離子交換原理

關(guān)于離子交換原理第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五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的應(yīng)用主要內(nèi)容第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（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，是從水溶液中提取有用組分的基本單元操作。樹脂容量有限，若溶液中離子濃度太高，則樹脂用量多，設(shè)備尺寸大，所以離子交換不適宜處理較濃的工藝溶液。離子交換第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五（二）發(fā)展1805年英國科學(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年我國開始合成樹脂。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五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，在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號離子進(jìn)行交換。結(jié)構(gòu)：離子交換樹脂是一類帶有功能基的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，它由不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基團(tuán)和功能基團(tuán)上帶有相反電荷的可交換離子三部分構(gòu)成。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五

(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7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五

(二)分類按結(jié)構(gòu)離子交換樹脂凝膠型孔大，溶脹度小，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。大孔型離子交換樹脂陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂弱堿性陰離子交換樹脂(伯、仲、叔胺基)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂(季銨基團(tuán))弱酸性陽離子交換樹脂(羧酸基團(tuán))強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂(磺酸基團(tuán))聚苯乙烯型樹脂、聚丙烯酸型樹脂、酚-醛型樹脂等；按選擇性按主要成分第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五凝膠型樹脂大孔型樹脂第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五凝膠型樹脂

交換容量大、離子交換速度快和耐熱性能較好等優(yōu)點(diǎn)。

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2~4nm(2×10-6~4×10-6mm)。

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，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。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五大孔型樹脂

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）。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。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。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五12b.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

(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）第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五13c.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717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）第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五14①粒度（珠狀顆粒型）：0.315-1.2mm②含水量（凝膠樹脂）：30%-80%③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④離子交換選擇性：,mmol/g或者⑤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Ba2+>Pb2+>Ca2+同價(jià)位時(shí)，依半徑大優(yōu)先，因?yàn)樗霃叫。c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第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五幾類樹脂性能的比較

類型性能陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂強(qiáng)酸性弱酸性強(qiáng)酸性弱酸性活性基團(tuán)磺酸羧酸季胺伯胺、仲胺pH的影響無酸性交換力小無堿性交換力小再生劑用量3～5倍1.5～2倍3～5倍1.2～2倍交換速率快慢快慢第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五離子交換機(jī)理

離子交換機(jī)理B+A+樹脂離子交換過程包括5步：1.A+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)部的活性中心；3.A+在活性中心發(fā)生交換反應(yīng)；4.解吸離子B+自樹脂內(nèi)部的活性中心擴(kuò)散到樹脂表面；5.B+從樹脂表面擴(kuò)散到溶液；液膜第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五脫鹽工作原理

在離子交換過程中，水中的陽離子（如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Fe3+等）與陽離子交換樹脂上的H+

進(jìn)行交換，水中陽離子被轉(zhuǎn)移到樹脂上，而樹脂上的H+交換到水中。

水中的陰離子（如Cl-、HCO3-等）與陰離子交換樹脂上的OH-進(jìn)行交換，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H+與OH-相結(jié)合生成水，從而達(dá)到脫鹽的目的(見下頁圖)。

第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五H2O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H+Na+OH-Cl-NaClH2O離子交換原理示意圖第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五離子交換動(dòng)力學(xué)當(dāng)溶液中的A與樹脂內(nèi)離子B發(fā)生交換反應(yīng)時(shí)，整個(gè)反應(yīng)歷將經(jīng)歷五個(gè)階段：（1）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

A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（4）B離子由樹脂內(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

第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五影響擴(kuò)散速度的因素1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2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3溫度——溫度升高、有利于提高擴(kuò)散速度4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5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。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)趨向于已極限值第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五按照操作方式分類操作方式有靜態(tài)(與動(dòng)態(tài)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第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五靜態(tài)交換設(shè)備交換液與樹脂一同放入容器內(nèi)，攪拌或鼓入空氣，充分接觸，交換達(dá)到平衡時(shí)，過濾將液固分離。為了提高交換效果，需進(jìn)行多次靜態(tài)交換，又稱間歇式交換。費(fèi)時(shí)，效率低，實(shí)用價(jià)值小。柱式離子交換罐剖視圖第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五動(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）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、多床之分第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五料液處理液

單床式料液處理液

多床式料液處理液

復(fù)床式料液處理液

混合床式固定床設(shè)備第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期五下圖為三