第五章離子交換分離法演示文稿

第五章離子交換分離法演示文稿第一頁(yè)，共五十九頁(yè)。優(yōu)選第五章離子交換分離法第二頁(yè)，共五十九頁(yè)?！?.1概述一、離子交換分離法：利用離子交換劑與溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)進(jìn)行分離的方法。二、特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：分離效率高，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作不復(fù)雜，樹脂又具有再生能力，可反復(fù)使用，應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：分離周期長(zhǎng)，耗時(shí)過(guò)多。第三頁(yè)，共五十九頁(yè)。1805年英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和NH4+的交換現(xiàn)象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計(jì)量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國(guó)開始合成樹脂。三、發(fā)展史第四頁(yè)，共五十九頁(yè)。

離子交換劑：具有離子交換能力的所有物質(zhì)，通常指固體離子交換劑，固體離子交換劑又稱為吸著離子交換劑。無(wú)機(jī)離子交換劑：

由天然的(粘土、沸石類礦物)和合成的(合成沸石、分子篩、水合金屬氧化物、多價(jià)金屬酸性鹽類、雜多酸鹽等)化合物構(gòu)成。

有機(jī)離子交換劑

：人工合成的帶有離子交換功能團(tuán)的高分子聚合物．其中應(yīng)用最為廣泛的是離子交換樹脂?！?.2離子交換劑第五頁(yè)，共五十九頁(yè)。一、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)性能和作用

固體球形顆粒，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；不溶于水；具有離子交換特性的有機(jī)高分子聚電解質(zhì)。1.結(jié)構(gòu)

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團(tuán)固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯(lián)劑)母體共聚H2SO4功能基反應(yīng)R—SO3H固定離子可交換離子母體第六頁(yè)，共五十九頁(yè)。樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架第七頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換劑是由基質(zhì)、電荷基團(tuán)(或功能基團(tuán))和反離子構(gòu)成的

第八頁(yè)，共五十九頁(yè)。圖中以波形線條代表樹脂的骨架，活性基團(tuán)磺酸基（—SO3H）。

聚苯乙烯型磺酸基陽(yáng)離子交換樹脂第九頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換樹脂的形狀結(jié)構(gòu)示意圖第十頁(yè)，共五十九頁(yè)。

(二)樹脂分類按選擇性按結(jié)構(gòu)離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機(jī)污染能力強(qiáng)。孔徑為20—100nm，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)?？讖?nm、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型離子交換樹脂陽(yáng)離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂RNH3OH強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂R4NOH弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂R—COOH強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂R—SO3H第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)。陽(yáng)離子交換樹脂交聯(lián)劑第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)。第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)。據(jù)交換基團(tuán)酸性的強(qiáng)弱，分為強(qiáng)酸性，弱酸性。OH強(qiáng)酸性中等酸性弱酸性交換能力受酸度的影響較大

淡黃色球狀顆粒；化學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨性好；在酸性、堿性和中性介質(zhì)中都可使用；交換反應(yīng)速度快；無(wú)機(jī)、有機(jī)陰離子均可交換。第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)。強(qiáng)酸性苯乙烯型陽(yáng)離子交換樹脂第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)。陰離子交換樹脂第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)。第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)。（1）強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂具有強(qiáng)堿性的活潑基團(tuán)：-CH2N(CH3)3+Cl-特性淡黃色的球狀顆粒；對(duì)強(qiáng)酸根和弱酸根都能交換；對(duì)酸堿氧化劑及某些有機(jī)溶劑都比較穩(wěn)定；在酸性、堿性溶液中都能使用，交換容量不受溶液中pH值影響。第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)。（2）弱堿性陰離子交換樹脂具有弱堿性的活潑基團(tuán)：-CH2NH3+Cl--CH2NH2(CH3)+Cl--CH2NH(CH3)2+Cl-此類樹脂的交換能力受酸度的影響較大。大孔弱堿性苯乙烯型陰離子交換樹脂

第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換劑的交換反應(yīng)陽(yáng)離子交換反應(yīng)：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應(yīng)：Resin-N(CH3)+

3OHˉ+Clˉ=N(CH3)+3Clˉ+OHˉResin-N(CH3)

+3Clˉ+OHˉ=N(CH3)+3OHˉ+Clˉ●陽(yáng)離子交換劑只與陽(yáng)離子交換，陰離子交換劑只與陰離子交換。第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)。特殊作用的離子交換劑●螯合樹脂：含有特殊的活性基團(tuán)，可以有選擇性地與某些金屬離子進(jìn)行交換。如：國(guó)產(chǎn)#401型是屬于氨羧基［－N（CH2COOH）2］第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換劑應(yīng)具備的條件有高度的不溶性；而在各種溶劑中進(jìn)行交換時(shí)，交換劑不發(fā)生溶解有疏松多孔的結(jié)構(gòu)或巨大的表面積，能使交換離子在交換劑中進(jìn)行自由擴(kuò)散和交換有較多的交換基團(tuán)有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，在使用過(guò)程中，交換劑不能因物理或化學(xué)因素的變化而發(fā)生分解和變形等現(xiàn)象第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)。2、樹脂的性質(zhì)（1）外型顏色：白、黃、黑和褐。形狀：大多為球形。大?。和ǔＳ脴渲谒信蛎浐笸ㄟ^(guò)篩的大小表示。第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)。第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)。(2)密度干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。

第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)。(3)交聯(lián)度

交聯(lián)度為樹脂合成時(shí)交聯(lián)劑的用量，一般為7%~10%。

交聯(lián)度=交聯(lián)劑質(zhì)量/樹脂總質(zhì)量交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對(duì)半徑較大的離子和水合離子擴(kuò)散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。影響孔徑、選擇性、交換速度第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)。(4)溶脹性

吸水后體積增大的現(xiàn)象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水?dāng)U散到樹脂交聯(lián)網(wǎng)孔發(fā)生溶脹；活性基團(tuán)離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低?；钚曰鶊F(tuán)：離解程度越大，溶脹率越大；可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)。(5)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發(fā)生交換的活性基團(tuán)數(shù)量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。

EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：?jiǎn)挝惑w積或重量樹脂中含可交換基團(tuán)的總數(shù)。工作交換容量：在動(dòng)態(tài)工作條件下，當(dāng)出水水質(zhì)達(dá)到交換終點(diǎn)時(shí)，樹脂層達(dá)到的平均交換容量。第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換樹脂的命名方法第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)。

離子交換樹脂命名法中分類代號(hào)和骨架代號(hào)代號(hào)分類名稱骨架名稱0強(qiáng)酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強(qiáng)堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)。第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)。各類離子交換樹脂的具體編號(hào)為：

001—099

強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹脂

100—199

弱酸型陽(yáng)離子交換樹脂

200—299

強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂

300—399

弱堿型陰離子交換樹脂

400—499

螯合型離子交換樹脂

500—599

兩性型離子交換樹脂

600—699

氧化還原型離子交換樹脂第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)?！?.3離子交換分離法的基本原理離子交換的親和力離子交換平衡離子交換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換的親和力1、親和力：

離子在離子交換樹脂上的交換能力稱為離子交換樹脂對(duì)離子的親和力。

是離子交換分離某些元素的主要依據(jù)。

2、影響親和力大小的因素：離子的體積越大，電荷越低，靜電引力越小，親和力越小。決定于水合離子的大小和電荷數(shù)的多少。同價(jià)的離子，其水合離子半徑大，親和力小，反之則大。第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)。3、離子交換樹脂對(duì)離子的親和力規(guī)律：1.強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)不同價(jià)的離子，電荷越高，親和力越大。Fe3+>Mg2+>Na+

同電荷數(shù)離子水合離子半徑小的親和能力強(qiáng)Ca2+>Mg2+>Be2+K+>Na+>Li+2.弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂：H+的親和力比其他陽(yáng)離子大，而其他陽(yáng)離子的親和力順序與強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂相似。第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)。3.強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂親和力的順序?yàn)椋篜O43->SO42->NO3-F-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-＜Cl-＜NO2-＜CN-＜Br-＜CrO42-＜NO3-＜HSO4-＜I-＜CrO4-＜SO42-＜檸檬酸根4.弱堿性陰離子交換樹脂親和力的順序?yàn)椋篎-＜Cl-＜Br-

＜I-=CH3COO-＜MoO42-＜PO43-＜AsO43-＜NO3-＜酒石酸根＜檸檬酸根＜CrO42-＜SO42-＜OH-第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換平衡1、離子交換反應(yīng)例如，氫型陽(yáng)離子交換樹脂與溶液中一價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生交換反應(yīng)，即：R-H+M+=R-M+H+

如果在交換柱上交換，隨著溶液下移，這種交換不斷進(jìn)行，直到溶液中的陽(yáng)離子全部交換完畢為止。此時(shí)再向交換柱的頂端注入合適的洗提液時(shí)，則洗提液將樹脂上己吸附的陽(yáng)離子再交換到溶液中。第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)。2、選擇系數(shù)離子交換常數(shù)：交換系數(shù)[R-A]、[R-B]表示結(jié)合在樹脂上的A離子和B離子濃度[A]S、[B]S表示溶液中A離子和B離子越大B越易被交換第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)。值是反映離子交換劑對(duì)不同離子的結(jié)合力或選擇性的參數(shù)

若＞1，即[RB]＞[RA],表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力比A+

大若=1，即[RB]=[RA],表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力與A+

相等若＜1，即[RB]＜[RA],表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力比A+

小，當(dāng)[A+]=[B+]時(shí)，第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)。（1）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；（2）離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；（3）溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；（4）離子強(qiáng)度：越低越好；（5）有機(jī)溶劑：不利于吸附；（6）交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少；（7）樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；

影響離子交換選擇性的因素第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)。例1：已知某陽(yáng)離子交換樹脂的選擇系數(shù)：KLiCs=3.25,KLiNa=1.98,那么KNaCs=?解：R-Li+Cs+=R-Cs+Li+R-Li+Na+=R-Na+Li+第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)。R-Na+Cs+=R-Cs+Na+第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)。離子交換動(dòng)力學(xué)一個(gè)離子交換過(guò)程一般用一個(gè)反應(yīng)式表示，如

RH+Na+RNa+H+但實(shí)際上包括五個(gè)步驟：溶液中的Na+擴(kuò)散到達(dá)樹脂顆粒表面。此過(guò)程又叫膜擴(kuò)散或外擴(kuò)散2Na+擴(kuò)散透過(guò)樹脂表面的半透膜進(jìn)入樹脂顆粒內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，這一過(guò)程稱顆粒擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)散3Na+和H+之間發(fā)生的交換反應(yīng)。被交換下來(lái)的H+擴(kuò)散通過(guò)樹脂內(nèi)部及其表面的半透摸即經(jīng)內(nèi)擴(kuò)散離開樹脂相離開樹脂相后的H+必須擴(kuò)散經(jīng)過(guò)樹脂表面一薄層靜止不動(dòng)的溶液薄膜，即經(jīng)外擴(kuò)散后進(jìn)入溶液主體。第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)。第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)。

由于外部溶液和樹脂內(nèi)部都必須保持電中性，因此進(jìn)入樹脂與離開樹脂的速度必定相等，所以這五個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上可以看作是三個(gè)步驟，即膜擴(kuò)散﹑顆粒擴(kuò)散和交換反應(yīng)。這三個(gè)步驟中，交換反應(yīng)進(jìn)行是較快的，而膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散進(jìn)行較慢，故整個(gè)交換過(guò)程的速度就由膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散的速度所決定。第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)。影響離子交換速率的因素：1.溶液濃度重要因素，交換速率濃度增加而增加，最后達(dá)到一個(gè)極限值。2.樹脂顆粒大小樹脂顆粒越小，交換速率越大。3.樹脂相內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)4.樹脂相外擴(kuò)散系數(shù)5.攪拌第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)。1．樹脂的選擇及其處理5.4離子交換分離操作第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)。合適的交聯(lián)度一般4-8%顆粒大小每平方英寸內(nèi)篩孔數(shù)，“目”顆粒大小被分離物性質(zhì)相似，選擇較細(xì)顆粒。顆粒太細(xì)會(huì)怎樣？第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)。研磨、過(guò)篩使粒度符合要求浸泡是其充分溶脹凈化減少雜質(zhì)一般經(jīng)過(guò)研磨、溶脹、洗滌等步驟。樹脂的處理第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)。2.裝置1、靜態(tài)交換法：工業(yè)上（間歇式工藝）：交換罐。實(shí)驗(yàn)室中：燒杯。2、動(dòng)態(tài)交換法：工業(yè)上：離子交換器將樹脂裝入柱狀交換器中，使待交換溶液流過(guò)交換柱。第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)。第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)。裝柱：樹脂洗至中性后借助水的重力使樹脂自然沉積，避免夾雜氣泡現(xiàn)象。3．裝柱與裝樣交換裝柱離子交換洗脫樹脂再生柱式操作：第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)。裝樣交換：第五十三頁(yè)，共五十九頁(yè)。4．洗脫

洗脫一般采取分步淋洗或梯度淋洗，其中分步洗脫，是指先采用洗脫能力較弱的溶液，使易洗脫組分流出，然后依次使用洗脫能力更強(qiáng)的溶液，洗脫較難洗脫的組分。第五十四頁(yè)，共五十九頁(yè)。(一)再生的目的5樹脂的再生使用過(guò)的樹脂恢復(fù)到原狀的過(guò)程稱為樹脂的再生.以適當(dāng)濃度的酸溶液處理已變?yōu)镸型的強(qiáng)酸性陽(yáng)離