第四章離子交換分離法

1、13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)第第4章章 離子交換分離法離子交換分離法4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)4-2 離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論4-4 離子交換動(dòng)力學(xué)離子交換動(dòng)力學(xué)4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)目的及要求：目的及要求：1.了解離子交換的定義、離子交換樹(shù)脂的合成、性質(zhì)和分類(lèi)，了解離子交換的定義、離子交換樹(shù)脂的合成、性質(zhì)和分類(lèi)，了解離子交換動(dòng)力學(xué)了解離子交換動(dòng)力學(xué) ；2.掌握離子交換法的基本理論（杜南理論的推導(dǎo)、原則和方程掌握離子交換法的基本理論（杜南理論的推導(dǎo)、原則和方程

2、式、掌握離子交換法的操作方法式、掌握離子交換法的操作方法 ；3.關(guān)注離子交換法的應(yīng)用。關(guān)注離子交換法的應(yīng)用。 重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：重點(diǎn)：離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度與溶脹離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度與溶脹 ；交換容量；杜南理論；交換容量；杜南理論； 選擇系數(shù)和平衡系數(shù)；交換過(guò)程；選擇系數(shù)和平衡系數(shù)；交換過(guò)程； 樹(shù)脂的選擇和處理；柱上操作；樹(shù)脂的選擇和處理；柱上操作；難點(diǎn)：難點(diǎn)：杜南理論和離子交換親和力杜南理論和離子交換親和力。第第4章章 離子交換分離法離子交換分離法13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)概述概述1850年，Thompson和Way，土壤中鈣、鎂離子與水中的鉀、銨離子的交換現(xiàn)象；1903年，Harms和R

3、umpler，硅酸鋁鹽離子交換劑的合成； 1933年，Adams和Holms，人工方法制造酚醛類(lèi)型的陽(yáng)、陰離子交換樹(shù)脂； 1945年，D. A1elio，制備聚苯乙烯型強(qiáng)酸性及聚丙烯酸型弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂； 聚苯乙烯陰離子交換樹(shù)脂、氧化還原樹(shù)脂以及螯合型樹(shù)脂等也相繼出現(xiàn)；二十世紀(jì)五十年代后期，各種大孔型的樹(shù)脂又相繼發(fā)展。第第4章章 離子交換分離法離子交換分離法13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)“離子交換樹(shù)脂之父離子交換樹(shù)脂之父”何炳林何炳林南開(kāi)大學(xué)教授南開(kāi)大學(xué)教授, ,中國(guó)科學(xué)院院士中國(guó)科學(xué)院院士19421942年畢業(yè)于西南聯(lián)合大學(xué)年畢業(yè)于西南聯(lián)合大學(xué)19521952年獲美國(guó)印第安納大學(xué)博士學(xué)位年獲美國(guó)印第

4、安納大學(xué)博士學(xué)位 開(kāi)創(chuàng)并發(fā)展了我國(guó)的離子交換樹(shù)脂開(kāi)創(chuàng)并發(fā)展了我國(guó)的離子交換樹(shù)脂和吸附工業(yè)，發(fā)明了大孔離子交換樹(shù)脂，和吸附工業(yè)，發(fā)明了大孔離子交換樹(shù)脂，系統(tǒng)研究了新型離子交換樹(shù)脂和大孔新系統(tǒng)研究了新型離子交換樹(shù)脂和大孔新型吸附樹(shù)脂的合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用。型吸附樹(shù)脂的合成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用。第第4章章 離子交換分離法離子交換分離法13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)離子交換離子交換離子交換劑中的可被交換離子與試液中帶相同電荷的離子間的交換作用。離子交換分離法離子交換分離法利用這種離子交換進(jìn)行元素間分 離的方法。 利用利用離子交換劑作為吸附劑離子交換劑作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其將溶液中的待分離組分，依

5、據(jù)其電荷差異電荷差異，依靠，依靠庫(kù)侖力庫(kù)侖力吸附在離吸附在離子交換劑上，然后利用合適的洗子交換劑上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從交換劑上洗脫下脫劑將吸附質(zhì)從交換劑上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離的目的。來(lái)，達(dá)到分離的目的。第第4章章 離子交換分離法離子交換分離法13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)離子交換劑離子交換劑 海綠砂、泡沸石、磷酸鋯、磷酸銨等海綠砂、泡沸石、磷酸鋯、磷酸銨等 無(wú)機(jī)離子交換劑 有機(jī)離子交換劑 碳質(zhì)離子交換劑碳質(zhì)離子交換劑 離子交換離子交換樹(shù)脂樹(shù)脂 弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂 弱堿性陰離子交換樹(shù)脂弱堿性陰離子

6、交換樹(shù)脂磺化煤磺化煤OHAlOSiNaanalcite22626)()(方沸石OHOAlSiNanatroliteOHOAlSiCaKharmotomeOHAlOSiCaNamordeniteOHAlOSiCaNachabazite22102322142521252262)()(5)(,()(3 . 3)(,()(6)(,()(鈉沸石交沸石絲光沸石菱沸石陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 陰離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂 特殊樹(shù)脂特殊樹(shù)脂 螯合樹(shù)脂螯合樹(shù)脂大孔樹(shù)脂大孔樹(shù)脂萃淋樹(shù)脂萃淋樹(shù)脂。4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一、離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)一、離子交換樹(shù)脂的結(jié)

7、構(gòu) 離子交換樹(shù)脂是一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂是一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能高分子化合物。的功能高分子化合物。具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架；骨架；聯(lián)接在骨架上的聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)；活性基團(tuán)；活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子活性離子（可交換離子可交換離子）。）。4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 組成組成 離子交離子交換樹(shù)脂換樹(shù)脂母體母體-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

8、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u可交換離子為陽(yáng)離子，稱陽(yáng)離子交可交換離子為陽(yáng)離子，稱陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，與陽(yáng)離子發(fā)生交換換樹(shù)脂，與陽(yáng)離子發(fā)生交換u可交換離子為陰離子，稱陰離子交可交換離子為陰離子，稱陰離子交換樹(shù)脂，與陰離子發(fā)生交換換樹(shù)脂，與陰離子發(fā)生交換13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)骨架：骨架：接有功能基團(tuán)，本身是惰性接有功能基團(tuán)，本身是惰性功能基團(tuán)：功能基團(tuán)：連接在骨架上，可與相連接在骨架上，可與相反離子結(jié)合反離子結(jié)合待交換離子：待交換離子：在吸附階段可與活在吸附階段可與活性離子交換，與骨架上的功能基性離子

9、交換，與骨架上的功能基團(tuán)結(jié)合團(tuán)結(jié)合可交換離子：可交換離子：與功能基團(tuán)所帶電荷與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子相反的可移動(dòng)的離子13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)交換前交換前交換達(dá)到平衡后交換達(dá)到平衡后陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陽(yáng)離子交換樹(shù)脂4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)交換前交換前交換達(dá)到平衡后交換達(dá)到平衡后陰離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 1、按聚合物的生成分、按聚合物的生成分 縮聚法縮聚法在反應(yīng)過(guò)程中有低分子產(chǎn)物（通常是水）產(chǎn)生

10、。在反應(yīng)過(guò)程中有低分子產(chǎn)物（通常是水）產(chǎn)生。 以甲醛為交聯(lián)劑、穩(wěn)定性不好。以甲醛為交聯(lián)劑、穩(wěn)定性不好。 加聚法加聚法在反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有水產(chǎn)生。在反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有水產(chǎn)生。 以以二乙烯苯二乙烯苯等為交聯(lián)劑樹(shù)脂結(jié)構(gòu)確定，常為單功能團(tuán)，樹(shù)等為交聯(lián)劑樹(shù)脂結(jié)構(gòu)確定，常為單功能團(tuán)，樹(shù)脂一般性能較好，為球形。脂一般性能較好，為球形。二、離子交換樹(shù)脂的合成方法二、離子交換樹(shù)脂的合成方法CH=CH2+CH=CH2CH=CH2CH2 -CH2-CH2-CH2 - CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2-CH2-CH2CH2-CH24-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂

11、的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2、按功能基的反應(yīng)分、按功能基的反應(yīng)分由單體和交聯(lián)劑 進(jìn)行懸浮共聚，制成交聯(lián)共聚體，再引入 功能基團(tuán)；用帶功能基團(tuán)的單體與交聯(lián)劑混合進(jìn)行懸浮共聚，直接得 到離子交換樹(shù)脂。 (常用常用) 最常用的是聚苯乙烯類(lèi)的離子交換樹(shù)脂，它是由苯乙烯與二乙烯基苯的懸浮共聚得到體型共聚物小珠，再通過(guò)苯環(huán)的取代反應(yīng)及功能基轉(zhuǎn)化而制成。4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的合成陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的合成 在水相中以明膠為分散劑，過(guò)氧化苯甲酰為引發(fā)劑在水相中以明膠為分散劑，過(guò)氧化苯甲酰為引發(fā)劑8585進(jìn)行懸浮聚合。進(jìn)行懸浮聚合。在二氯乙烷中溶

12、脹用濃硫酸或氯磺酸進(jìn)行磺化。在二氯乙烷中溶脹用濃硫酸或氯磺酸進(jìn)行磺化。4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)陰離子交換樹(shù)脂的合成陰離子交換樹(shù)脂的合成氯甲基化氯甲基化溶脹胺化溶脹胺化氯甲基和相鄰的苯環(huán)氯甲基和相鄰的苯環(huán)發(fā)生反應(yīng)（副反應(yīng)）發(fā)生反應(yīng)（副反應(yīng)）4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)陰離子交換樹(shù)脂的合成陰離子交換樹(shù)脂的合成 有兩種強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂。一種含三甲胺基稱為強(qiáng)堿有兩種強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂。一種含三甲胺基稱為強(qiáng)堿型，另一種含型，另一種含二甲基二甲基-羥基羥基-乙基胺基團(tuán)，稱為強(qiáng)堿乙基胺基團(tuán)，稱為強(qiáng)堿II型。

13、型。 I型的堿性比型的堿性比II型強(qiáng)，但再生較困型強(qiáng)，但再生較困難，難，II型樹(shù)脂的穩(wěn)定性較差。型樹(shù)脂的穩(wěn)定性較差。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)三、離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)三、離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)1、按物理結(jié)構(gòu)分類(lèi)：、按物理結(jié)構(gòu)分類(lèi)： 凝膠型凝膠型 大孔型（孔徑為大孔型（孔徑為20 100nm) 載體型載體型3、按合成的樹(shù)脂所用原料單體分類(lèi)：、按合成的樹(shù)脂所用原料單體分類(lèi)： 苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、環(huán)氧系、乙烯吡啶系。苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、環(huán)氧系、乙烯吡啶系。2、按樹(shù)脂離子交換功能團(tuán)分：、按樹(shù)脂離子交換功能團(tuán)分： （1）強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂）強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 （2）弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂）弱酸性陽(yáng)離

14、子交換樹(shù)脂 （3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂）強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂 （4）弱堿性陰離子交換樹(shù)脂）弱堿性陰離子交換樹(shù)脂 4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)1、按離子交換樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)分類(lèi)、按離子交換樹(shù)脂的物理結(jié)構(gòu)分類(lèi)(1) 凝膠型離子交換樹(shù)脂 外觀透明的均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)的離子交換樹(shù)脂統(tǒng)稱凝膠型樹(shù)脂。內(nèi)部沒(méi)有毛細(xì)孔. 孔隙小、少，溶脹度較大，水溶脹后呈凝膠狀。(2) 大孔型離子交換樹(shù)脂 在樹(shù)脂球粒內(nèi)部具有毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的離子交換樹(shù)脂統(tǒng)稱大孔型樹(shù)脂。是非均相凝膠結(jié)構(gòu)，由于孔結(jié)構(gòu)，使其適宜于交換吸附分子尺寸較大的物質(zhì)及在非水溶液中使用?？状螅苊浂刃?，交換速度高，抗污染

15、能力強(qiáng)。(3) 載體型離子交換樹(shù)脂 這是一種作為液體色譜的固定相的離子交換樹(shù)脂，以球形硅膠或玻璃球等非活性材料為載體把它作中心核，在表面覆蓋一離子交換樹(shù)脂薄層，從而制得載體型離子交換樹(shù)脂。4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2、按樹(shù)脂離子交換功能團(tuán)分、按樹(shù)脂離子交換功能團(tuán)分（1）陽(yáng)離子交換樹(shù)脂）陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（活性基團(tuán)為酸性，用于交換溶液中的陽(yáng)離子）強(qiáng)酸型： n R一SO3H， n R一SO3H + Mn+(R一SO3- ) nM +n H + 適用于酸性、中性和堿性溶液。交換容量不受外界影響，交換速度快，耐磨性能好，可反復(fù)使用。弱酸型： n R一COOH

16、，ROH n R一COOH + Mn+(R一COO ) nM + nH +對(duì)H+離子的親合能力強(qiáng)，不適用于強(qiáng)酸溶液，易用酸洗脫，選擇性高，適用于分離強(qiáng)度不同的有機(jī)堿?；旌闲停?n R一SO3H +ROH4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 0017苯乙烯系強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)苯乙烯系強(qiáng)酸性離子交換樹(shù)脂脂指標(biāo)名稱指標(biāo)名稱指標(biāo)指標(biāo)含水量含水量%45-53全交換容量全交換容量(mmol/g干干)4.5濕視密度濕視密度 (g/ml) 0.77-0.87濕真密度濕真密度 (g/ml) 1.25-1.29粒度粒度(0.315-1.25mm)95出廠形式：鈉型出廠形式：鈉型

17、用于：硬水軟化、脫鹽水、純用于：硬水軟化、脫鹽水、純水制備、稀有元素分離、分離水制備、稀有元素分離、分離和提取氨基酸制糖、制藥可作和提取氨基酸制糖、制藥可作為催化劑和脫水劑為催化劑和脫水劑13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)強(qiáng)堿型： 在中性、酸性、堿性溶液中都可使用33)CH(NR弱堿型：R-NH2 R-NHCH3 RN(CH3)2 對(duì)OH-親和力大，不易在堿性溶液中使用（2）陰離子交換樹(shù)脂）陰離子交換樹(shù)脂（活性交換基團(tuán)為堿性，用于交換溶液中的陰離子）混合型：交換反應(yīng)：R-N(CH3 ) 3+OH + NO3- R-N(CH3 ) 3+ NO3 + OH - RNH2 + H2O RNH3+OH- + H +

18、RNH3+OH- + SO42- (RNH3+ ) 2SO4 + OH 4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)D201大孔強(qiáng)堿性陰離子大孔強(qiáng)堿性陰離子出廠形式：氯型出廠形式：氯型 .主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：指標(biāo)名稱指標(biāo)名稱指標(biāo)指標(biāo)含水量含水量%54-62全交換容量全交換容量(mmol/g干干)4.0濕視密度濕視密度 (g/ml) 0.66-0.73濕真密度濕真密度 (g/ml) 1.04-1.08粒度粒度(0.315-1.25mm)95主要用于純水及高純水制備、糖液脫色、生化制品，放射性元素的提煉。主要用于純水及高純水制備、糖液脫色、生化制品，放射性元素

19、的提煉。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)大孔弱堿性丙烯酸系陰離子大孔弱堿性丙烯酸系陰離子 指標(biāo)名稱指標(biāo)名稱指標(biāo)指標(biāo)含水量含水量%60-65全交換容量全交換容量(mmol/g干干)7.0濕視密度濕視密度 (g/ml) 0.65-0.75濕真密度濕真密度 (g/ml) 1.06-1.10粒度粒度(0.315-1.25mm)95出廠形式：鈉型出廠形式：鈉型主要用于藥物提取，苦咸水主要用于藥物提取，苦咸水凈化處理，糖液除酸脫色凈化處理，糖液除酸脫色,金屬提取等金屬提取等 13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 性能陽(yáng)離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)堿性弱堿性活性基團(tuán)磺酸羧酸季銨胺pH對(duì)交換能力的影響無(wú)在酸性溶液中交換能力很小無(wú)

20、在堿性溶液中交換能力很小鹽的穩(wěn)定性穩(wěn)定洗滌要水解 穩(wěn)定洗滌時(shí)要水解再生需過(guò)量的強(qiáng)酸很容易需要過(guò)量的強(qiáng)堿再生容易，可用碳酸鈉或氨交換速度快慢(除非離子化后)快慢(除非離子化后)四類(lèi)樹(shù)脂的特性比較四類(lèi)樹(shù)脂的特性比較主要離子交換基團(tuán)及其結(jié)構(gòu)主要離子交換基團(tuán)及其結(jié)構(gòu)陽(yáng)離子交換劑陽(yáng)離子交換劑陰離子交換劑陰離子交換劑13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 具有高選擇性的離子交換樹(shù)脂具有高選擇性的離子交換樹(shù)脂3 特殊離子交換樹(shù)脂特殊離子交換樹(shù)脂含有對(duì)某些離子具有特殊選擇性的活潑基團(tuán)的離子交換樹(shù)脂。含有對(duì)某些離子具有特殊選擇性的活潑基團(tuán)的離子交換樹(shù)脂。HCNHCH3ON2NO2ON2NO2NO2+K+HCNKCH3ON2NO2O

21、N2NO2NO2+H+六硝基二苯胺六硝基二苯胺五硝基二苯胺聚苯乙烯型樹(shù)脂五硝基二苯胺聚苯乙烯型樹(shù)脂4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 螯合樹(shù)脂螯合樹(shù)脂含亞胺羧基聚胺類(lèi)樹(shù)脂對(duì)堿土金屬和重金屬的選擇吸附性比堿金屬大得多完全不吸附堿金屬、堿土金屬離子，只吸附重金屬離子 樹(shù)脂含有特殊的活性基團(tuán)，可與某些金屬離子形成螯合物，適用于分離富集金屬離子或某些有機(jī)化合物樹(shù)脂的特點(diǎn)樹(shù)脂的特點(diǎn)：選擇性高；交換容量低；制備難度大，成本高4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 指能與周?chē)钚晕镔|(zhì)進(jìn)行電子交換，發(fā)生氧化還原反應(yīng)的一類(lèi)樹(shù)脂，也稱為氧

22、化還原樹(shù)脂。 電子交換樹(shù)脂電子交換樹(shù)脂最常見(jiàn)的是氫醌類(lèi)、巰基類(lèi)、吡啶類(lèi)和二茂鐵類(lèi)等。醌類(lèi)：乙烯制備乙醛、氧吸收劑、阻聚劑、高分子半導(dǎo)體、氧化還原試紙；2R-SH R-S-S-R + 2H+ + 2e-硫醇類(lèi)：還原二硫化物和蛋白質(zhì)中的過(guò)硫鍵；l吡啶類(lèi)：高分子煙酰胺類(lèi)用于制備聚合物修飾電極用于研究生化反應(yīng)、聯(lián)吡啶 l 類(lèi)因光致氧化-還原變色性而用于光電顯示材料、電子轉(zhuǎn)移催化劑；4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 大孔離子交換樹(shù)脂大孔離子交換樹(shù)脂 大孔離子交換樹(shù)脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)

23、化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹(shù)脂。通過(guò)在合成時(shí)加入惰性致孔劑，加快離子交換反應(yīng)速度，從而強(qiáng)化了離子交換的功能；減少了凝膠樹(shù)脂在離子交換過(guò)程中的“有機(jī)污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過(guò)致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹(shù)脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑 長(zhǎng)鏈醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)萃淋樹(shù)脂萃淋樹(shù)脂 一種含有液態(tài)萃取劑的樹(shù)脂，是以苯乙烯和二乙烯苯為骨架有大孔結(jié)構(gòu)和有機(jī)萃取劑的共聚物。 活性組分為萃取劑，兼具離子交換和

24、萃取的優(yōu)點(diǎn)。用作萃取劑的有液態(tài)磷酸酯類(lèi)、脂肪胺類(lèi)以及肟類(lèi)等。 主要用于濃集或分離弱酸性或強(qiáng)酸性溶液中的重金屬離子以及核燃料后處理工廠中放射性廢液處理等。 如土壤中鈾的分離：試樣經(jīng)灼燒有機(jī)物后，用氫氟酸除硅，氫氧化鉀和過(guò)氧化鈉熔融后，用1 mol/L硝酸浸出，鈾（）以硝酸鈾酰形式被CL5209萃淋樹(shù)脂所吸附，樹(shù)脂上的鈾再用混合絡(luò)合劑解吸。 4-1 離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的合成和分類(lèi)離子交換樹(shù)脂的命名方式離子交換樹(shù)脂的命名方式 離子交換產(chǎn)品的型號(hào)以三位阿拉伯?dāng)?shù)字組成 第一位數(shù)字代表產(chǎn)品的分類(lèi) 第二位數(shù)字代表骨架的差異 第三位數(shù)字為順序號(hào)用以區(qū)別基團(tuán)、交聯(lián)劑等的差異。強(qiáng)堿性強(qiáng)堿性13級(jí)

25、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)凝膠型離子交換樹(shù)脂的型號(hào)由四個(gè)數(shù)字組成：13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 0017強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(其交聯(lián)度為7)，圖解如下：13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 大孔型離子交換樹(shù)脂的型號(hào)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) D 20l大孔型強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂(交聯(lián)度沒(méi)有標(biāo)出)，圖解如下：國(guó)外一些產(chǎn)品用字母國(guó)外一些產(chǎn)品用字母C代表陽(yáng)離子樹(shù)脂（代表陽(yáng)離子樹(shù)脂（C為為cation的第一個(gè)字母），的第一個(gè)字母），A代代表陰離子樹(shù)脂（表陰離子樹(shù)脂（A為為Anion的第一個(gè)字母）的第一個(gè)字母）如如Amberlite（安伯來(lái)特）的（安伯來(lái)特）的IRC和和IRA分別為陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，亦分別代分別為陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，亦分別代表

26、陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂表陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)制造廠家制造廠家國(guó)內(nèi)：國(guó)內(nèi)： 主要的有上海樹(shù)脂有限公司、南開(kāi)化工廠、安主要的有上海樹(shù)脂有限公司、南開(kāi)化工廠、安徽皖東化工有限公司，浙江爭(zhēng)光實(shí)業(yè)股份有限公徽皖東化工有限公司，浙江爭(zhēng)光實(shí)業(yè)股份有限公司、晨光化工研究院樹(shù)脂廠、江蘇色可賽思樹(shù)脂司、晨光化工研究院樹(shù)脂廠、江蘇色可賽思樹(shù)脂有限公司等有限公司等國(guó)外：國(guó)外： 較著名的如美國(guó)較著名的如美國(guó)Rohm & Hass公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Amberlite系列、系列、Success公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)Ionresin系列、系列、Dow化學(xué)公司的化學(xué)公司的Dowex系列、法國(guó)系列、法國(guó)Duolite系

27、列和系列和Asmit系列、日本的系列、日本的Diaion系列，還有系列，還有Ionac系列、系列、Allassion系列等系列等 樹(shù)脂的牌號(hào)多數(shù)由各制造廠或所在國(guó)自行規(guī)定樹(shù)脂的牌號(hào)多數(shù)由各制造廠或所在國(guó)自行規(guī)定13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一、離子交換樹(shù)脂的物理性質(zhì)一、離子交換樹(shù)脂的物理性質(zhì)1、外觀類(lèi)別常 見(jiàn) 外 觀類(lèi)別常 見(jiàn) 外 觀0017棕黃色至棕褐色透明球狀顆粒D201乳白色或淺灰色不透明球狀顆粒002棕黃色至棕褐色透明球狀顆粒D202乳白色或淺灰色不透明球狀顆粒D001淺棕色不透明球狀顆粒D301乳白色或淺黃色不透明球狀顆粒D111乳白色或淺黃色不透明球狀顆粒FB乳白色不透明球狀顆粒D113乳白色

28、或淺黃色不透明球狀顆粒YB無(wú)色透明球狀顆粒2014淺黃色或金黃色透明球狀顆粒S-TR黃色或淺褐色球狀顆粒2017淺黃色或金黃色透明球狀顆粒水處理用離子交換樹(shù)脂外觀水處理用離子交換樹(shù)脂外觀 4-2 離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)形狀：透明或半透明形狀：透明或半透明的球狀珠體的球狀珠體顏色：白、淺黃、赤顏色：白、淺黃、赤褐色。褐色。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)2、粒度目數(shù)與“mm”表示的顆粒大小的關(guān)系目數(shù)愈大，顆粒愈小 一般分離常選用6080或100目的樹(shù)脂 4-2 離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)顆粒度一般顆粒度一般以有效粒徑和勻度系數(shù)來(lái)表示以有效粒徑和勻度系數(shù)來(lái)表示。有效粒徑：有效粒徑：指保留

29、指保留90%樣品質(zhì)量的篩子孔徑。樣品質(zhì)量的篩子孔徑。勻度系數(shù)勻度系數(shù)：保留：保留40%樣品質(zhì)量的篩孔徑與保留樣品質(zhì)量的篩孔徑與保留90%樣品質(zhì)量的篩孔徑之比。樣品質(zhì)量的篩孔徑之比。其值愈小表示粒度分布愈均勻。其值愈小表示粒度分布愈均勻。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)3、熱穩(wěn)定性(1) 交聯(lián)的損失； (2) 活性基團(tuán)的損失。 4、強(qiáng)度離子交換樹(shù)脂顆粒抵抗外力，保持其完整的球狀的能力。4-2 離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)5、含水率 樹(shù)脂的含水率即每克樹(shù)脂（在水中充分膨脹）所含水分的百分比（約50%），樹(shù)脂的含水率相應(yīng)地反映了樹(shù)脂網(wǎng)架中的孔隙率。 與樹(shù)脂的交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。)/m

30、Lg（樹(shù)脂所排出水的體積干樹(shù)脂重量干真密度空隙不包括樹(shù)脂顆粒之間的（樹(shù)脂顆粒本身所占體積濕樹(shù)脂重量濕真密度*)/mLg隙包括樹(shù)脂顆粒之間的空（樹(shù)脂堆積體積濕樹(shù)脂重量表觀密度*)/mLg6、 密度（單位均為單位均為mg/L） 干真密度：干燥狀態(tài)下，樹(shù)脂材料本身具有的密度。干真密度：干燥狀態(tài)下，樹(shù)脂材料本身具有的密度。 濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹(shù)脂本身的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹(shù)脂本身的密度。 表觀密度表觀密度(視密度，濕視密度視密度，濕視密度)：樹(shù)脂在水中充分溶脹后的堆積密度。：樹(shù)脂在水中充分溶脹后的堆積密度。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)總交換容量（全交換量）：總交換容量（全交換量）：表示每

31、單位數(shù)量樹(shù)脂能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的化學(xué)基團(tuán)的總量。工作交換容量（實(shí)際交換量）：工作交換容量（實(shí)際交換量）：表示樹(shù)脂在某一定條件下的離子交換能力，它與樹(shù)脂種類(lèi)和總交換容量，以及具體工作條件（如溶液的組成、流速、溫度等因素）等有關(guān)。再生交換容量：再生交換容量：表示在一定的再生劑量條件下所取得的再生樹(shù)脂的交換容量，表明樹(shù)脂中原有化學(xué)基團(tuán)再生復(fù)原的程度。二、離子交換樹(shù)脂的特性二、離子交換樹(shù)脂的特性1、交換容量：、交換容量： 即每克干樹(shù)脂或每毫升濕樹(shù)脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，反應(yīng)離即每克干樹(shù)脂或每毫升濕樹(shù)脂所能交換的離子的毫克當(dāng)量數(shù)，反應(yīng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性能子交換樹(shù)脂進(jìn)行離子交換反應(yīng)的性

32、能(大約為大約為3-6 mmol/g，或，或1-2 mmol/ml)。有總交換容量、工作交換容量和再生交換容量三種表示方法。有總交換容量、工作交換容量和再生交換容量三種表示方法。通常用通常用EV（mmol/ml濕樹(shù)脂）表示，也可用濕樹(shù)脂）表示，也可用EW（mmol/g干樹(shù)脂）表示。干樹(shù)脂）表示。 EVEW（1-含水量）含水量）表觀密度表觀密度13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 工作交換容量 Na+K+Rb+Cs+F-Ac-OH-Cl-NO3-I-ClO3-4-2 離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)100%VVV前前后溶脹率u 溶脹的原因溶脹的原因 水?dāng)U散到樹(shù)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。水?dāng)U

33、散到樹(shù)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。u 影響因素影響因素 樹(shù)脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低。樹(shù)脂交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，溶脹率越低。 活性基團(tuán)：離解程度越大，溶脹率越大；活性基團(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。可交換離子：水合半徑越大，溶脹率越高。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)5、化學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性型態(tài)：陽(yáng)離子交換樹(shù)脂Na型H型； 陰離子交換樹(shù)脂Cl型OH型耐氧化性：高交聯(lián)度低交聯(lián)度； 大孔型凝膠型； 聚苯乙烯型酚醛樹(shù)脂抗輻射能力：高交聯(lián)度低交聯(lián)度； 陽(yáng)離子樹(shù)脂陰離子樹(shù)脂； 交聯(lián)均勻均勻性差幾種離子交換樹(shù)脂的規(guī)格和性能牌 號(hào)00171102017D30

34、1產(chǎn) 品 名 稱強(qiáng)酸性苯乙烯系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性丙烯酸系陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂大孔弱堿性苯乙烯系陰離子交換樹(shù)脂功 能 基-SO3-COOH-N+(CH3)3-N(CH3)2交 換容 量mol/g（干）4.2,Na12,H3.0,Cl4.0mol/ml（濕）2.0,Na4,H1.2,Cl1.4外 觀棕黃色至棕褐色球狀顆粒近乎白色半透明球狀顆粒淡黃色至全黃色球狀顆粒微黃色不透明球狀顆粒粒度(%)(0.31.2mm)95959595含水量(%)3441506040505060濕真比重(200C)1.301.351.101.151.061.111.051.12濕視密度(g/ml)

35、0.840.880.700.800.650.750.700.75耐磨率(%)9895型變膨脹率(%)HNa70ClOH,22鹽堿8最高使用溫度（0C）H型100Na型120100OH型40Cl型100鹽型40堿型100PH值使用范圍11451411219出 廠 型 式Na+H+Cl堿型13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一、杜南理論一、杜南理論 看作是一種具有彈性的凝膠，它能吸收水分而溶脹，溶脹后的離子交換樹(shù)脂內(nèi)部可以看作是一滴濃的電介質(zhì)溶液；樹(shù)脂顆粒與外部溶液之間的界面可以看作是一種半透膜，膜的一邊是樹(shù)脂相，另一邊為外部溶液，樹(shù)脂內(nèi)活潑基團(tuán)電離出來(lái)的離子和外部溶液中的離子一樣，可以通過(guò)半透膜來(lái)往擴(kuò)散。 Na+

36、, Rc1, c1Na+, Clc2, c2Na+, R, Clc1 + x, c1, xNa+, Cl c2 x, c2 x始態(tài)始態(tài)平衡態(tài)平衡態(tài)左左左左右右右右杜南平衡示意圖杜南平衡示意圖三種解釋：杜南理論三種解釋：杜南理論 晶格交換理論晶格交換理論 雙電層理論雙電層理論假設(shè)假設(shè) 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)KNa+外Cl-外=KNa+內(nèi)Cl-內(nèi)V2=KNa+內(nèi)Cl-內(nèi)達(dá)平衡時(shí)，V1=V2，則 V1=KNa+外Cl-外膜兩邊的電荷必呈中性 Na+外=Cl-外Na+內(nèi)=Cl-內(nèi)+R-內(nèi) 2 ( )ClClClR外內(nèi)內(nèi)外內(nèi)內(nèi)內(nèi)內(nèi)外NaNaClNaClCl+陽(yáng)離子

37、可以進(jìn)入陽(yáng)離子交換樹(shù)脂中進(jìn)行交換，陰離子則不能 杜南原則 極少量擴(kuò)散進(jìn)入樹(shù)脂相的Cl-。 杜南入侵 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) KClKCl外外內(nèi)內(nèi)NaNaKK內(nèi)外外內(nèi)2222 CaClCaCl外外內(nèi)內(nèi)NaNa內(nèi)外2+2+外內(nèi)Ca Ca 1/1/ pqABA內(nèi)內(nèi)外外B 若在外界溶液中加入其它離子，如K+ 若引入多價(jià)離子，例如2Ca推廣到一般的情況， 外內(nèi)外內(nèi)CaCa=NaNa+2+2+ 杜南方程式杜南方程式 思考： 陰離子交換樹(shù)脂交換原則 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)二、選擇系數(shù)和平衡系數(shù)二、選擇系數(shù)和平衡系數(shù) 樹(shù)脂吸附離子

38、，主要靠靜電力。將含陽(yáng)離子樹(shù)脂吸附離子，主要靠靜電力。將含陽(yáng)離子A+的交換樹(shù)脂的交換樹(shù)脂RA+浸入到含陽(yáng)離子浸入到含陽(yáng)離子B+的溶液中，交換反應(yīng)為：的溶液中，交換反應(yīng)為：RA+ + B+ RB+ + A+外內(nèi)內(nèi)外BABA=E+BAADBD+BAKK=A/AB/B=BABA=E外內(nèi)外內(nèi)外內(nèi)內(nèi)外分離因數(shù)分離因數(shù) 1說(shuō)明什么？說(shuō)明什么？ 1樹(shù)脂對(duì)樹(shù)脂對(duì)B+的親和力比的親和力比A+大，大，B+能比較牢固地結(jié)合在樹(shù)脂上能比較牢固地結(jié)合在樹(shù)脂上 1樹(shù)脂對(duì)樹(shù)脂對(duì)B+的親和力比的親和力比A+小小BAEBAE平衡常數(shù)平衡常數(shù) 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)l平衡常數(shù)平衡常數(shù)KAB

39、稱為稱為A交換交換B的的選擇性系數(shù)選擇性系數(shù)： KAB = 1，無(wú)選擇性，無(wú)選擇性 KAB 1，交換反應(yīng)向右，交換反應(yīng)向右，A的交換大于的交換大于B； KAB 1，交換反應(yīng)向左，交換反應(yīng)向左，B的交換大于的交換大于A；外內(nèi)內(nèi)外BABA=E+BA 同一類(lèi)樹(shù)脂，對(duì)不同離子的E不同（親和力不同），即離子交換有一定的選擇性，故又叫樹(shù)脂的選擇系數(shù)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)外內(nèi)內(nèi)外外內(nèi)內(nèi)外+BABA+BABABA=K外內(nèi)內(nèi)外+BABABABAE=K外外+BABABAE=k難以測(cè)定，內(nèi)內(nèi)+BA非理想狀態(tài)非理想狀態(tài)熱力學(xué)交換常數(shù)熱力學(xué)交換常數(shù)1/+BA外外稀溶液稀溶液BABAEkpqpqBABA+B+A+B+AE=K

40、外內(nèi)內(nèi)外p,q分別代表A,B離子的價(jià)數(shù)：平衡系數(shù)平衡系數(shù) 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)三、離子交換親和力三、離子交換親和力離子在離子交換樹(shù)脂上的交換能力稱為樹(shù)脂對(duì)離子的交換親和力。離子交換的過(guò)程：R-SO3H + Na+ R-SO3Na + H +R-N(CH3)3Cl + OH- R-N(CH3)3OH + Cl-離子在離子交換樹(shù)脂上的交換能力與離子的水合離子半徑、電荷及離子的極化程度有關(guān)。 水合離子半徑，電荷，離子的極化程度 ，則親和力。 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論交換勢(shì)：即交換離子與固定離子交換的能力。交換勢(shì)大，交換離子越交換勢(shì)：即交換

41、離子與固定離子交換的能力。交換勢(shì)大，交換離子越容易取代樹(shù)脂上的可交換離子，也就表明交換離子與樹(shù)脂之間的親和容易取代樹(shù)脂上的可交換離子，也就表明交換離子與樹(shù)脂之間的親和力越大力越大。 13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)親和力順序親和力順序1、強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（1）不同價(jià)態(tài)離子，電荷越高，與固定離子的靜電引力越大，與固定離子的靜電引力越大， 親和力越大。 例如：Na+Ca2+Al3+Th（IV）（2）當(dāng)離子價(jià)態(tài)相同時(shí)親和力隨著水合離子半徑減小而增大。 一價(jià)離子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Ag+Tl+ 二價(jià)離子：UO22+Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba

42、2+ （3）稀土元素的親和力隨原子序數(shù)增大而減小（這是鑭系收縮現(xiàn)象所致稀土元素的離子半徑隨其原子序數(shù)增大而減小，但水合離子半徑卻增大）。 La3+Ce3+Pr3+Nd3+Sm3+Eu3+Gd3+Tb3+Dy3+Y3+Ho3+ Er3+Tm3+ Yb3+Lu3+Sc3+ 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 2、弱酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 H+的親和力比其它陽(yáng)離子大。 順序與強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂相反。3、強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂F(xiàn)-OH-CH3COO-HCOO-C1-NO2-CN-Br-C2O42-NO3-HSO4-I-CrO42-SO42-檸檬酸根離子4、弱堿型陰離子交換樹(shù)脂F(xiàn)

43、-C1-Br-I-CH3COO-MoO52-P043-AsO43-NO3-酒石酸根離子 CrO42-SO42-OH- 4-3 離子交換的基本理論離子交換的基本理論13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 影響離子交換的選擇性因素影響離子交換的選擇性因素 1、在常溫、稀溶液中在常溫、稀溶液中 （1）離子價(jià)數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。）離子價(jià)數(shù)越高，與固定離子的靜電引力越大，越優(yōu)先交換。 Cr3+Ca2+Na+ PO43-SO42-Cl- （2）同價(jià)離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大。）同價(jià)離子原子序數(shù)越大，與固定離子的靜電引力越大。2、在高濃度的溶液中、在高濃度的溶液中 由于離子的水化作用不

44、充分，水合離子的半徑接近離子半由于離子的水化作用不充分，水合離子的半徑接近離子半徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對(duì)減徑，原子序數(shù)越大，離子半徑增大，離子表面電荷密度相對(duì)減小，與固定離子的靜電引力越小。小，與固定離子的靜電引力越小。Rb+ K+ Na+ Li+13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)3、樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 樹(shù)脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，選擇性增加樹(shù)脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越高，選擇性增加 強(qiáng)酸強(qiáng)酸(堿堿)、弱酸、弱酸(堿堿)樹(shù)脂的交換樹(shù)脂的交換4、溶液的溫度和溶液的溫度和pH溫度升高，溫度升高，K值增大，離子和固定基團(tuán)交換勢(shì)增大。值增大，離子和固定基團(tuán)交換勢(shì)增大。pH值：值： 影

45、響某些離子的存在狀態(tài)，影響某些離子的存在狀態(tài)， Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+ 影響弱酸、堿樹(shù)脂固定基團(tuán)的電離。影響弱酸、堿樹(shù)脂固定基團(tuán)的電離。弱酸性樹(shù)脂在堿性條件下才能起交換作用弱堿性樹(shù)脂在酸性條件下才能起交換作用由于弱酸性樹(shù)脂在酸性或中性下，電離度小，氫離子不易游離，交換容量低13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)1、離子交換的親和力是指（、離子交換的親和力是指（ B ） A. 離子在交換樹(shù)脂上的吸附力；離子在交換樹(shù)脂上的吸附力；B. 離子在交換樹(shù)脂上的交換能力；離子在交換樹(shù)脂上的交換能力； C. 離子交換樹(shù)脂對(duì)離子的選擇性；離子交換樹(shù)脂對(duì)離子的選擇性；D. 離子交換樹(shù)脂對(duì)水分子的作用力。離子交

46、換樹(shù)脂對(duì)水分子的作用力。練習(xí)：練習(xí)：2、將強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂裝在玻璃柱中、將強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂裝在玻璃柱中, 用一定用一定pH的水的水溶液淋洗溶液淋洗,哪組流出順序正確哪組流出順序正確?（ C ） A. Na+、Li+、Ca2+、Fe3+； B. Fe3+、Ca2+、Na+、Li+ C. Li+、Na+、Ca2+、Fe3+； D. Fe3+、Ca2+、Li+、Na+13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)樹(shù)脂中剩余可交樹(shù)脂中剩余可交換的氫離子的量換的氫離子的量樹(shù)脂可交換的樹(shù)脂可交換的氫離子的量氫離子的量溶液中被交換出來(lái)溶液中被交換出來(lái)的氫離子的量的氫離子的量溶液中總的氫溶液中總的氫離子的量離子的量2222內(nèi)外外

47、內(nèi)HCaHCaECaH設(shè)留在溶液中的設(shè)留在溶液中的Ca濃度為濃度為1mmol/g，則，則DCa即即KDCa, KCa/H即即ECaH13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一、離子交換過(guò)程邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散離子交換交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的擴(kuò)散邊界水膜內(nèi)的擴(kuò)散 其中 稱為膜擴(kuò)散步驟，或稱為外擴(kuò)散；和樹(shù)脂顆粒內(nèi)擴(kuò)散； 稱為交換反應(yīng)步驟。離子交換速度實(shí)際上是由膜擴(kuò)散或者顆粒擴(kuò)散步驟控制。離子交換速度實(shí)際上是由膜擴(kuò)散或者顆粒擴(kuò)散步驟控制。 4-4 離子交換動(dòng)力學(xué)離子交換動(dòng)力學(xué)R-SO3H + Na+ R-SO3Na + H +13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 內(nèi)部擴(kuò)散控制：內(nèi)部擴(kuò)散控制：一般說(shuō)來(lái)，液相速度越快或攪一般說(shuō)來(lái)，液相速度越快或

48、攪拌越激烈，濃度越濃，顆粒越大，吸附越弱，拌越激烈，濃度越濃，顆粒越大，吸附越弱，越是趨向于越是趨向于內(nèi)部擴(kuò)散控制。內(nèi)部擴(kuò)散控制。 外部擴(kuò)散控制：外部擴(kuò)散控制：相反液體流速慢，濃度稀，顆相反液體流速慢，濃度稀，顆粒細(xì)，吸附強(qiáng)，越是趨向于外部擴(kuò)散控制。粒細(xì)，吸附強(qiáng)，越是趨向于外部擴(kuò)散控制。 當(dāng)樹(shù)脂吸附當(dāng)樹(shù)脂吸附抗生素抗生素等分子時(shí)，由于在樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)等分子時(shí)，由于在樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散速度慢，常常為散速度慢，常常為內(nèi)部擴(kuò)散控制。內(nèi)部擴(kuò)散控制。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)二、影響膜擴(kuò)散速度的因素二、影響膜擴(kuò)散速度的因素 1、溶液中離子濃度溶液中離子濃度：濃度高，其在液膜中的擴(kuò)散加快。（則此時(shí)離子交換速度受顆粒擴(kuò)散控制。反

49、之，為液膜擴(kuò)散控制）2、溶液溫度溶液溫度：溫度升高有利于加快膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散，提高離子交換速度。每升高1，擴(kuò)散速度將增外3%5%。3、流速或攪拌速度：流速或攪拌速度：增加樹(shù)脂表面水流流速或增加攪拌速度，在一定程度上可提高液膜擴(kuò)散速度，但增加到一定程度以后，其影響變小。13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)三、影響顆粒擴(kuò)散速度的因素三、影響顆粒擴(kuò)散速度的因素1、離子性質(zhì)離子性質(zhì)：化合價(jià)越高，其顆粒擴(kuò)散速度越慢（電荷增大，離子水化程度增加，擴(kuò)散阻力增大）；水合半徑越大，顆粒擴(kuò)散速度越慢。2、樹(shù)脂的交聯(lián)度樹(shù)脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度大，離子在樹(shù)脂網(wǎng)孔內(nèi)的擴(kuò)散慢；反之，樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散速度大（交聯(lián)度小，網(wǎng)眼大，便于擴(kuò)散）。 3、樹(shù)脂的

50、粒徑樹(shù)脂的粒徑：粒徑小，膜擴(kuò)散快，顆粒擴(kuò)散也快，整體交換速度快，但顆粒太小，會(huì)增加樹(shù)脂層阻力，且反洗樹(shù)脂容易流失。 4、交換容量交換容量：內(nèi)擴(kuò)散速度隨樹(shù)脂的交換容量增加而降低（交換容量大，活潑基團(tuán)多，靜電引力大，可利用的自由空間小）。5、活潑基團(tuán)的性質(zhì)活潑基團(tuán)的性質(zhì)：電離度大，交換速度快，選擇性也增大。 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及弱酸、弱堿的鹽型樹(shù)脂，交換速度快（樹(shù)脂電離度大）； 弱酸H型、弱堿OH型樹(shù)脂，交換速度慢。 13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)一、樹(shù)脂的選擇及其處理一、樹(shù)脂的選擇及其處理樹(shù)脂選擇樹(shù)脂選擇： 1、強(qiáng)堿性離子宜用弱酸性樹(shù)脂；、強(qiáng)堿性離子宜用弱酸性樹(shù)脂； 2、弱堿性離子宜用強(qiáng)酸性樹(shù)脂；、弱堿性離子宜用強(qiáng)

51、酸性樹(shù)脂； 3、弱酸性離子宜用強(qiáng)堿性樹(shù)脂；、弱酸性離子宜用強(qiáng)堿性樹(shù)脂； 4、強(qiáng)酸性離子宜選用弱堿性樹(shù)脂；、強(qiáng)酸性離子宜選用弱堿性樹(shù)脂； 5、大分子離子應(yīng)選擇交聯(lián)度較低的樹(shù)脂；、大分子離子應(yīng)選擇交聯(lián)度較低的樹(shù)脂； 6、小分子離子應(yīng)選擇一定交聯(lián)度的樹(shù)脂。、小分子離子應(yīng)選擇一定交聯(lián)度的樹(shù)脂。原因原因：1、4：強(qiáng)酸對(duì)強(qiáng)堿，解吸較困難；：強(qiáng)酸對(duì)強(qiáng)堿，解吸較困難； 2、3：弱酸對(duì)弱堿，形成的鹽易水解，不易吸附；：弱酸對(duì)弱堿，形成的鹽易水解，不易吸附； 5：低交聯(lián)度便于大分子擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部，但交聯(lián)度過(guò)低，會(huì)：低交聯(lián)度便于大分子擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部，但交聯(lián)度過(guò)低，會(huì) 影響樹(shù)脂的選擇性和機(jī)械強(qiáng)度；影響樹(shù)脂的選擇性和機(jī)

52、械強(qiáng)度； 6：交聯(lián)度過(guò)低，樹(shù)脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過(guò)程中，膨脹度較：交聯(lián)度過(guò)低，樹(shù)脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過(guò)程中，膨脹度較 大，對(duì)設(shè)備造成損壞。大，對(duì)設(shè)備造成損壞。 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)未知樹(shù)脂的鑒別未知樹(shù)脂的鑒別操作取未知樹(shù)脂樣品2mL，置于30mL試管中 操作加1M HCl15mL，搖1-2min，重復(fù)2-3次 操作水洗23次 操作加10CuSO4(其中含1H2SO4)5mL，搖1min，放5min 檢查淺綠色、蘭紫色不變色 操作加6M氨液2mL，搖1min，水洗加1M NaOH15mL搖1min，水洗，加酚酞，水洗 檢查深藍(lán)顏色不變紅色

53、不變色 結(jié)果強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂弱堿性陰樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)物理處理：水洗、過(guò)篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹(shù)脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型） 陽(yáng)離子樹(shù)脂 酸 陰離子樹(shù)脂 堿 最后以去離子水或緩沖液平衡a.強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：用4mol.L-1的HCl浸泡12天，酸濾掉，用蒸餾水洗凈轉(zhuǎn)化為R-SO3H（H+型）b.強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂：用NaOH浸泡12天，堿濾掉，用蒸餾水洗凈轉(zhuǎn)化為R-N+(CH3)3OH-（OH-型） 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)二、裝

54、柱二、裝柱 樹(shù)脂洗至中性后借助水的重力使樹(shù)脂自然沉積，避免夾雜氣泡現(xiàn)象。 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)三、交換三、交換交界層：交界層：部分被交換的樹(shù)脂層稱部分被交換的樹(shù)脂層稱為交界層為交界層始漏點(diǎn)：始漏點(diǎn)：流出液中開(kāi)始出現(xiàn)被分流出液中開(kāi)始出現(xiàn)被分離的離子（承接檢驗(yàn)有試液離子）離的離子（承接檢驗(yàn)有試液離子）始漏量：始漏量：達(dá)始漏點(diǎn)時(shí)，被交換到達(dá)始漏點(diǎn)時(shí)，被交換到柱子上的離子的量（柱子上的離子的量（mmol）Na+，K先被交換到樹(shù)脂上用HCl洗脫時(shí)，Na+先被洗脫，K+后被洗脫 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用1

55、3級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例H+, K+, Na+, Ag+ 的分離的分離K：親和力：親和力H+ Na+ K+ Ag+H2O交換交換 exchange游離狀態(tài)游離狀態(tài) 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)洗脫洗脫 elute H+ Na+ K+ Ag+CtNa+K+Ag+淋洗曲線淋洗曲線 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)五、樹(shù)脂再生五、樹(shù)脂再生 使用過(guò)的樹(shù)脂恢復(fù)到原狀的過(guò)程稱為使用過(guò)的樹(shù)脂恢復(fù)到原狀的過(guò)程稱為樹(shù)脂的再生樹(shù)脂的再生. .以適當(dāng)濃度的酸溶液處理

56、以適當(dāng)濃度的酸溶液處理已變?yōu)橐炎優(yōu)镸 M型的強(qiáng)酸性陽(yáng)離型的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，使其恢復(fù)到子交換樹(shù)脂，使其恢復(fù)到H H型。型。交換使用過(guò)的陰離子樹(shù)脂交換使用過(guò)的陰離子樹(shù)脂以適當(dāng)濃度的堿溶液處理，以適當(dāng)濃度的堿溶液處理，可從可從ClCl型轉(zhuǎn)為型轉(zhuǎn)為OHOH型。型。 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè) 再生劑再生劑再生劑的種類(lèi)再生劑的種類(lèi) 強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂：用強(qiáng)酸性陽(yáng)樹(shù)脂：用HCl、H2SO4、NaCl、Na2SO4再生；再生； 弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂：用弱酸性陽(yáng)樹(shù)脂：用HCl、H2SO4再生；再生； 強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂：用強(qiáng)堿性陰樹(shù)脂：用NaOH、NaCl再生；再生；

57、 弱堿性陰樹(shù)脂：用弱堿性陰樹(shù)脂：用NaOH等再生。等再生。再生劑的濃度再生劑的濃度 HCl：510% NaOH：1012%、48% 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)有機(jī)玻璃離子交換裝置有機(jī)玻璃離子交換裝置FYFY組合型凈水器，集凈化組合型凈水器，集凈化殺菌為一體凈水效果殺菌為一體凈水效果 13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)六、離子交換分離法的應(yīng)用六、離子交換分離法的應(yīng)用 1、制備去離子水、制備去離子水1）軟化水）軟化水:將水中硬度將水中硬度(鈣、鎂離子）去除或降低到一定程度的水，鈣、鎂離子）去除或降低到一定程度的

58、水，水在軟化過(guò)程中，僅硬度降低而總含鹽量不變。水在軟化過(guò)程中，僅硬度降低而總含鹽量不變。2）脫鹽水）脫鹽水:指水中鹽類(lèi)指水中鹽類(lèi)(主要是溶于水的強(qiáng)電解質(zhì)主要是溶于水的強(qiáng)電解質(zhì))除去或降低到一除去或降低到一定程度的水定程度的水,其電導(dǎo)率為其電導(dǎo)率為1.010.0 s /cm 電阻率電阻率1萬(wàn)萬(wàn)-100萬(wàn)歐萬(wàn)歐厘厘米米,含鹽量小于含鹽量小于1-5毫克毫克/升。升。3）純水）純水:是指水中的強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)是指水中的強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)(如如SIO2,CO2等等)去出或降去出或降低到一定程度的水低到一定程度的水.電導(dǎo)率為電導(dǎo)率為1.00.1 s/cm；電阻率；電阻率100萬(wàn)萬(wàn)-1000萬(wàn)萬(wàn)歐歐厘米厘

59、米,含鹽量小于含鹽量小于1毫克毫克/升。升。4）超純水）超純水:水中的導(dǎo)電介質(zhì)幾乎完全去除水中的導(dǎo)電介質(zhì)幾乎完全去除,同時(shí)不離解的氣體同時(shí)不離解的氣體,膠體膠體以及有機(jī)物質(zhì)以及有機(jī)物質(zhì)(細(xì)菌等細(xì)菌等)也去除至很低程度的水。其電導(dǎo)率為也去除至很低程度的水。其電導(dǎo)率為0.10.055 s電阻率大于電阻率大于1000萬(wàn)萬(wàn) ,含鹽量小于含鹽量小于0.1毫克毫克/升升.理想純水理想純水(理論理論上上)電導(dǎo)率為電導(dǎo)率為0.05 s,電阻率為電阻率為18.3兆歐兆歐厘米。厘米。 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)水溶液的電導(dǎo)率（水溶液的電導(dǎo)率（25） 30%H

60、2SO4 1cm 106 s/cm 海水海水 33 33103 天然水天然水 20103 50 普通蒸餾水普通蒸餾水 1000103 1 超純蒸餾水超純蒸餾水 10106 0.1 電導(dǎo)率電導(dǎo)率電阻率電阻率 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)R-SO3H + M+ R-SO3M + H+RN+H3OH- + X- RN+H3X- + OH-H+ + OH- H2OH+OH-陽(yáng)離子交換陽(yáng)離子交換陰離子交換陰離子交換去離子水去離子水 de-ionized water 4-5 離子交換分離的操作方法與應(yīng)用離子交換分離的操作方法與應(yīng)用13級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)（1）復(fù)床除