離子交換原理

1、 離子交換離子交換原理及設(shè)備原理及設(shè)備離子交換的定義及發(fā)展離子交換的定義及發(fā)展離子交換樹脂及其分離原理離子交換樹脂及其分離原理 離子交換樹脂的分類 離子交換樹脂的理化性能 離子交換機(jī)理及動(dòng)力學(xué) 離子交換裝置及再生離子交換裝置及再生 離子交換的應(yīng)用離子交換的應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容（一）定義（一）定義 利用離子交換劑與溶液中的離子發(fā)生交換作用，使欲提取的利用離子交換劑與溶液中的離子發(fā)生交換作用，使欲提取的組分與其它組分進(jìn)行分離的單元操作組分與其它組分進(jìn)行分離的單元操作 離子交換是一種新型的化學(xué)分離過程，是從水溶液中提取離子交換是一種新型的化學(xué)分離過程，是從水溶液中提取有用組分的基本單元操作。有用組分

2、的基本單元操作。 樹脂容量有限，若溶液中離子濃度太高，則樹脂用量多，樹脂容量有限，若溶液中離子濃度太高，則樹脂用量多，設(shè)備尺寸大，所以離子交換不適宜處理較濃的工藝溶液。設(shè)備尺寸大，所以離子交換不適宜處理較濃的工藝溶液。離子交換離子交換（二）發(fā)展（二）發(fā)展1805年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中年英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了土壤中Ca2+和和NH4+的交的交換現(xiàn)象；換現(xiàn)象；1876年年Lemberg 揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)揭示了離子交換的可逆性和化學(xué)計(jì)量關(guān)系；計(jì)量關(guān)系；1935年人工合成了離子交換樹脂；年人工合成了離子交換樹脂；1940年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；年應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；1951年我國開始合成樹脂。年我國開始

3、合成樹脂。離子交換樹脂離子交換樹脂離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料，在溶液中離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料，在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號(hào)離子進(jìn)行交換。它能將本身的離子與溶液中的同號(hào)離子進(jìn)行交換。結(jié)構(gòu)：離子交換樹脂是一類帶有結(jié)構(gòu)：離子交換樹脂是一類帶有功能基功能基的的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合的高分子化合物，它由不溶性的物，它由不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的、連接在骨架上的功能基團(tuán)功能基團(tuán)和和功能基團(tuán)上帶有功能基團(tuán)上帶有相反電荷的可交換離子相反電荷的可交換離子三部分構(gòu)成。三部分構(gòu)成。 (一) 組成 離子交離子交換樹脂換樹脂母體母

4、體(骨架骨架）活性基團(tuán)活性基團(tuán)固固 定定 離離 子子可交換離子可交換離子苯乙烯苯乙烯( (單體單體) )+ +二乙烯苯二乙烯苯( (交聯(lián)劑交聯(lián)劑) )母體母體共聚共聚H2SO4功功能能基基反反應(yīng)應(yīng)R SO3 H固定離子固定離子可交換離子可交換離子母體母體 (二) 分類 按結(jié)構(gòu)離子交離子交換樹脂換樹脂凝膠型凝膠型孔大，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)?？状螅苊浂刃?，交換速度高，抗污染能力強(qiáng)。 孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。大孔型大孔型離子交離子交換樹脂換樹脂陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂弱堿性

5、陰離子交換樹脂 (伯、仲、叔胺基伯、仲、叔胺基)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂(季銨基團(tuán)季銨基團(tuán))弱酸性陽離子交換樹脂弱酸性陽離子交換樹脂 (羧酸基團(tuán)羧酸基團(tuán))強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂 (磺酸基團(tuán)磺酸基團(tuán))聚苯乙烯型樹脂、聚丙烯酸型樹脂、酚聚苯乙烯型樹脂、聚丙烯酸型樹脂、酚-醛型醛型 樹脂等；樹脂等； 按選擇性 按主要成分凝膠型樹脂凝膠型樹脂大孔型樹脂大孔型樹脂凝膠型樹脂凝膠型樹脂 交換容量大、離子交換速度快和耐熱性能較好等優(yōu)點(diǎn)。交換容量大、離子交換速度快和耐熱性能較好等優(yōu)點(diǎn)。 這類樹脂表面光滑，球粒內(nèi)部沒有大的毛細(xì)孔。在水中會(huì)溶脹這類樹脂表面光滑，球粒內(nèi)部沒有大的毛

6、細(xì)孔。在水中會(huì)溶脹成凝膠狀，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微成凝膠狀，在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔。濕潤樹脂的平均孔徑為孔。濕潤樹脂的平均孔徑為24nm(210-6410-6mm)。 在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機(jī)小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下無機(jī)小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能?；蛴皖愔袑适щx子交換功能。大孔型樹脂大孔型樹脂 針對凝膠型離子交換樹脂的缺點(diǎn)，研制了大孔型離子交換樹針對凝膠型離子交換樹脂的缺點(diǎn)，研制了

7、大孔型離子交換樹脂。脂。 大孔型離子交換樹脂外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠大孔型離子交換樹脂外觀不透明，表面粗糙，為非均相凝膠結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，孔徑結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的孔隙又多又大，表面積很大，活性中心多，孔徑一般為幾納米至幾百納米，比表面積可達(dá)每克樹脂幾百平方米一般為幾納米至幾百納米，比表面積可達(dá)每克樹脂幾百平方米因此因此其吸附功能十分顯著。離子交換反應(yīng)的速度快，約比凝膠型其吸附功能十分顯著。離子交換反應(yīng)的速度快，約比凝膠型樹脂快約十倍。而且能抗有機(jī)物的污染（因?yàn)楸唤亓舻挠袡C(jī)物容樹脂快約十倍。而且能抗有機(jī)物的污染（因?yàn)楸唤亓舻挠袡C(jī)物容易在再生時(shí)通過這些孔道除去）。

8、易在再生時(shí)通過這些孔道除去）。即使在干燥狀態(tài)，內(nèi)部也存在即使在干燥狀態(tài)，內(nèi)部也存在不同尺寸的毛細(xì)孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。不同尺寸的毛細(xì)孔，因此可在非水體系中起離子交換和吸附作用。大孔型樹脂的缺點(diǎn)是交換容量較低，再生時(shí)酸、堿的用量較大和大孔型樹脂的缺點(diǎn)是交換容量較低，再生時(shí)酸、堿的用量較大和售價(jià)較貴等。售價(jià)較貴等。12b. 丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂 a. 苯乙烯系強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂CH2HCCOOHCH2HCCHCH2 (三) 常用離子交換樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)732陽離子交換樹脂（鈉型，苯乙烯與二乙烯苯共聚基體上帶有磺酸基的離子交換樹脂）CH2HCCH2HCSO3HCHCH2

9、13c. 苯乙烯系強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂 d. 苯乙烯系弱堿性陰離子交換樹脂CH2CHCH2HCCHCH2HO(CH3)3NCH2717陰離子交換樹脂（氯型、乙烯苯基-N,N,N-三甲基氯化銨與二乙烯苯的聚合物）CH2CHCH2HCCHCH2HO(CH3)2NHCH214 粒度（珠狀顆粒型）：0.315-1.2mm 含水量（凝膠樹脂）：30%-80%交換容量：單位質(zhì)量干樹脂或單位體積濕樹脂所能交換離子相當(dāng)于 一價(jià)離子的物質(zhì)的量離子交換選擇性：, mmol/g 或者 對不同離子的選擇性，例： (四) 離子交換樹脂的性能苯乙烯強(qiáng)酸陽離子型（對陽離子的選擇性）Fe3+ Ca2+ Na+ 依價(jià)數(shù)高優(yōu)先B

10、a2+ Pb2+ Ca2+同價(jià)位時(shí)，依半徑大優(yōu)先，因?yàn)樗霃叫?，與固定離子的靜電引力越大熱穩(wěn)定性，最高使用溫度，如苯乙烯強(qiáng)酸陽離子 120 丙烯酸弱酸陽離子 200 mmol/mL幾類樹脂性能的比較 類型類型性能性能陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂強(qiáng)酸性強(qiáng)酸性弱酸性弱酸性強(qiáng)酸性強(qiáng)酸性弱酸性弱酸性活性基團(tuán)活性基團(tuán)磺酸磺酸羧酸羧酸季胺季胺伯胺、仲胺伯胺、仲胺pH的影響的影響無無酸性交換力小酸性交換力小無無堿性交換力小堿性交換力小再生劑用量再生劑用量 35倍倍1.52倍倍35倍倍1.22倍倍交換速率交換速率快快慢慢快快慢慢離子交換機(jī)理 離子交換機(jī)理B+A+BRARBA樹脂離

11、子交換過程包括離子交換過程包括5步：步：1. A+自溶液擴(kuò)散到樹脂表面；自溶液擴(kuò)散到樹脂表面；2. A+從樹脂表面擴(kuò)散到樹脂內(nèi)部從樹脂表面擴(kuò)散到樹脂內(nèi)部的活性中心；的活性中心；3. A+在活性中心發(fā)生交換反應(yīng)；在活性中心發(fā)生交換反應(yīng)；4. 解吸離子解吸離子B+自樹脂內(nèi)部的活性自樹脂內(nèi)部的活性中心擴(kuò)散到樹脂表面；中心擴(kuò)散到樹脂表面；5. B+從樹脂表面擴(kuò)散到溶液；從樹脂表面擴(kuò)散到溶液；液膜脫鹽工作原理脫鹽工作原理 在離子交換過程中，水中的在離子交換過程中，水中的陽離子陽離子（如（如Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+等）與陽離子交換樹脂上的等）與陽離子交換樹脂上的H+ 進(jìn)行交換，水中陽

12、離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而進(jìn)行交換，水中陽離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的樹脂上的H+交換到水中。交換到水中。 水中的水中的陰離子陰離子（如（如Cl-、HCO3-等）與陰離子交換樹脂上的等）與陰離子交換樹脂上的OH-進(jìn)行交換，進(jìn)行交換，水中陰離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的水中陰離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的OH- 交換到水中。而交換到水中。而H+ 與與OH- 相結(jié)合生成水，從而達(dá)到脫鹽的目的相結(jié)合生成水，從而達(dá)到脫鹽的目的(見下頁圖見下頁圖) 。 H2O 陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂H+ Na+ OH- Cl- Na

13、Cl H2O 離子交換原理示意圖離子交換原理示意圖 離子交換動(dòng)力學(xué)離子交換動(dòng)力學(xué)當(dāng)溶液中的當(dāng)溶液中的A與樹脂內(nèi)離子與樹脂內(nèi)離子B發(fā)生交換反應(yīng)時(shí)，整個(gè)反應(yīng)歷發(fā)生交換反應(yīng)時(shí)，整個(gè)反應(yīng)歷將經(jīng)歷五個(gè)階段：將經(jīng)歷五個(gè)階段：（1）膜擴(kuò)散過程）膜擴(kuò)散過程 在樹脂微粒周圍包圍著一層靜止的液膜，離子必須通在樹脂微粒周圍包圍著一層靜止的液膜，離子必須通過這個(gè)膜方能到達(dá)樹脂表面，這叫膜擴(kuò)散過程過這個(gè)膜方能到達(dá)樹脂表面，這叫膜擴(kuò)散過程（2）粒擴(kuò)散過程）粒擴(kuò)散過程 A離子由表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部，進(jìn)入交換位置離子由表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部，進(jìn)入交換位置（3）化學(xué)交換反應(yīng)過程）化學(xué)交換反應(yīng)過程（4）B離子由樹脂內(nèi)部進(jìn)入到樹脂表面離子由

14、樹脂內(nèi)部進(jìn)入到樹脂表面（5）B離子從表面通過液膜進(jìn)入外界溶液離子從表面通過液膜進(jìn)入外界溶液 影響擴(kuò)散速度的因素影響擴(kuò)散速度的因素1 樹脂顆粒大小樹脂顆粒大小顆粒越小、內(nèi)擴(kuò)散距離短、內(nèi)擴(kuò)散速度快顆粒越小、內(nèi)擴(kuò)散距離短、內(nèi)擴(kuò)散速度快2 樹脂交聯(lián)度樹脂交聯(lián)度交聯(lián)度愈大，樹脂網(wǎng)孔減小，擴(kuò)散速度愈慢交聯(lián)度愈大，樹脂網(wǎng)孔減小，擴(kuò)散速度愈慢3 溫度溫度溫度升高、有利于提高擴(kuò)散速度溫度升高、有利于提高擴(kuò)散速度4交換離子的大小交換離子的大小交聯(lián)度愈大，樹脂網(wǎng)孔減小，擴(kuò)散速度愈慢交聯(lián)度愈大，樹脂網(wǎng)孔減小，擴(kuò)散速度愈慢5溶液濃度溶液濃度稀溶液中決定的是膜擴(kuò)散速度、加大濃度、擴(kuò)散速度加快。稀溶液中決定的是膜擴(kuò)散速度、

15、加大濃度、擴(kuò)散速度加快。濃度過高后，粒擴(kuò)散速度成為反應(yīng)速度決定階段。最后反應(yīng)趨向于已極限值濃度過高后，粒擴(kuò)散速度成為反應(yīng)速度決定階段。最后反應(yīng)趨向于已極限值 按照操作方式分類按照操作方式分類 操作方式有操作方式有靜態(tài)靜態(tài)(與與動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)交換交換設(shè)備兩種交換交換設(shè)備兩種 靜態(tài)設(shè)備為一帶有攪拌器的反應(yīng)罐，目前已較少使用靜態(tài)設(shè)備為一帶有攪拌器的反應(yīng)罐，目前已較少使用 動(dòng)態(tài)設(shè)備分為間歇操作的固定床和連續(xù)操作的流動(dòng)床兩大類動(dòng)態(tài)設(shè)備分為間歇操作的固定床和連續(xù)操作的流動(dòng)床兩大類離子交換裝置靜態(tài)交換設(shè)備 交換液與樹脂一同放入容器內(nèi)，攪拌或交換液與樹脂一同放入容器內(nèi)，攪拌或鼓入空氣，充分接觸，交換達(dá)到平衡時(shí)，鼓入

16、空氣，充分接觸，交換達(dá)到平衡時(shí)，過濾將液固分離。過濾將液固分離。 為了提高交換效果，需進(jìn)行多次靜態(tài)交為了提高交換效果，需進(jìn)行多次靜態(tài)交換，又稱間歇式交換。換，又稱間歇式交換。 費(fèi)時(shí)，效率低，實(shí)用價(jià)值小。費(fèi)時(shí)，效率低，實(shí)用價(jià)值小。柱式離子交換罐剖視圖柱式離子交換罐剖視圖動(dòng)態(tài)交換設(shè)備動(dòng)態(tài)設(shè)備分為間歇操作的固定床和連續(xù)操作的流動(dòng)床兩大類動(dòng)態(tài)設(shè)備分為間歇操作的固定床和連續(xù)操作的流動(dòng)床兩大類 固定床有單床（單柱或單罐操作）、多床（多柱或多罐串聯(lián)）、復(fù)床固定床有單床（單柱或單罐操作）、多床（多柱或多罐串聯(lián)）、復(fù)床（陰柱、陽柱）、混合床（陰、陽樹脂混合在一個(gè)柱或罐中）（陰柱、陽柱）、混合床（陰、陽樹脂混合在一個(gè)柱或罐中）連續(xù)流動(dòng)床是指溶液及樹脂以相反方向均連續(xù)不斷流入和離開交換設(shè)備，連續(xù)流動(dòng)床是指溶液及樹脂以相反方向均連續(xù)不斷流入和離開交換設(shè)備，一般也有單床、多床之分一般也有單床、多床之分料液料液處理液處理液 單床式單床式料液料液處理液處理液 多床式多床式料液料液處理液處理液 復(fù)床式復(fù)床式料液料液處理液處理液 混合床式混合床式固定床設(shè)備下圖為三塔式移動(dòng)床，由交換塔、再生塔和清洗塔組成。