第八章離子交換法1ppt課件

1、第八章第八章 離子交換法離子交換法概概 述述n離子交換技術(shù)常用于水處置，食品、生物制離子交換技術(shù)常用于水處置，食品、生物制品的提取精制和金屬的回收。品的提取精制和金屬的回收。n離子交換劑：一種能與其他物質(zhì)發(fā)生離子交離子交換劑：一種能與其他物質(zhì)發(fā)生離子交換的物質(zhì)，分為：換的物質(zhì)，分為：n無機離子交換劑：沸石無機離子交換劑：沸石n有機離子交換劑有機離子交換劑(離子交換樹脂離子交換樹脂)：合成資料。：合成資料。n生物工業(yè)中，廣泛用于抗生素、氨基酸、有生物工業(yè)中，廣泛用于抗生素、氨基酸、有機酸等工業(yè)。機酸等工業(yè)。離子交換法離子交換法n優(yōu)點：優(yōu)點：n樹脂無毒性且可反復(fù)運用，本錢低，樹脂無毒性且可反復(fù)運用

2、，本錢低，工藝操作方便，提取效率高，設(shè)備工藝操作方便，提取效率高，設(shè)備構(gòu)造簡單，節(jié)約大量有機溶劑等。構(gòu)造簡單，節(jié)約大量有機溶劑等。n缺陷：缺陷：n消費周期長，消費過程中消費周期長，消費過程中pH變化大，變化大，不一定能找到適宜樹脂。不一定能找到適宜樹脂。第一節(jié)第一節(jié) 離子交換原理及分類離子交換原理及分類一、離子交換原理一、離子交換原理1、離子交換樹脂、離子交換樹脂n離子交換樹脂：離子交換樹脂：n 一種具有網(wǎng)狀立體構(gòu)造的不溶于酸、一種具有網(wǎng)狀立體構(gòu)造的不溶于酸、堿和有機溶劑的固態(tài)高分子化合物，其化堿和有機溶劑的固態(tài)高分子化合物，其化學穩(wěn)定性良好，有一定孔隙度，且有離子學穩(wěn)定性良好，有一定孔隙度，

3、且有離子交換才干。交換才干。n構(gòu)造組成：樹脂骨架不溶性的三維空間構(gòu)造組成：樹脂骨架不溶性的三維空間網(wǎng)狀構(gòu)造、功能基團與骨架相連、網(wǎng)狀構(gòu)造、功能基團與骨架相連、活性離子與功能基團所帶電荷相反的可活性離子與功能基團所帶電荷相反的可挪動的離子。挪動的離子。離子交換樹脂的構(gòu)造帶有活性基團的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團酚醛樹脂聚乙烯樹脂OH + CH2OCH=CH2+CH=CH2CH=CH2交聯(lián)劑酸性基團堿性基團SO3HCOOHN+R3NR2特殊基團離子交換樹脂離子交換樹脂n樹脂浸在水中，活性離子在因熱運動在樹樹脂浸在水中，活性離子在因熱運動在樹脂周圍一定間隔內(nèi)運動，分散到溶液中；脂周圍一定間隔內(nèi)運動，

4、分散到溶液中；n溶液中的同類型離子，從溶液中分散到骨溶液中的同類型離子，從溶液中分散到骨架的網(wǎng)格或孔內(nèi)；架的網(wǎng)格或孔內(nèi)；n兩種離子濃度差較大，產(chǎn)生交換推進力，兩種離子濃度差較大，產(chǎn)生交換推進力，濃度差越大，交換速度越快；濃度差越大，交換速度越快；n利用濃度差推進力，使樹脂上的可交換離利用濃度差推進力，使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反響。子發(fā)生可逆交換反響。n交換按物質(zhì)等當量進展。交換按物質(zhì)等當量進展。離子交換樹脂離子交換樹脂n離子交換樹脂可交換官能團中的活性離子離子交換樹脂可交換官能團中的活性離子決議此樹脂的主要性能，故樹脂可按活性決議此樹脂的主要性能，故樹脂可按活性離子來分類。離子來分類。

5、n離子交換樹脂的功能團的電離程度決議樹離子交換樹脂的功能團的電離程度決議樹脂的酸性或堿性的強弱。脂的酸性或堿性的強弱。二、離子交換樹脂分類二、離子交換樹脂分類n分類方法很多：分類方法很多：n按樹脂的化學組成分：聚苯乙烯系、聚丙按樹脂的化學組成分：聚苯乙烯系、聚丙烯酸系、酚醛系。烯酸系、酚醛系。n按樹脂物理構(gòu)造分按樹脂物理構(gòu)造分 ：凝膠型、均孔型、大：凝膠型、均孔型、大孔型樹脂等?？仔蜆渲?。n按聚合反響類型分：縮聚型、加聚型樹脂按聚合反響類型分：縮聚型、加聚型樹脂等。等。n我國按活性離子來分類：強酸、弱酸、強我國按活性離子來分類：強酸、弱酸、強堿、弱堿、螯合、兩性、氧化復(fù)原等堿、弱堿、螯合、兩

6、性、氧化復(fù)原等7類。類。離子交換樹脂離子交換樹脂n離子交換樹脂的可交換的官能團中離子交換樹脂的可交換的官能團中的活性離子決議此樹脂的主要性能。的活性離子決議此樹脂的主要性能。1、強酸性陽離子交換樹脂、強酸性陽離子交換樹脂n含有強酸性基團，如含有強酸性基團，如SO3H，能在溶液，能在溶液中離解中離解H+而呈強酸性；而呈強酸性；n反響簡式：反響簡式： n RSO3H RSO3 - + H+n RSO3- +Na+ RSO3 Nan此類樹脂離解才干強，運用無此類樹脂離解才干強，運用無pH值限制。值限制。n再生處置：用化學藥品使離子交換樹脂的再生處置：用化學藥品使離子交換樹脂的官能團回復(fù)原來形狀再次運

7、用。用強酸進官能團回復(fù)原來形狀再次運用。用強酸進展再生處置。展再生處置。2、弱酸性陽離子交換樹脂、弱酸性陽離子交換樹脂n含弱酸性官能團含弱酸性官能團COOH，酚羥基，酚羥基OH能在水中離解出能在水中離解出H+呈弱酸性。呈弱酸性。n反響簡式：反響簡式：n RCOOH RCOO- + H+n樹脂離解性較弱，只能在堿性、中性、樹脂離解性較弱，只能在堿性、中性、微酸性下作用；微酸性下作用；n用酸再生。用酸再生。3、強堿性陰離子交換樹脂、強堿性陰離子交換樹脂n含有強堿性基團季銨基含有強堿性基團季銨基NR3OH，在水中離解出在水中離解出OH- 而呈強堿性。而呈強堿性。n反響簡式：反響簡式：n RNR3OH

8、 RNR3+ + OH-n樹脂離解性很強，運用無樹脂離解性很強，運用無pH限制。限制。n再生用強堿再生用強堿NaOH進展。進展。4、弱堿性陰離子交換樹脂、弱堿性陰離子交換樹脂n功能團：伯胺基功能團：伯胺基-NH2、仲胺基、仲胺基=NH、叔、叔胺基胺基N、吡啶基，離解出、吡啶基，離解出OH-而呈弱堿性。而呈弱堿性。n反響簡式：反響簡式： n RNH2 + H2O RNH3+ + OH-n樹脂離解才干弱，在低樹脂離解才干弱，在低pH下任務(wù)下任務(wù)(pH19)，pH越低，交換才干越大。越低，交換才干越大。n用用Na2CO3、NH4OH進展再生。進展再生。 離子交換樹脂型式離子交換樹脂型式n樹脂的四種根

9、本類型，運用時常轉(zhuǎn)化為其他離樹脂的四種根本類型，運用時常轉(zhuǎn)化為其他離子型式：子型式：n強酸性陽離子樹脂轉(zhuǎn)化成鈉型樹脂，用鹽水再強酸性陽離子樹脂轉(zhuǎn)化成鈉型樹脂，用鹽水再生；生；n弱酸性陽離子樹脂轉(zhuǎn)化成鈉型，再生成氫型；弱酸性陽離子樹脂轉(zhuǎn)化成鈉型，再生成氫型；n強堿性陰離子樹脂轉(zhuǎn)化成氯型，用食鹽水再生；強堿性陰離子樹脂轉(zhuǎn)化成氯型，用食鹽水再生；n弱堿性陰離子樹脂轉(zhuǎn)化成氯型，再生成羥型。弱堿性陰離子樹脂轉(zhuǎn)化成氯型，再生成羥型。n強酸性樹脂和強堿性樹脂在轉(zhuǎn)變成鈉型強酸性樹脂和強堿性樹脂在轉(zhuǎn)變成鈉型和氯型后，在運用時就不再有強酸性及和氯型后，在運用時就不再有強酸性及強堿性。但它們?nèi)跃哂羞@些樹脂的其他強堿

10、性。但它們?nèi)跃哂羞@些樹脂的其他典型性能，如強離解性和任務(wù)的典型性能，如強離解性和任務(wù)的pHpH范圍范圍寬等。寬等。5、樹脂性能的比較、樹脂性能的比較凝膠型和大孔型樹脂凝膠型和大孔型樹脂 按骨架構(gòu)造不同，離子交換樹脂可分為凝膠型和大孔型樹脂。凝膠型樹脂： 是以苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯聚合得到具有交聯(lián)網(wǎng)狀構(gòu)造的聚合體。 這種聚合體普通是呈透明形狀的，在它的高分子骨架中，沒有毛細孔，而在吸水潤脹后，才在大分子鏈節(jié)間構(gòu)成很微細的孔隙，通常稱為顯微孔。 這類樹脂適用于吸附交換無機離子等小離子。大孔型樹脂：大孔型樹脂： 是由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯的異是由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯的異構(gòu)體

11、聚合，再經(jīng)特殊的物理處置，使其構(gòu)成大網(wǎng)構(gòu)體聚合，再經(jīng)特殊的物理處置，使其構(gòu)成大網(wǎng)孔，再導(dǎo)入交換基團制成，它內(nèi)部并存有微細孔孔，再導(dǎo)入交換基團制成，它內(nèi)部并存有微細孔和大量的粗孔。和大量的粗孔。 較擅長吸附大分子有機物，耐有機物的污染。較擅長吸附大分子有機物，耐有機物的污染。三、其他類型的樹脂三、其他類型的樹脂1、兩性離子交換樹脂、兩性離子交換樹脂n將兩種性質(zhì)相反的陰、陽離子交換官將兩種性質(zhì)相反的陰、陽離子交換官能團銜接在同一樹脂骨架上，構(gòu)成兩能團銜接在同一樹脂骨架上，構(gòu)成兩性樹脂。性樹脂。n優(yōu)點：優(yōu)點：n兩類官能團彼此接近，發(fā)生交換反響兩類官能團彼此接近，發(fā)生交換反響后，只需通水后，只需通水

12、，稍稍改動體系酸堿條，稍稍改動體系酸堿條件，即可發(fā)生相反水解反響，使樹脂件，即可發(fā)生相反水解反響，使樹脂復(fù)原。復(fù)原。2、選擇性離子交換樹脂、選擇性離子交換樹脂n又稱螯合性離子交換樹脂，與金屬離子構(gòu)又稱螯合性離子交換樹脂，與金屬離子構(gòu)成螯合物基團，一種對某些離子有特殊選成螯合物基團，一種對某些離子有特殊選擇性的樹脂。擇性的樹脂。n選擇性高于普通強酸、弱酸性樹脂。選擇性高于普通強酸、弱酸性樹脂。n如用含汞的樹脂分別含巰基的化合物輔如用含汞的樹脂分別含巰基的化合物輔酶酶A、半胱氨酸，谷胱甘肽等、半胱氨酸，谷胱甘肽等3、吸附樹脂、吸附樹脂n吸附樹脂脫色樹脂：吸附樹脂脫色樹脂：n有較大外表積，具多孔性，

13、吸附才干強；有較大外表積，具多孔性，吸附才干強；n但交換離子的才干很小，甚至不能交換；但交換離子的才干很小，甚至不能交換；n多用于脫色、吸附大分子產(chǎn)物和除去蛋白多用于脫色、吸附大分子產(chǎn)物和除去蛋白質(zhì)等。質(zhì)等。n如：大網(wǎng)格樹脂如：大網(wǎng)格樹脂4、電子交換樹脂、電子交換樹脂n不是進展離子交換而是電子轉(zhuǎn)移；不是進展離子交換而是電子轉(zhuǎn)移；n能起氧化復(fù)原作用又稱氧化復(fù)原樹能起氧化復(fù)原作用又稱氧化復(fù)原樹脂。脂。n按活性基團性質(zhì)分，有兩種類型：按活性基團性質(zhì)分，有兩種類型：n活性基團是樹脂母體的一部分；活性基團是樹脂母體的一部分；n活性基團是一種加在樹脂上的離子。活性基團是一種加在樹脂上的離子。四、樹脂的命名

14、四、樹脂的命名n國外：常以該公司的稱號或商業(yè)稱號來表國外：常以該公司的稱號或商業(yè)稱號來表示。示。n國內(nèi)：國內(nèi)：1977年，石油化學工業(yè)部制定了部年，石油化學工業(yè)部制定了部頒規(guī)范頒規(guī)范，分為，分為7類：強酸、弱酸、強堿、弱堿、類：強酸、弱酸、強堿、弱堿、螯合、兩性、氧化復(fù)原等螯合、兩性、氧化復(fù)原等7類。類。n離子交換樹脂全名：分類稱號，骨架基離子交換樹脂全名：分類稱號，骨架基團稱號，根本稱號陳列組成。團稱號，根本稱號陳列組成。樹脂的命名樹脂的命名離子交換樹脂命名離子交換樹脂命名 X D 交聯(lián)度交聯(lián)度樹脂樹脂聯(lián)接符號聯(lián)接符號順序號順序號骨架代號骨架代號分類代號分類代號凝膠型離子交換樹脂命名凝膠型離

15、子交換樹脂命名順序號順序號骨架代號骨架代號分類代號分類代號大型號代號大型號代號大孔型離子交換樹脂命名大孔型離子交換樹脂命名第二節(jié)第二節(jié) 離子交換樹脂的合成離子交換樹脂的合成離子交換樹脂的合成離子交換樹脂的合成n運用高分子聚合和有機化學反響原理運用高分子聚合和有機化學反響原理來合成帶有活性基團的多價高聚物來合成帶有活性基團的多價高聚物.n主要的合成方法有兩類：主要的合成方法有兩類：n加聚法：加聚法：n縮聚法：縮聚法：1、加聚法、加聚法 以具有以具有1個和個和2個以上雙鍵的單體個以上雙鍵的單體原料，在含分散劑的介質(zhì)中攪拌加熱原料，在含分散劑的介質(zhì)中攪拌加熱下進展懸浮聚合，得到有立體網(wǎng)狀構(gòu)下進展懸浮

16、聚合，得到有立體網(wǎng)狀構(gòu)造的球體，后進展化學反響引入活性造的球體，后進展化學反響引入活性基團構(gòu)成離子交換樹脂?；鶊F構(gòu)成離子交換樹脂。2、縮聚法、縮聚法 由由2個或個或2個以上帶有功能基的單體個以上帶有功能基的單體經(jīng)過功能基間的相互作用進展反響，在經(jīng)過功能基間的相互作用進展反響，在分散介質(zhì)下進展懸浮聚合，引入活性基分散介質(zhì)下進展懸浮聚合，引入活性基團而成。團而成。離子交換樹脂的合成離子交換樹脂的合成交聯(lián)劑：二烯化合物最常用的是二乙烯交聯(lián)劑：二烯化合物最常用的是二乙烯苯，構(gòu)成樹脂的三元網(wǎng)狀構(gòu)造不溶解苯，構(gòu)成樹脂的三元網(wǎng)狀構(gòu)造不溶解性能。性能。交聯(lián)度：合成時在單體相中所含二乙烯苯交聯(lián)度：合成時在單體相

17、中所含二乙烯苯含量。含量。分散劑：水溶性有機物分散劑：水溶性有機物淀粉、明膠、聚淀粉、明膠、聚甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于水的無機物水的無機物硫酸鈣、磷酸鈣、滑石粉等。硫酸鈣、磷酸鈣、滑石粉等。幾種主要的離子交換樹脂制備方法幾種主要的離子交換樹脂制備方法n苯乙烯型離子交換樹脂苯乙烯型離子交換樹脂n 單體：苯乙烯單體：苯乙烯; 交聯(lián)劑交聯(lián)劑:二乙烯苯二乙烯苯n 酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季 銨，銨，伯、叔胺伯、叔胺n丙烯酸丙烯酸-二乙烯苯羧基樹脂二乙烯苯羧基樹脂n酚醛樹脂酚醛樹脂n 單體：水揚酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚

18、而成單體：水揚酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成n多乙烯多胺多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷樹脂環(huán)氧氯丙烷樹脂樹脂類型樹脂類型n國內(nèi)消費的樹脂主要有：國內(nèi)消費的樹脂主要有：n苯乙烯苯乙烯二乙烯苯型二乙烯苯型n丙烯酸丙烯酸二乙烯苯型二乙烯苯型n酚醛型水楊酸、苯酚、甲醛酚醛型水楊酸、苯酚、甲醛n多乙烯多胺多乙烯多胺環(huán)氧氯丙烷型環(huán)氧氯丙烷型第三節(jié)第三節(jié) 離子交換樹脂的理化性能和測定離子交換樹脂的理化性能和測定一、適用離子交一、適用離子交換樹脂要求換樹脂要求n外觀：一種透明或半透明物質(zhì)，有白、外觀：一種透明或半透明物質(zhì)，有白、黃、黑、褐等色。黃、黑、褐等色。n 顏色與性能關(guān)系不大；顏色與性能關(guān)系不大；n樹脂顆粒大小，對樹

19、脂交換才干、溶樹脂顆粒大小，對樹脂交換才干、溶液流動、流失等影響較大；液流動、流失等影響較大；n多為球形，多為球形，流體阻力；流體阻力；n顆粒大?。侯w粒大?。?060目目0.250.84mm，過小，流體阻，過小，流體阻力增大，流速力增大，流速，反洗難。過大，交，反洗難。過大，交換速度換速度。適用離子交換樹脂要求續(xù)適用離子交換樹脂要求續(xù)n交聯(lián)度：須具有一定交聯(lián)度，使其不溶于交聯(lián)度：須具有一定交聯(lián)度，使其不溶于普通酸、堿及有機溶劑。普通酸、堿及有機溶劑。n交聯(lián)度大小決議樹脂機械強度及網(wǎng)狀構(gòu)造交聯(lián)度大小決議樹脂機械強度及網(wǎng)狀構(gòu)造的疏密；交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，構(gòu)造嚴密，的疏密；交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，構(gòu)造嚴密，

20、樹脂機械強度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，構(gòu)樹脂機械強度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，構(gòu)造疏松，樹脂機械強度小。造疏松，樹脂機械強度小。n交聯(lián)度變化，使樹脂對大小不同離子具有交聯(lián)度變化，使樹脂對大小不同離子具有選擇性經(jīng)過的才干。選擇性經(jīng)過的才干。n樹脂的交聯(lián)構(gòu)造，使其具有固體不溶性，樹脂的交聯(lián)構(gòu)造，使其具有固體不溶性，但能吸水溶脹。但能吸水溶脹。適用離子交換樹脂要求續(xù)適用離子交換樹脂要求續(xù)n化學穩(wěn)定性：應(yīng)有較好的化學穩(wěn)定性，不化學穩(wěn)定性：應(yīng)有較好的化學穩(wěn)定性，不易分解破壞。易分解破壞。n機械強度：有一定的物理穩(wěn)定性，防止或機械強度：有一定的物理穩(wěn)定性，防止或減少破損流失。減少破損流失。n交換量：為了能有較大的

21、交換容量，在制交換量：為了能有較大的交換容量，在制造時應(yīng)使單位質(zhì)量樹脂所含的官能團盡能造時應(yīng)使單位質(zhì)量樹脂所含的官能團盡能夠多。有較大的交換容量和選擇性好實夠多。有較大的交換容量和選擇性好實踐運用中具有多少可交換離子的才干，踐運用中具有多少可交換離子的才干，要容易解吸良好的可逆性。要容易解吸良好的可逆性。二、樹脂主要性能的測定方法二、樹脂主要性能的測定方法n含水量：樹脂是親水性，故含很多水含水量：樹脂是親水性，故含很多水分。分。n在在105110C枯燥至恒重來測定其含水枯燥至恒重來測定其含水量。量。n 將樹脂離心將樹脂離心 (400g, 30min)，所失去，所失去的的n 水分稱為溶脹水。它和

22、樹脂的交聯(lián)度水分稱為溶脹水。它和樹脂的交聯(lián)度有關(guān)，有關(guān)，n 可作為測定交聯(lián)度的一種方法。可作為測定交聯(lián)度的一種方法。樹脂主要性能的測定方法樹脂主要性能的測定方法n膨脹度：膨脹度：n將將1015ml風干樹脂于量筒中，參與欲實風干樹脂于量筒中，參與欲實驗溶劑驗溶劑(水水)，不時搖動，不時搖動，24hr后測樹脂體后測樹脂體積，前后體積之比，稱為膨脹系數(shù)。積，前后體積之比，稱為膨脹系數(shù)。n膨脹系數(shù)與交聯(lián)度、交換量、可交換容膨脹系數(shù)與交聯(lián)度、交換量、可交換容量、溶液中離子性質(zhì)有關(guān)?？捎门蛎浵盗?、溶液中離子性質(zhì)有關(guān)。可用膨脹系數(shù)表征交聯(lián)度。數(shù)表征交聯(lián)度。樹脂主要性能的測定方法樹脂主要性能的測定方法n密度：

23、有干真密度、濕真密度、視密度等。密度：有干真密度、濕真密度、視密度等。n濕真密度：取處置成所需型式的濕樹脂于濕真密度：取處置成所需型式的濕樹脂于布氏漏斗中抽干，迅速稱取布氏漏斗中抽干，迅速稱取25g抽干樹抽干樹脂于密度瓶中，加水至刻度稱重。脂于密度瓶中，加水至刻度稱重。n 濕真密度濕真密度=樹脂稱樣質(zhì)量樹脂稱樣質(zhì)量/被排斥的水被排斥的水質(zhì)量質(zhì)量n視密度：樹脂充分膨脹后的堆積密度。視密度：樹脂充分膨脹后的堆積密度。樹脂主要性能的測定方法樹脂主要性能的測定方法n交換容量：表征樹脂性能的重要數(shù)據(jù)，用交換容量：表征樹脂性能的重要數(shù)據(jù)，用單位質(zhì)量干樹脂或單位體積濕樹脂所能吸單位質(zhì)量干樹脂或單位體積濕樹脂

24、所能吸附的附的1價離子的毫摩爾數(shù)表示。價離子的毫摩爾數(shù)表示。n任務(wù)交換容量：樹脂充填在柱中操作，當任務(wù)交換容量：樹脂充填在柱中操作，當溶液中有價值離子到達所規(guī)定的某一濃度溶液中有價值離子到達所規(guī)定的某一濃度時漏出點，操作即停頓，進展再生。時漏出點，操作即停頓，進展再生。在漏出點時，樹脂所吸附的量稱為任務(wù)交在漏出點時，樹脂所吸附的量稱為任務(wù)交換容量，適用上比較重要。換容量，適用上比較重要。樹脂主要性能的測定方法樹脂主要性能的測定方法n滴定曲線：滴定曲線：n與離子強度、與離子強度、種類、樹脂官種類、樹脂官能團的強度有能團的強度有關(guān)。關(guān)。n由轉(zhuǎn)機點可估由轉(zhuǎn)機點可估計總交換量；計總交換量；n轉(zhuǎn)機點的數(shù)

25、目轉(zhuǎn)機點的數(shù)目推知官能團數(shù)推知官能團數(shù)目；目；n表示交換容量表示交換容量隨隨pH的變化。的變化。第四節(jié)第四節(jié) 離子交換過程的實際根底離子交換過程的實際根底一、離子交換平衡一、離子交換平衡n離子交換過程是在固態(tài)樹脂和水溶液接觸離子交換過程是在固態(tài)樹脂和水溶液接觸的界面發(fā)生的可逆反響。的界面發(fā)生的可逆反響。離子交換平衡離子交換平衡n離子交換反響是按化學物質(zhì)的量的關(guān)離子交換反響是按化學物質(zhì)的量的關(guān)系進展。系進展。n陽離子交換反響：陽離子交換反響：n An+n(R-SO3-)B+ nB+(R-SO3-)nAn+假平衡假平衡n離子交換過程對有機大分子吸附時會存在離子交換過程對有機大分子吸附時會存在假平衡

26、，緣由：假平衡，緣由：n樹脂的活性中心受空間陳列的影響不能全樹脂的活性中心受空間陳列的影響不能全部吸附有機大分子，即樹脂上的活性中性部吸附有機大分子，即樹脂上的活性中性陳列過密，其中一部分活性中性被有機大陳列過密，其中一部分活性中性被有機大分子遮住，影響其吸附量；分子遮住，影響其吸附量；n樹脂顆粒度影響對大分子的交換：顆粒大，樹脂顆粒度影響對大分子的交換：顆粒大，有機大分子在樹脂內(nèi)部分散慢，平衡時間有機大分子在樹脂內(nèi)部分散慢，平衡時間長。長。二、離子交換過程和速度二、離子交換過程和速度離子交換過程和速度離子交換過程和速度 離子交換反響是在動態(tài)下進展的，不論溶液的運動情況怎樣，在樹脂外表上一直存

27、在著一層薄膜，起交換的離子只能借分子分散而經(jīng)過這層簿膜。 A+RB RA+B+ 離子交換速度：在單位時間內(nèi)，溶液中A+濃度減少或B+濃度添加的量。 1、離子交換過程、離子交換過程n離子交換反響在動態(tài)下進展：離子交換反響在動態(tài)下進展：n A+RB RA+B+n離子交換速度：表示在單位時間內(nèi)，離子交換速度：表示在單位時間內(nèi)，溶液中溶液中A+濃度減少或濃度減少或B+濃度添加濃度添加的量。的量。離子交換過程的機理離子交換過程的機理n以以732樹脂上樹脂上H+交換谷氨酸離子為例：交換谷氨酸離子為例：n谷氨酸離子從溶液經(jīng)過液膜分散至樹脂外谷氨酸離子從溶液經(jīng)過液膜分散至樹脂外表；表；n穿過樹脂外表向樹脂孔內(nèi)

28、部分散至有效交穿過樹脂外表向樹脂孔內(nèi)部分散至有效交換位置；換位置；n谷氨酸離子與樹脂中谷氨酸離子與樹脂中H+離子交換；離子交換；nH+從樹脂內(nèi)部向樹脂外表分散；從樹脂內(nèi)部向樹脂外表分散；nH+穿過樹脂外表的液膜進入水溶液。穿過樹脂外表的液膜進入水溶液。n其中步驟其中步驟(1)、(5)稱為外分散或膜分散；稱為外分散或膜分散；(2)、(4)稱為內(nèi)分散或粒分散；稱為內(nèi)分散或粒分散；(3)稱為交稱為交換反響。普通反響速度很快，而分散速度換反響。普通反響速度很快，而分散速度很慢，因此，離子交換反響的速度主要取很慢，因此，離子交換反響的速度主要取決于分散速度。反響速度主要取決于分散決于分散速度。反響速度主

29、要取決于分散速度。速度。A+樹脂樹脂B+薄膜薄膜2、影響交換速度的要素、影響交換速度的要素n樹脂顆粒：樹脂顆粒：n離子的外分散速度與樹脂顆粒大小成反比，離子的外分散速度與樹脂顆粒大小成反比，內(nèi)部分散速度與粒徑倒數(shù)的高次方成正比，內(nèi)部分散速度與粒徑倒數(shù)的高次方成正比，故粒度減小，交換速度加快。故粒度減小，交換速度加快。n樹脂的交聯(lián)度：樹脂的交聯(lián)度：n交聯(lián)度下降，樹脂易膨脹，樹脂內(nèi)分散較交聯(lián)度下降，樹脂易膨脹，樹脂內(nèi)分散較容易。降低交聯(lián)度，可提高交換速度。容易。降低交聯(lián)度，可提高交換速度。n溶液流速：溶液流速：n外分散隨溶液過柱流速的添加而添加；外分散隨溶液過柱流速的添加而添加；n內(nèi)分散根本不受流

30、速或攪拌的影響。內(nèi)分散根本不受流速或攪拌的影響。影響交換速度的要素續(xù)影響交換速度的要素續(xù)n溶液濃度：溶液濃度：n溶液中離子濃度低，對外分散速度影溶液中離子濃度低，對外分散速度影響較大，對內(nèi)分散影響較小；離子濃響較大，對內(nèi)分散影響較??；離子濃度較高，對內(nèi)分散影響較大，對外分度較高，對內(nèi)分散影響較大，對外分散影響較小。散影響較小。n溫度：溫度：n溶液溫度升高，分散速度加快，交換溶液溫度升高，分散速度加快，交換速度也添加。速度也添加。影響交換速度的要素續(xù)影響交換速度的要素續(xù)n離子的大?。弘x子的大小：n小離子的交換速度較快；大分子受小離子的交換速度較快；大分子受空間妨礙，分散速度特別慢。空間妨礙，分散

31、速度特別慢。n離子的化合價：離子的化合價：n離子與樹脂骨架間存在庫侖引力，離子與樹脂骨架間存在庫侖引力，化合價越高，分散越慢?；蟽r越高，分散越慢。三、離子交換選擇性三、離子交換選擇性離子交換選擇性離子交換選擇性離子交換選擇性：離子交換選擇性： 在實踐運用中，溶液中經(jīng)常同時存在著很多在實踐運用中，溶液中經(jīng)常同時存在著很多離子。離子交換樹脂能否將所需離子從溶液中吸附離子。離子交換樹脂能否將所需離子從溶液中吸附出或?qū)㈦s質(zhì)離子全部出或?qū)㈦s質(zhì)離子全部(或大部或大部)吸附住，具有更大的吸附住，具有更大的實踐意義。這就是離子交換選擇性。實踐意義。這就是離子交換選擇性。 離子交換樹脂和離子間的親和力越大，就

32、越離子交換樹脂和離子間的親和力越大，就越容易吸附。容易吸附。樹脂的選擇性集中反響在交換常數(shù)樹脂的選擇性集中反響在交換常數(shù)K的數(shù)值上。的數(shù)值上。離子交換選擇性離子交換選擇性離子選擇系數(shù)離子選擇系數(shù)K： B KA越大，離子交換樹脂對越大，離子交換樹脂對B離子離子的選擇性越大的選擇性越大(相對于相對于A離子而言離子而言)；反；反之，小于之，小于1，樹脂對，樹脂對A離子的選擇性大。離子的選擇性大。 離子選擇系數(shù)定性地表示離子交離子選擇系數(shù)定性地表示離子交換劑的選擇性，因此又稱分配系數(shù)或交換劑的選擇性，因此又稱分配系數(shù)或交換勢。換勢。影響離子交換樹脂選擇性的要素影響離子交換樹脂選擇性的要素1、離子價數(shù)：

33、優(yōu)先選擇高價離子，低、離子價數(shù)：優(yōu)先選擇高價離子，低價離子被吸附時較弱。價離子被吸附時較弱。陽離子被吸附順序：陽離子被吸附順序： Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ Na+陰離子被吸附順序：陰離子被吸附順序： 檸檬酸根檸檬酸根 硫酸根硫酸根 硝酸根硝酸根影響影響 離子交換樹脂選擇性的要素離子交換樹脂選擇性的要素2、溶液濃度的影響：、溶液濃度的影響：樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中樹脂對離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中選擇性較大，在濃溶液中較小。因此可將選擇性較大，在濃溶液中較小。因此可將溶液稀釋，樹脂選擇吸附高價離子。溶液稀釋，樹脂選擇吸附高價離子。3、離子的水化半徑：、離子的水化半

34、徑：離子在水溶液中的大小運用水化半徑來表征，離子在水溶液中的大小運用水化半徑來表征，而不是原子量。水化半徑較小的離子優(yōu)先而不是原子量。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。吸附。影響影響 離子交換樹脂選擇性的要素離子交換樹脂選擇性的要素4、樹脂物理構(gòu)造的影響：、樹脂物理構(gòu)造的影響：交聯(lián)度高對離子的選擇性較強；交聯(lián)度高對離子的選擇性較強；大孔型樹脂選擇性低于凝膠型樹脂。大孔型樹脂選擇性低于凝膠型樹脂。5、有機溶劑的影響：、有機溶劑的影響：有機溶劑存在，樹脂對有機離子的選有機溶劑存在，樹脂對有機離子的選擇性降低，而易吸附無機離子。擇性降低，而易吸附無機離子。影響影響 離子交換樹脂選擇性的要素離子交換樹脂選擇

35、性的要素6、樹脂與交換離子間的輔助力：、樹脂與交換離子間的輔助力：能與樹脂間構(gòu)成輔助力氫鍵、范德能與樹脂間構(gòu)成輔助力氫鍵、范德華力等華力等 ，樹脂對其吸附力就大；，樹脂對其吸附力就大；破壞輔助力的溶液，能將離子從樹脂破壞輔助力的溶液，能將離子從樹脂上洗脫出來。上洗脫出來。第五節(jié)第五節(jié) 離子交換的運用離子交換的運用一、離子交一、離子交 換安裝換安裝n主要安裝：離子主要安裝：離子交換柱。交換柱。離子交換柱離子交換柱二、離子交換樹脂的任務(wù)過程二、離子交換樹脂的任務(wù)過程1、樹脂預(yù)處置、樹脂預(yù)處置n新樹脂須預(yù)處置，才干運用。新樹脂須預(yù)處置，才干運用。n預(yù)處置過程：預(yù)處置過程：n 新樹脂新樹脂 裝柱裝柱

36、去離子水浸泡去離子水浸泡 10%食鹽水浸泡食鹽水浸泡 水洗水洗 根據(jù)樹脂根據(jù)樹脂類型和型號分別用酸、堿處置類型和型號分別用酸、堿處置 調(diào)調(diào)pH。2、上柱交換、上柱交換n離子交換的關(guān)鍵，要求吸附完全，集中。離子交換的關(guān)鍵，要求吸附完全，集中。n交換方式：順流交換方式：順流(正上柱正上柱)或逆流或逆流(倒上柱倒上柱)進進展。展。已交換層已交換層交換帶交換帶未交換層未交換層交換柱交換柱上柱交換續(xù)上柱交換續(xù)n實踐運用中要求交換帶寬度越窄越好，實踐運用中要求交換帶寬度越窄越好，有效交換容量大，柱利用率高。有效交換容量大，柱利用率高。n消費上，開場上柱時加快流速，提高消消費上，開場上柱時加快流速，提高消費

37、力，最后降低流速，減小交換帶寬度，費力，最后降低流速，減小交換帶寬度，提高柱利用率。提高柱利用率。n交換至漏出點，停頓交換，進展洗脫或交換至漏出點，停頓交換，進展洗脫或再生。再生。強酸型陽離子交換樹脂分別例如強酸型陽離子交換樹脂分別例如Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分的分別別K：親和力：親和力H+ Na+ K+ Ag+H2O交換交換 exchange游離形狀游離形狀強酸型陽離子交換樹脂分別例如Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分別K：親和力：親和力 H+ Na+ K+ Ag+H2O游離形狀交換反響3、洗脫、洗脫n洗脫：用親和力更強的同性離子取代樹脂上洗脫：用親和力更強的同性離子取代

38、樹脂上吸附的產(chǎn)物。吸附的產(chǎn)物。n生物大分子分別純化兩種方式：生物大分子分別純化兩種方式：n正吸附：將產(chǎn)物離子化，被交換到介質(zhì)上，正吸附：將產(chǎn)物離子化，被交換到介質(zhì)上，雜質(zhì)從柱中流出，產(chǎn)物經(jīng)洗脫搜集。產(chǎn)物純雜質(zhì)從柱中流出，產(chǎn)物經(jīng)洗脫搜集。產(chǎn)物純度高，濃縮大，適用于產(chǎn)物濃度低且溶液的度高，濃縮大，適用于產(chǎn)物濃度低且溶液的量大。量大。n負吸附：雜質(zhì)離子化后被交換，產(chǎn)物直接流負吸附：雜質(zhì)離子化后被交換，產(chǎn)物直接流出搜集?？沙ゴ蟛糠蛛s質(zhì)，產(chǎn)物純度不高，出搜集?？沙ゴ蟛糠蛛s質(zhì)，產(chǎn)物純度不高，適用于產(chǎn)物濃度高的任務(wù)液。適用于產(chǎn)物濃度高的任務(wù)液。洗脫洗脫 elute H+ Na+ K+ Ag+CtNa+K

39、+Ag+淋洗曲線淋洗曲線洗脫劑洗脫劑 eluant洗出液洗出液 eluate H+ Na+ K+ Ag+CtNa+K+Ag+前一形狀洗脫淋洗曲線4、樹脂的再生、樹脂的再生n樹脂逐漸吸附料液中雜質(zhì)，使離子交換才樹脂逐漸吸附料液中雜質(zhì)，使離子交換才干降低，需再生處置。干降低，需再生處置。n再生反響是交換吸附的逆反響。再生反響是交換吸附的逆反響。n再生步驟：清水洗凈；再生劑再生；清水再生步驟：清水洗凈；再生劑再生；清水洗至所需洗至所需pH值。值。n再生劑的種類：根據(jù)樹脂的離子類型來選再生劑的種類：根據(jù)樹脂的離子類型來選擇。擇。n控制樹脂恢復(fù)程度為控制樹脂恢復(fù)程度為7080%，降低再生，降低再生費用。

40、費用。三、樹脂和操作條件的選擇三、樹脂和操作條件的選擇1、樹脂的選擇、樹脂的選擇n離子型產(chǎn)品離子型產(chǎn)品(雜質(zhì)雜質(zhì))用離子交換法提取或脫用離子交換法提取或脫除，選用適宜樹脂是運用離子交換法的關(guān)除，選用適宜樹脂是運用離子交換法的關(guān)鍵：鍵：n強堿性離子宜用弱酸性樹脂；強堿性離子宜用弱酸性樹脂；n弱堿性離子宜用強酸性樹脂；弱堿性離子宜用強酸性樹脂；n強酸性離子宜用弱堿性樹脂；強酸性離子宜用弱堿性樹脂；n弱酸性離子宜用強堿性樹脂；弱酸性離子宜用強堿性樹脂；n吸附大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的樹脂；吸附大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的樹脂；n吸附小分子離子，交聯(lián)度不影響交換容量。吸附小分子離子，交聯(lián)度不影響交換

41、容量。緣由：緣由：1、4：強酸對強堿，解吸較困難；：強酸對強堿，解吸較困難； 2、3：弱酸對弱堿，構(gòu)成的鹽易水解，不易：弱酸對弱堿，構(gòu)成的鹽易水解，不易吸附；吸附； 5：低交聯(lián)度便于大分子分散到樹脂內(nèi)部，：低交聯(lián)度便于大分子分散到樹脂內(nèi)部，但交聯(lián)度過低，會影響樹脂的選擇性和機械強度；但交聯(lián)度過低，會影響樹脂的選擇性和機械強度； 6：交聯(lián)度過高，樹脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過：交聯(lián)度過高，樹脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過程中，膨脹度較大，對設(shè)備呵斥損壞。程中，膨脹度較大，對設(shè)備呵斥損壞。2、適宜操作條件的選擇、適宜操作條件的選擇n交換時的交換時的pH：npH應(yīng)在產(chǎn)物穩(wěn)定范圍內(nèi)；應(yīng)在產(chǎn)物穩(wěn)定范圍內(nèi)；n使產(chǎn)物離子化；

42、使產(chǎn)物離子化；n使樹脂能解離。使樹脂能解離。n樹脂的型式：樹脂的型式：n酸性樹脂可采用氫型或鈉型；酸性樹脂可采用氫型或鈉型；n堿性樹脂可采用羥型或氯型。堿性樹脂可采用羥型或氯型。操作條件的選擇操作條件的選擇n溶液中產(chǎn)物濃度：溶液中產(chǎn)物濃度：n低價離子添加濃度有利于交換上樹低價離子添加濃度有利于交換上樹脂；脂；n高價離子稀釋時易被吸附。高價離子稀釋時易被吸附。n洗脫條件：洗脫條件：n洗脫前，樹脂的洗滌很重要；洗脫前，樹脂的洗滌很重要；n盡量使溶液中被洗脫離子濃度降低；盡量使溶液中被洗脫離子濃度降低；n洗脫條件普通應(yīng)和吸附條件相反。洗脫條件普通應(yīng)和吸附條件相反。四、軟水和無鹽水的制備四、軟水和無鹽

43、水的制備n離子交換法是最主要、最先進、最離子交換法是最主要、最先進、最經(jīng)濟的水處置技術(shù)；經(jīng)濟的水處置技術(shù)；n鍋爐給水：軟水；鍋爐給水：軟水；n樹脂洗滌：無鹽水或軟水。樹脂洗滌：無鹽水或軟水。1、軟水制備、軟水制備n軟水：利用鈉型陽離子交換樹脂去除軟水：利用鈉型陽離子交換樹脂去除Ca2+、Mg2+后的水：后的水：n Ca2+ Ca2+n 2RSO3Na + (RSO3)2 + 2Na+n Mg2+ Mg2+n再生用食鹽水再生用食鹽水(1015%)生成鈉型，反復(fù)生成鈉型，反復(fù)運用。運用。2、無鹽水的制備、無鹽水的制備n無鹽水：將原水中的一切溶解性鹽類、無鹽水：將原水中的一切溶解性鹽類、游離酸、堿離

44、子去除。游離酸、堿離子去除。n將原水經(jīng)過氫型陽離子交換樹脂和羥將原水經(jīng)過氫型陽離子交換樹脂和羥型陰離子交換樹脂，經(jīng)離子交換反響，型陰離子交換樹脂，經(jīng)離子交換反響，去除陰、陽離子制成。去除陰、陽離子制成。n制備無鹽水包括陽離子交換、陰離子制備無鹽水包括陽離子交換、陰離子交換反響。交換反響。無鹽水的制備續(xù)無鹽水的制備續(xù)n陽離子交換反響多采用強酸性陽離子交換陽離子交換反響多采用強酸性陽離子交換樹脂：樹脂：n用一定濃度的用一定濃度的HCl、H2SO4再生。再生。 無鹽水的制備續(xù)無鹽水的制備續(xù)n陰離子交換反響用強堿或弱堿性樹脂做交陰離子交換反響用強堿或弱堿性樹脂做交換：換：n 2ROH+H2SO4(HC

45、l、H2SiO3)n R2SO4(RCl、RHSiO3)+H2On失效后用失效后用58%的的NaOH再生。再生。無鹽水的制備續(xù)無鹽水的制備續(xù)n根據(jù)原水質(zhì)量和供水要求，采用不根據(jù)原水質(zhì)量和供水要求，采用不同組合：同組合：n原水經(jīng)一個陽離子交換樹脂床和一原水經(jīng)一個陽離子交換樹脂床和一個陰離子交換樹脂床個陰離子交換樹脂床一級復(fù)床一級復(fù)床系統(tǒng)初級純水；系統(tǒng)初級純水；n幾個陽離子交換器與陰離子交換器幾個陽離子交換器與陰離子交換器串聯(lián)串聯(lián)多床多塔除鹽系統(tǒng)。多床多塔除鹽系統(tǒng)。無鹽水的制備續(xù)無鹽水的制備續(xù)n混合床離子交換系統(tǒng)：混合床離子交換系統(tǒng)：n將陰陽離子交換樹脂裝在同一交換將陰陽離子交換樹脂裝在同一交換器

46、內(nèi)直接進展離子交換除鹽的系統(tǒng)；器內(nèi)直接進展離子交換除鹽的系統(tǒng)；n優(yōu)點：反響完全，脫鹽效果很好；優(yōu)點：反響完全，脫鹽效果很好；n缺陷：再生操作不便；缺陷：再生操作不便；混合床交換反響綜合式混合床交換反響綜合式無鹽水的制備續(xù)無鹽水的制備續(xù)n混合床操作：混合床操作：五、離子交換技術(shù)五、離子交換技術(shù) 在生物工程的運用在生物工程的運用n用離子交換樹脂從發(fā)酵液中富集與純化用離子交換樹脂從發(fā)酵液中富集與純化產(chǎn)物；產(chǎn)物；n氨基酸：含氨基和羧基的兩性化合物，氨基酸：含氨基和羧基的兩性化合物，不同不同pH下能以正、負離子或兩性離子存下能以正、負離子或兩性離子存在：在：npH3.22時，谷氨酸呈陽離子形狀，用時，谷氨酸呈陽離子形狀，用732強酸性陽離子交換樹脂對谷氨酸陽強酸性陽離子交換樹脂對谷氨酸陽離子選