线状分子的表面，而不是在分子框架内，它们可以被大离子和分子接触到。纤维素基交换物在生物化学中特别有用。

合成自1903年以来，无机交换剂就为人所知。第一种是铝硅酸盐。大约在1955年，人们发现钛的磷酸盐、砷酸盐和钼酸盐，锆,钍都是很好的阳离子交换剂;许多这样的材料已经被制备出来，其中一些已经商业化。他们是有用的核能因为它们具有抗辐射和选择性放射性废物，尤其是寿命长的废物裂变产物铯- 137．它们的作用是将这种同位素与其他危险性较小的裂变产物分开。

另一类无机离子交换器是分子筛．这些材料是晶体铝硅酸盐，具有明确的结构，含有一定大小的孔，只允许某些离子进入。当水从孔隙中除去时，这些物质就会成为特定大小和形状的气体分子的选择性吸附剂。他们也很强大催化剂．

被称为液体离子交换剂的物质可能应归为有机物质溶剂，而不是离子交换剂，尽管他们的名字。这种物质的分子含有很长的碳氢化合物链，使它们不溶于水，但它们也携带离子基团，吸引带相反电荷的离子。液体离子交换器的一个例子是二硝基萘磺酸，(C₉H₁₉）₂C₁₀H₅所以_3.H。