水處理-離子交換分離

第三章離子交換分離

(ionexchange)

3.1離子交換基本原理3.2離子交換劑3.3離子交換分離過程3.4離子交換應用2/4/20231離子交換分離是利用離子交換劑與溶液中欲分離的離子之間發(fā)生交換反應而實現(xiàn)分離的方法，是在固液兩相中進行的單元操作。陽離子交換反應：

Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

Resin-SO3Na+H+=Resin-SO3H+Na+陰離子交換反應：Resin-N(CH3)3OH+Cl-=Resin-N(CH3)3Cl+OH-

Resin-N(CH3)3Cl+OH-=Resin-N(CH3)3OH+Cl–

離子交換反應是一可逆反應。2/4/20232離子交換過程的特點：選擇性高：主要去除離子化的物質(zhì)，并進行等物質(zhì)的量交換；去除效率高；適用性強，應用范圍廣(無機、有機及高純物的制備）；交換劑可反復使用；操作簡便，分離容易2/4/202333.1離子交換的基本理論2/4/20234離子交換熱力學——平衡問題，反應的方向和限度離子交換動力學——速率問題，反應的歷程和達到平衡的時間3.1離子交換機理2/4/20235幾點假設：a.把樹脂看作是凝膠吸水溶漲；c.樹脂上的可交換離子和外部溶液中的離子，可通過半透膜相互擴散；樹脂骨架上的固定離子不能擴散b.樹脂顆粒和外部溶液之間的界面看作是一種半透膜，膜的一邊是樹脂相，另一邊是溶液相；一、道南理論(DonnanTheory)——膜平衡理論

d.當膜內(nèi)外同類型離子擴散透過半透膜的速率相等時，離子交換過程達到平衡。2/4/20236

以H型陽離子交換樹脂為例：道南原則：將H型陽離子交換樹脂浸入鹽酸（HCl）溶液，則樹脂上的H+可以進入外部溶液，而外部溶液中的H+和Cl-

也可以進入內(nèi)部溶液。當膜內(nèi)外H+和Cl-擴散通過半透膜的速度相等時，交換達到了平衡。根據(jù)唐南原則，陽離子只能交換陽離子,不能交換陰離子;陰離子也只能交換陰離子,不能交換陽離子。一、道南理論(DonnanTheory)

2/4/20237離子交換過程也適用質(zhì)量作用定律[H+]內(nèi)[Cl-]內(nèi)=[H+]外[Cl-]外由于膜兩邊電荷呈中性，即[H+]外=[Cl-]外，[H+]內(nèi)=[Cl-]內(nèi)+[R-]將[H+]外[H+]內(nèi)代入質(zhì)量作用定律，得[Cl-]

外2

=[Cl-]內(nèi)*[[Cl-]內(nèi)+[R-]]由于膜內(nèi)有較多的固定離子存在,因此[R-]很大，則[Cl-]

外>>[Cl-]內(nèi),[H+]內(nèi)>>[H+]外一、道南理論(DonnanTheory)2/4/20238離子交換過程可看作是固相的交換樹脂和液相中電解質(zhì)之間的化學置換反應。其反應一般是可逆的。

陽離子交換：R-A++B+=R-B++A+

陰離子交換：R+C-+D-=R+D-+C-如：樹脂上有可交換離子Na+，溶液中有Ca2+Ca2+與樹脂上的Na+交換Na+進入溶液。當溶液Na+

濃度很高時Na+又置換樹脂上的Ca2+

二、離子交換平衡2/4/20239二、離子交換平衡

離子交換反應的界面過程2/4/202310由于離子交換反應是可逆的，進行的方向主要取決于樹脂相和溶液相中各種離子的相對濃度。樹脂相和溶液相中離子濃度差作為推動力，推動著交換反應的進行。當反應進行到一定程度時，就達到了離子交換平衡狀態(tài)。此時，每一種物質(zhì)在樹脂相中的化學勢與在溶液相中的化學勢相等，即：二、離子交換平衡2/4/202311離子交換平衡可用平衡常數(shù)來表示。例如：將樹脂R-A浸入含有B＋的溶液中，B+與A+能通過半透膜進行交換：

RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外達到平衡后，平衡常數(shù)

如果KAB>1，表示B+比較牢固地結(jié)合在樹脂上；如果KAB<1，則表示A+比較牢固的結(jié)合在樹脂上。

∴KAB的數(shù)值說明了離子交換樹脂對A+、B+兩種離子的選擇性，因此稱為選擇性系數(shù)。KAB越大，離子交換樹脂對B+的選擇性越大。二、離子交換平衡2/4/202312嚴格來說，平衡常數(shù)

應該用離子的活度來表示，但在稀溶液中，離子的活度系數(shù)非常接近于1，可近似的用濃度來代替。2/4/202313某些離子在陽離子樹脂上的選擇系數(shù)：陽離子交聯(lián)度陽離子交聯(lián)度８％１２％８％１２％Li+1.001.00Mg2+3.293.51H+1.271.47Zn2+3.473.78Na+1.982.37Co2+3.743.81NH4

+2.553.34Cu2+3.854.46K+2.904.50Cd2+3.884.95Rb+3.164.62Ni2+3.934.99Cs+3.254.66Ca2+5.167.27Ag+8.5122.9Sr2+6.5110.1Tl+1.2428.5Pb2+9.9118.0UO2

2+2.453.34Ba2+11.520.82/4/202314

二、離子交換親和力與選擇性系數(shù)

離子交換中的分配系數(shù)是某種離子在樹脂上的濃度與在溶液中的濃度之比，對陽離子Mn+，分配系數(shù)KP為：

分配系數(shù)KP反映了離子與樹脂的親和力大小。

不同離子對樹脂的親和力大小具有如下規(guī)律：(1)稀溶液中，離子電荷越大，親和力越大；(2)相同電荷時，水合半徑越小，親和力越大；2/4/202315

(3)多元素陰離子親和力的順序為：

SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-(4)H+對強酸性離子交換樹脂的親和力在Na+與Li+之間，離子交換樹脂的酸性越弱，H+與其親和力越大；

(5)OH-對強堿性離子交換樹脂的親和力在Ac-與F-之間，離子交換樹脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大；2/4/202316三、離子交換選擇性問題

影響離子交換選擇性的因素很多，目前最令人滿意的是Eisenman理論。現(xiàn)在從最簡單的堿金屬的交換選擇性入手來進行討論。由實驗可知，對同一種Li+-型強酸性陽離子交換樹脂，各種陽離子的平衡系數(shù)按下列順序增加：

Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+

Be2+<Mg2+<Ca2+<Sr2+<Ba2+但是，在含有-COOH的弱酸性陽離子交換樹脂上，上述離子交換的平衡系數(shù)的大小剛好相反。2/4/202317

一方面，由于離子半徑最小的Li+，靜電引力最強。因此它吸引水分子形成水合離子的現(xiàn)象最顯著，所形成的水合離子的半徑最大，于是水合了的Li+靜電場引力最弱。而Cs+離子裸半徑最大的，靜電場引力最弱，于是水合的Cs+半徑就最小，水合了的Cs+靜電引力就最強，與樹脂的親和力最強。

另一方面，離子交換樹脂上的活性基團，在電離以后也存在著靜電引力。但是不同的活性基團靜電場的強弱不同，-COO-與SO3-比較，前者強，后者弱。三、離子交換選擇性問題2/4/202318所以：對于具有弱靜電引力的強酸性陽離子交換樹脂，它和水合Cs+間的引力將最大，交換親和力最大；和水合Li+間的引力將最小，交換親和力最小。因而堿金屬離子的交換親和力順序是：Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+

但對于弱酸性陽離子交換樹脂，例如含有-COO-的樹脂，由于它具有較強的靜電引力場，它將和水分子競爭陽離子，結(jié)果它從水合分子中奪取出陽離子來而與之結(jié)合。這時離子裸半徑最小的結(jié)合能最大，離子交換親和力最大，離子裸半徑最大的交換親和力最小。此時親和力的順序是：Cs+<Rb+<K+<Na+<Li+三、離子交換選擇性問題2/4/202319[定義]:離子與樹脂上的活性基團的交換能力稱離子對樹脂的親和力。總規(guī)律：離子與樹脂的親和力大小與水合離子的半徑、電荷數(shù)、離子的極化程度有關(guān)：稀溶液中，離子電荷越大，親和力越大例：Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ)相同電荷時，水合半徑越小，親和力越大

例：Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+三、離子交換選擇性問題2/4/2023201.強酸型陽離子交換樹脂(1)不同價態(tài)的離子，電荷越高，親和力越大；例如：Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ)(2)價態(tài)相同時，水合離子半徑越小，親和力越大;例如：Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+(3)

二價離子的親和力順序：UO22+＜Mg2+＜

Zn2+

＜

Co2+

＜

Cu2+

＜

Cd

2+

＜

Ni2+

＜

Ca2+

＜

Sr

2+

＜

Pb

2+

＜

Ba

2+

(4)稀土元素的親和力順序：隨原子系數(shù)增多而減少：La3+＞Ce

3+

＞

Pr3+

＞

Nd

3+

＞

Sm

3+

＞

Eu

3+

＞

Gd

3+

＞

Tb3+

＞

Dy

3+

＞

Y3+

＞

Ho3+

＞

Er

3+

＞

Tm3+

＞

Yb

3+

＞

Lu3+

＞

Sc3+

三、離子交換選擇性問題2/4/2023212、弱酸型陽離子交換樹脂

H+的親和力比其它陽離子大，其他同強酸型，即：

H+<Li+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+三、離子交換選擇性問題2/4/2023223.強堿型陰離子交換樹脂

常見的強堿型陰離子樹脂的親和力順序為：

F￣<OH￣<CH3COO￣<HCOO￣<Cl￣<NO2￣<CN￣<Br￣<HSO4￣<I￣<CrO4￣<SO4￣<檸檬酸根離子

OH-在Ac-與F-之間，離子交換樹脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大。

三、離子交換選擇性問題2/4/2023234.弱堿型陰離子交換樹脂常見的弱堿型陰離子的親和力順序為：F￣<Cl￣<Br￣<I￣<CH3COO￣<MoO42￣<PO43￣<AsO43￣<NO3￣<酒石酸根離子<CrO42￣<SO42￣<OH￣多元素陰離子樹脂的親和力順序為：SO42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-三、離子交換選擇性問題2/4/2023242.影響親和力的因素離子價數(shù)：樹脂優(yōu)先選擇高價的反離子，價數(shù)越高，與樹脂的靜電吸引力越大，親和力也越大；顆粒內(nèi)部的膨脹力：離子的水化產(chǎn)生膨脹力，水化半徑越小越好；樹脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越大影響就越大三、離子交換選擇性問題2/4/202325三、離子交換動力學1.離子交換反應離子交換反應——通常指離子交換樹脂與溶液中的離子發(fā)生互換的反應。RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外分解反應復分解反應中和反應成鹽反應2/4/2023261.離子交換速率RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外離子交換的五個步驟：①溶液中的離子B+擴散通過樹脂外表面的液膜到達樹脂表面；（膜擴散or外擴散）②離子B+擴散透過樹脂表面的半透膜到達交換位置；（顆粒擴散or內(nèi)擴散）③離子B+和樹脂上的可交換離子A+發(fā)生交換反應；（化學反應）④反應后釋放出的A+離子從交換位置擴散到樹脂的表面；（顆粒擴散or內(nèi)擴散）⑤離子A+從樹脂表面擴散通過液膜到達溶液中。（膜擴散or外擴散）四、離子交換動力學2/4/202327濃度稀時（小于0.01mol/l），為膜擴散控制{慢}；濃度濃時（大于0.1mol/l），為顆粒擴散控制；當在0.01—0.1mol/l之間時，兩種擴散速度相差不大，離子交換速度由兩種擴散速度共同控制。

2/4/202328影響交換速率的因素樹脂的粒度：粒度小且均勻的樹脂交換速率高；樹脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，樹脂的溶脹性越差，影響了離子在樹脂內(nèi)部的擴散；溫度：提高溫度利于交換；溶液濃度：提高濃度有利于增加膜擴散速率；攪拌強度：適當提高攪拌速度可提高擴散速率；待交換離子的性質(zhì)：價態(tài)和半徑的大小四、離子交換動力學＋2/4/2023293.2離子交換劑2/4/202330離子交換劑——是指帶有可交換離子（陰離子或陽離子）的不溶性固體，它能與溶液中帶有同種電荷離子進行置換。如：Resin-SO3H、Resin-N(CH3)3OH等3.2離子交換劑2/4/202331一、離子交換劑的分類

——分為無機和有機兩大類：

天然：海綠石、粘土、天然沸石等，性能不夠無機類穩(wěn)定，交換容量小，顆粒易破碎；人造：人工合成沸石、分子篩、雜多酸等，在選擇性、交換容量、物理性能均有改進;

天然：磺化煤有機類人造：離子交換樹脂——是以高分子聚合物為骨架，反應引入活性基團構(gòu)成的。3.2離子交換劑2/4/202332無機離子交換劑的缺點：1、交換能力低2、化學穩(wěn)定性差3、機械穩(wěn)定性差有機離子交換劑的特點：具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；難溶于水、酸、堿和有機溶劑；較穩(wěn)定（熱、機械、化學）；含活性基團（-SO3H、-COOH、≡NOH等）3.2離子交換劑2/4/202333離子交換樹脂——是一類具有特殊交換性能的有機高分子聚合物，具有多孔結(jié)構(gòu)的固體球形顆粒，粒徑一般為0.3-1.2mm，不溶于水和電解質(zhì)。二、離子交換樹脂2/4/2023341、樹脂的結(jié)構(gòu)：由樹脂骨架+活性基團組成樹脂骨架——具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，在離子交換過程中不發(fā)生反應；高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球最為常見。骨架中含有一定量的交聯(lián)劑，作用是使樹脂骨架形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；钚曰鶊F——以化學鍵與骨架相連，由固定離子+反離子組成。反離子即可交換離子，它與固定離子通過離子鍵結(jié)合，在離子交換過程中反離子被溶液中的離子置換?；钚曰鶊F是樹脂具有交換選擇性的原因。二、離子交換樹脂2/4/202335SO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3H-SO3H：活性基團（-SO3—固定離子，H+—交換離子）：樹脂基體（骨架）樹脂的結(jié)構(gòu)二、離子交換樹脂2/4/202336例：制備聚苯乙烯磺酸基陽離子交換樹脂nnnn聚合反應式中有二乙烯苯2/4/202337濃H2SO4Ag2SO4SO3HSO3HSO3HSO3Hnnnn二、離子交換樹脂2/4/2023382、離子交換樹脂的分類

（1）陽離子交換樹脂（2）陰離子交換樹脂（3）特種離子交換樹脂

凝膠樹脂大孔樹脂螯合樹脂氧化還原樹脂萃淋樹脂二、離子交換樹脂2/4/202339a.陽離子交換樹脂：活性基團是酸性的，能與溶液中的陽離子交換，如R—SO3H，H+可電離，與其他陽離子交換；R-SO3H+Na+=R-SO3Na+H+強酸性：活性基團為強酸性的，如—SO3H，在酸、中、堿介質(zhì)均可用，交換速度快。中等酸性：含—PO3H

弱酸性：如－COOH,酚羥基-OH等，能在酸度較低的溶液中離解出H+而呈弱酸性。對Ｈ＋親合力大，不宜在酸介質(zhì)中使用，但選擇性好。Resin-SO3H（氫型）樹脂的酸性最強，其鈉型比氫型穩(wěn)定，故商品樹脂常為鈉型，使用前用酸淋洗轉(zhuǎn)型（再生）。二、離子交換樹脂2/4/202340b.

陰離子交換樹脂：活性基團是堿性的，能與溶液中的陰離子交換，如R—NH2，-NH2水合后形成含有可離解的-OH-，和其他的陰離子交換。

R-N(CH3)3OH+Cl-=R-N(CH3)3Cl+OH-強堿性：N（季胺基，如-NR3OH）離解性很強，使用的pH沒有限制，一般用強堿進行再生；R-NR3OH=R-NR3++OH-弱堿性：伯胺基（-NH2），仲胺基(-NHR)，叔胺基(-NR2),對OH-的親和力大，在堿性溶液中，失去交換能力，故不宜在堿介質(zhì)中使用，用Na2CO3等再生。Cl型的陰離子交換樹脂較穩(wěn)定。二、離子交換樹脂2/4/202341c.

螯合樹脂：螯合樹脂是一種對金屬離子具有高選擇性的離子交換樹脂。在樹脂中引入能與金屬離子螯合的活潑基團——常含有O、N、S、P和As等原子，它們與金屬離子往往形成多配位絡合物。

特點：選擇性高，但交換容量低，制備成本高、難度大。螯合樹脂的分類（按螯合基團分）亞氨基二乙酸型樹脂8-羥基喹啉型樹脂和8-氨基喹啉型樹脂水楊酸型冠醚型

二、離子交換樹脂2/4/202342螯合樹脂的特點①高選擇性：這主要是由于樹脂中引入具有一定選擇性的活性能團。②穩(wěn)定性：正如普通的離子交換樹脂一樣，螯合樹脂具有較高的穩(wěn)定性。③交換速度：螯合樹脂與金屬離子的交換過程較為緩慢，這不僅與樹脂交聯(lián)度/孔徑有關(guān)，而且與樹脂骨架的特性有關(guān)。使用親水性交換劑，或使用纖維狀吸附劑，可能大幅度提高吸附速度。2/4/202343從分離的角度看，高選擇性的螯合樹脂是離子交換樹脂的發(fā)展方向。例如：新合成的氨羧型LZ-85樹脂能選擇性地從大量鈷中分離出微量鎳。又如：含亞氨基二乙酸基的樹脂，對Cu2＋、Co2＋、Ni2＋具有高選擇性。2/4/202344d.凝膠型樹脂

吸水后溶脹，水分子進入樹脂內(nèi)部，形成細微孔隙，平均孔徑為20A－40A，適于分離半徑＜10A的無機離子。特點：樹脂干燥后失去交換能力（無孔狀態(tài)），必須在水中溶脹后方可使用，不適于油類的物質(zhì)。二、離子交換樹脂2/4/202345e.大孔樹脂

樹脂內(nèi)部有永久微孔，比凝膠樹脂具有更多、更大的孔道和比表面積，離子容易遷移擴散，交換速度快——適于大分子物質(zhì)的分離。特點：可溶于水和非水體系，不需溶脹，耐氧化、耐磨、耐冷熱變化，具有較高的穩(wěn)定性。

例：國產(chǎn)D202#鈉型大孔陽離子交換樹脂二、離子交換樹脂2/4/202346大孔性吸附樹脂大孔性樹脂的特性

大孔吸附樹脂是一種不含交換基團的,具有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附劑。這是一種新型的介于離子交換樹脂和活性炭之間的優(yōu)良吸附劑。通常大孔性樹脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它們具有多孔性的巨大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2/4/202347f.氧化還原樹脂（電子交換樹脂）——含有可逆的氧化還原基團，可與溶液中離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應，而不引入雜質(zhì)。例：如聚乙烯氫醌樹脂，E0=+0.23v，離子通過樹脂時按E的大小發(fā)生氧化或還原，可用此樹脂除水中DO。

二、離子交換樹脂2/4/202348

g.萃淋樹脂——一含有液態(tài)萃取劑的樹脂，猶如將萃取液涂抹于載體上，兼有離子交換和萃取法的優(yōu)點，用于貴金屬制備分離。例：TBP萃淋樹脂可用于分離工業(yè)廢水中的Cr(Ⅵ)；P507萃淋樹脂可用于分離稀土元素。二、離子交換樹脂2/4/202349

h.纖維交換劑(離子交換纖維素)：在天然纖維素上接上活性基團，對其上的羥基進行脂化、磷酸化、羧基化后，即可得離子交換纖維。

特點：顆粒較小，親水性強，表面積大(均是開放性長鏈)，大分子能自由地進入和迅速地擴散，穩(wěn)定，交換速度快，容易洗滌。例：巰基棉-SH、黃原酯棉二、離子交換樹脂2/4/202350離子交換纖維素特別適用于分離那些水溶性的大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多糖、酸性多糖等。常用的離子交換纖維素有三種：二乙基氨基乙基（DEAE）纖維素羧甲基（CM）纖維素ECTEOLA纖維素2/4/202351

3、離子交換樹脂的性能指標（1）交換容量——即樹脂交換能力的大小。重量法表示：單位重量干樹脂中離子交換基團的數(shù)量，用mmol/g或mol/kg表示。容積法表示：單位體積濕樹脂中離子交換基團的數(shù)量，用mmol/L或mmol/m3表示。（常用）它取決于樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所含的活性基團的數(shù)目，交換容量可用實驗方法測定。弱酸性或弱堿性樹脂的交換容量與pH值有關(guān)。二、離子交換樹脂2/4/202352（1）交換容量全交換容量：指樹脂中能夠起交換作用的活性基團的總數(shù)。一般樹脂的交換容量為3－6mmol/g。工作交換容量：指在動態(tài)工作條件下，所測得的能發(fā)揮交換作用的活性基團的數(shù)量。由于運行條件的限制，不同條件下測得的工作容量不同。有效交換容量：工作交換容量減去因正、反洗損失的交換容量。二、離子交換樹脂3、離子交換樹脂的性能指標2/4/202353交換容量的測定方法——可參看國家標準：GB5760-86陰離子交換樹脂交換容量測定方法、GB8144-87陽離子交換樹脂交換容量測定方法、GB11992-89氯型強堿性離子交換樹脂交換容量測定方法。三、離子交換樹脂的性能指標2/4/202354例：強酸性陽離子交換樹脂交換容量測定方法

稱1g干樹脂于250mL干燥錐形瓶中,加入100mL0.1mol/LNaOH后,塞緊,充分振蕩,放置24h。吸取25mL上清液于另一干凈的錐形瓶中,加入酚酞溶液,用0.1mol/LHCl滴定至無色為終點。3、離子交換樹脂的性能指標[交換容量的測定]2/4/202355

將強酸型離子交換樹脂處理成H型，裝柱，用水洗至中性。將5.10mL0.2340mol/L的CaCl2溶液加入到該樹脂柱中，再用水洗至中性。淋洗液用0.1020mol/LNaOH滴定，消耗20.50mL。Ca2+在該樹脂上的交換率為

。［交換率的測定］3、離子交換樹脂的性能指標2/4/202356（2）交聯(lián)度

——樹脂中所含交聯(lián)劑的質(zhì)量百分率。它反映了樹脂骨架中網(wǎng)孔的大小，是離子交換樹脂的重要性質(zhì)之一。例如：用88份苯乙烯與12份二乙烯苯合成的樹脂，其交聯(lián)度為12%。交聯(lián)度小，溶脹性能好，網(wǎng)眼大，交換速度快，但選擇性差，機械強度也差。通常，樹脂的交聯(lián)度以4-14%為宜。3、離子交換樹脂的性能指標2/4/202357

（3）溶脹性樹脂的溶脹——用水浸泡樹脂，由于水的滲入，活性基團發(fā)生離解、水合作用，使樹脂的網(wǎng)眼增大，體積膨脹。溶脹率——溶脹前后的體積差與溶脹前體積之比交聯(lián)度大，溶脹性小；溶脹率大，交換容量就大。3、離子交換樹脂的性能指標2/4/202358（4）含水率充分溶脹的濕樹脂所含的溶脹水的重量占濕樹脂總重的百分比。一般在5%左右。樹脂中也有游離水或表面水，但能用離心法去除，這種水分并非化合水，與樹脂的性質(zhì)無關(guān)。3、離子交換樹脂的性能指標2/4/202359（5）密度

三種表示方法：干真密度、濕真密度、濕視密度干真密度——樹脂在干燥時的真實密度，一般用g/mL表示干真密度=干樹脂質(zhì)量/樹脂顆粒的真體積濕真密度——樹脂充分溶脹后，樹脂顆粒的密度，單位同上。濕真密度=濕樹脂質(zhì)量/濕樹脂顆粒的真體積

濕顆粒的體積包括：溶脹水分、顆粒內(nèi)部間隙水，但不包括顆粒間的間隙水。一般為1.04-1.30g/mL.濕視密度——樹脂充分溶脹后的堆積密度。濕視密度＝濕樹脂質(zhì)量／濕樹脂堆積體積該密度用于計算離子交換柱中濕樹脂的裝載重量，一般為0.60-0.85g/mL.3、離子交換樹脂的性能指標2/4/2023604、使用離子交換樹脂的pH范圍強酸型：R-SO3HpH>2弱酸型：R-COOHpH>6R-OHpH>10強堿型：R=NOHpH＜12弱堿型：RNH3OHpH<4二、離子交換樹脂2/4/2023613.3離子交換分離過程2/4/202362一、操作方式1、靜態(tài)交換：間歇操作，實驗室中常用；效率較低，操作繁瑣，時間消耗多2、動態(tài)交換：連續(xù)操作，固定床、活動床溶液與樹脂層發(fā)生相對移動；交換、再生、清洗等操作在交換裝置的不同部位同時進行；效率高、連續(xù)化，但操作較復雜，樹脂磨損大3.3離子交換分離操作2/4/202363二、樹脂的選擇樹脂的粒度、形狀、密度、交換容量、穩(wěn)定性等需考慮：待分離物質(zhì)的電荷種類、電性強弱、分子大?。?shù)量等因素。比如：強堿性離子宜用→弱酸性樹脂強酸性樹脂能吸附但解離難，洗脫再生困難；弱堿性離子宜用→強酸性樹脂弱酸性樹脂吸附性弱強酸性離子宜用→弱堿性樹脂弱酸性離子宜用→強堿性樹脂大分子離子選擇交聯(lián)度較低的樹脂或大孔樹脂3.3離子交換分離操作2/4/202364二、樹脂的選擇粒度選擇用途篩孔制備去離子水50~100目分離常量元素100~200目分離微量元素200~400目3.3離子交換分離操作樹脂的型式

酸性樹脂可用氫型或鈉型

堿性樹脂可用羥型或氯型2/4/2023653.3離子交換分離操作

三、樹脂的預處理[過篩]：市售的樹脂顆粒大小不一，應除去過大或過小的樹脂顆粒。[除雜]:樹脂含有雜質(zhì)，應先除去樹脂中的雜質(zhì)。

[浸泡]：凝膠樹脂→去離子水浸泡12h→2～3倍4mol/LHCl浸泡1～2d→水洗至中性→得H+陽離子交換樹脂或Cl－陰離子交換樹脂。2/4/202366除雜方法:三、樹脂的預處理2/4/202367若需要特殊形式,可以用不同溶液處理。NaCl溶液處理→陽離子樹脂成了Na+型，陰離子樹脂成了Cl-型；NaOH溶液處理→陽離子樹脂成了Na+型，陰離子樹脂成了OH-型；Na2SO4溶液處理→陽離子樹脂成了Na+型，陰離子樹脂成了SO42-型；

樹脂處理成需要的形式后,浸泡在蒸餾水中備用。樹脂的轉(zhuǎn)型：三、樹脂的預處理2/4/202368四、裝柱示意圖見下，可用滴定管代替。a.潤濕的玻璃絲塞在下端（防止樹脂流出）；b.柱子充滿水；c.倒入樹脂（不可有氣泡)d.蓋一層玻璃絲（防止加入溶液時把樹脂層沖動）2/4/202369離子交換柱2/4/202370單床：只裝一種樹脂復床：兩種以上樹脂分層裝在同一柱內(nèi)移動床：樹脂使用、再生和清洗在不同的柱中樹脂層的高度：一般為1~1.5m柱體高度約為樹脂層高度的2倍柱有效高度與直徑之比（4:1）~（5:1）樹脂層高度為柱有效高度的1/2~1/3離子交換柱2/4/202371五、離子交換過程——將試液按規(guī)定的流速，流經(jīng)交換柱進行交換。達到始漏點時，被交換離子的物質(zhì)的量稱工作容量。工作交換容量<交換容量3.3離子交換分離操作飽和區(qū)工作區(qū)未交換區(qū)2/4/202372交換過程中，溶液流經(jīng)交換柱的速度控制是很重要的：流速過快，溶液中的離子來不及交換，處理效果不好；流速過慢：單位時間內(nèi)處理量小，影響效率流速的選擇應在質(zhì)量保證下尋求最大流速，一般需要經(jīng)實驗確定。分離過程中，需要分步收集流出液以獲得純物質(zhì)。樹脂中毒現(xiàn)象——樹脂被某些物質(zhì)污染，交換容量下降；復活——使中毒的樹脂再生的處理。五、離子交換過程2/4/202373用適當?shù)南疵撘?，按?guī)定的流速，將交換上去的離子洗脫下來?！粨Q的逆過程。洗脫原理：用親和性更強的同性離子取代樹脂上吸附的目的產(chǎn)物。洗脫順序：親和力小的離子先被洗脫，親和力大的離子后被洗脫。如提取谷氨酸，谷氨酸結(jié)合到樹脂上，用Na+或NH4+溶液洗脫。六、洗脫（淋洗）2/4/202374六、洗脫——交換的逆過程。［洗滌］：把樹脂上的殘留液用純水洗干凈。［洗脫］：用適當?shù)南疵撘?，按?guī)定的流速，將交換上去的離子洗脫下來。2/4/202375洗脫（淋洗）的方式：分步淋洗——準備兩種或以上的洗脫液，先用洗脫力弱的后用洗脫力強的溶液，把樹脂上的離子先后洗脫下來。梯度淋洗——把不同的洗脫液先混合，再流經(jīng)樹脂柱，把離子洗脫下來。濃度不同、pH不同、極性不同、離子強度不同2/4/202376

七、樹脂再生交換一定時間后，樹脂飽和，失去交換能力。將樹脂恢復到交換前的形式，這個過程稱為樹脂再生。有時洗脫的過程就是再生的過程。3.3離子交換分離操作2/4/2023773.4離子交換法的應用2/4/2023781.去離子水的制備

實驗室用去離子水及鍋爐用水的軟化。采用串聯(lián)的陽離子交換柱和陰離子交換柱。先用陽離子交換樹脂除去各種陽離子：Mn++nR-SO3H→(R-SO3)nM+nH+再用陰離子交換樹脂除去各種陰離子：m(RN(CH3)3OH)+Xm-→(RN(CH3)3)mX+mOH-