水處理離子交換分離

水處理離子交換分離第1頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yīng)而實(shí)現(xiàn)分離的方法，是在固液兩相中進(jìn)行的單元操作。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)3OH+Cl-=Resin-N(CH3)3Cl+OH-

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

離子交換反應(yīng)是一可逆反應(yīng)。2023/7/142第2頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換過(guò)程的特點(diǎn)：選擇性高：主要去除離子化的物質(zhì)，并進(jìn)行等物質(zhì)的量交換；去除效率高；適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣(無(wú)機(jī)、有機(jī)及高純物的制備）；交換劑可反復(fù)使用；操作簡(jiǎn)便，分離容易2023/7/143第3頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1離子交換的基本理論第4頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換熱力學(xué)——平衡問(wèn)題，反應(yīng)的方向和限度離子交換動(dòng)力學(xué)——速率問(wèn)題，反應(yīng)的歷程和達(dá)到平衡的時(shí)間3.1離子交換機(jī)理2023/7/145第5頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾點(diǎn)假設(shè)：a.把樹(shù)脂看作是凝膠吸水溶漲；c.樹(shù)脂上的可交換離子和外部溶液中的離子，可通過(guò)半透膜相互擴(kuò)散；樹(shù)脂骨架上的固定離子不能擴(kuò)散b.樹(shù)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(shù)脂相，另一邊是溶液相；一、道南理論(DonnanTheory)——膜平衡理論

d.當(dāng)膜內(nèi)外同類型離子擴(kuò)散透過(guò)半透膜的速率相等時(shí)，離子交換過(guò)程達(dá)到平衡。2023/7/146第6頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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

也可以進(jìn)入內(nèi)部溶液。當(dāng)膜內(nèi)外H+和Cl-擴(kuò)散通過(guò)半透膜的速度相等時(shí)，交換達(dá)到了平衡。根據(jù)唐南原則，陽(yáng)離子只能交換陽(yáng)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(yáng)離子。一、道南理論(DonnanTheory)

2023/7/147第7頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換過(guò)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)2023/7/148第8頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換過(guò)程可看作是固相的交換樹(shù)脂和液相中電解質(zhì)之間的化學(xué)置換反應(yīng)。其反應(yīng)一般是可逆的。

陽(yáng)離子交換：R-A++B+=R-B++A+

陰離子交換：R+C-+D-=R+D-+C-如：樹(shù)脂上有可交換離子Na+，溶液中有Ca2+Ca2+與樹(shù)脂上的Na+交換Na+進(jìn)入溶液。當(dāng)溶液Na+

濃度很高時(shí)Na+又置換樹(shù)脂上的Ca2+

二、離子交換平衡2023/7/149第9頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、離子交換平衡

離子交換反應(yīng)的界面過(guò)程2023/7/1410第10頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于離子交換反應(yīng)是可逆的，進(jìn)行的方向主要取決于樹(shù)脂相和溶液相中各種離子的相對(duì)濃度。樹(shù)脂相和溶液相中離子濃度差作為推動(dòng)力，推動(dòng)著交換反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，就達(dá)到了離子交換平衡狀態(tài)。此時(shí)，每一種物質(zhì)在樹(shù)脂相中的化學(xué)勢(shì)與在溶液相中的化學(xué)勢(shì)相等，即：二、離子交換平衡2023/7/1411第11頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

離子交換平衡可用平衡常數(shù)來(lái)表示。例如：將樹(shù)脂R-A浸入含有B＋的溶液中，B+與A+能通過(guò)半透膜進(jìn)行交換：

RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外達(dá)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(shù)脂上；如果

KAB<1，則表示A+比較牢固的結(jié)合在樹(shù)脂上。

∴

KAB的數(shù)值說(shuō)明了離子交換樹(shù)脂對(duì)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(shù)脂對(duì)B+的選擇性越大。二、離子交換平衡2023/7/1412第12頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平衡常數(shù)

應(yīng)該用離子的活度來(lái)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(lái)代替。2023/7/1413第13頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月某些離子在陽(yáng)離子樹(shù)脂上的選擇系數(shù)：陽(yáng)離子交聯(lián)度陽(yáng)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+11.520.82023/7/1414第14頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(shù)脂上的濃度與在溶液中的濃度之比，對(duì)陽(yáng)離子Mn+，分配系數(shù)KP為：

分配系數(shù)KP反映了離子與樹(shù)脂的親和力大小。

不同離子對(duì)樹(shù)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(shí)，水合半徑越小，親和力越大；2023/7/1415第15頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

(3)

多元素陰離子親和力的順序?yàn)椋?/p>

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

(5)OH-對(duì)強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂的親和力在Ac-與F-之間，離子交換樹(shù)脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大；2023/7/1416第16頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、離子交換選擇性問(wèn)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?，F(xiàn)在從最簡(jiǎn)單的堿金屬的交換選擇性入手來(lái)進(jìn)行討論。由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)同一種Li+-型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，各種陽(yáng)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(yáng)離子交換樹(shù)脂上，上述離子交換的平衡系數(shù)的大小剛好相反。2023/7/1417第17頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一方面，由于離子半徑最小的Li+，靜電引力最強(qiáng)。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(chǎng)引力最弱。而Cs+離子裸半徑最大的，靜電場(chǎng)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(qiáng)，與樹(shù)脂的親和力最強(qiáng)。

另一方面，離子交換樹(shù)脂上的活性基團(tuán)，在電離以后也存在著靜電引力。但是不同的活性基團(tuán)靜電場(chǎng)的強(qiáng)弱不同，-COO-與SO3-

比較，前者強(qiáng)，后者弱。三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1418第18頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所以：對(duì)于具有弱靜電引力的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)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(duì)于弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，例如含有-COO-的樹(shù)脂，由于它具有較強(qiáng)的靜電引力場(chǎng)，它將和水分子競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子，結(jié)果它從水合分子中奪取出陽(yáng)離子來(lái)而與之結(jié)合。這時(shí)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(shí)親和力的順序是：

Cs+<Rb+<K+<Na+<Li+三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1419第19頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月[定義]:離子與樹(shù)脂上的活性基團(tuán)的交換能力稱離子對(duì)樹(shù)脂的親和力?？傄?guī)律：離子與樹(shù)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(shí)，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(wèn)題2023/7/1420第20頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(1)不同價(jià)態(tài)的離子，電荷越高，親和力越大；例如：Na+<Ca2+<Al3+<Th(Ⅳ)(2)價(jià)態(tài)相同時(shí)，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(jià)離子的親和力順序：UO22+＜Mg2+＜

Zn2+

＜

Co2+

＜

Cu2+

＜

Cd2+

＜

Ni2+

＜

Ca2+

＜

Sr2+

＜

Pb2+

＜

Ba2+

(4)稀土元素的親和力順序：隨原子系數(shù)增多而減少：La3+＞Ce3+

＞Pr3+

＞Nd3+

＞Sm3+

＞Eu3+

＞Gd3+

＞Tb3+

＞Dy3+

＞Y3+

＞Ho3+

＞Er3+

＞Tm3+

＞Yb3+

＞Lu3+

＞Sc3+

三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1421第21頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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，其他同強(qiáng)酸型，即：

H+<Li+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Ag+<Tl+三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1422第22頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.強(qiáng)堿型陰離子交換樹(shù)脂

常見(jiàn)的強(qiáng)堿型陰離子樹(shù)脂的親和力順序?yàn)椋?/p>

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(shù)脂的堿性越弱，OH-與其親和力越大。

三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1423第23頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.弱堿型陰離子交換樹(shù)脂常見(jiàn)的弱堿型陰離子的親和力順序?yàn)椋篎￣<Cl￣<Br￣<I￣<CH3COO￣<MoO42￣<PO43￣<AsO43￣<NO3￣<酒石酸根離子<CrO42￣<SO42￣<OH￣多元素陰離子樹(shù)脂的親和力順序?yàn)椋篠O42->C2O42->I->NO3->CrO42->Br->SCN->Cl->Ac->F-三、離子交換選擇性問(wèn)題2023/7/1424第24頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.影響親和力的因素離子價(jià)數(shù)：樹(shù)脂優(yōu)先選擇高價(jià)的反離子，價(jià)數(shù)越高，與樹(shù)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(shù)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(wèn)題2023/7/1425第25頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、離子交換動(dòng)力學(xué)1.離子交換反應(yīng)離子交換反應(yīng)——通常指離子交換樹(shù)脂與溶液中的離子發(fā)生互換的反應(yīng)。

RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外分解反應(yīng)復(fù)分解反應(yīng)中和反應(yīng)成鹽反應(yīng)2023/7/1426第26頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.離子交換速率

RA+內(nèi)+B+外=RB+內(nèi)+A+外離子交換的五個(gè)步驟：①溶液中的離子B+擴(kuò)散通過(guò)樹(shù)脂外表面的液膜到達(dá)樹(shù)脂表面；（膜擴(kuò)散or外擴(kuò)散）②離子B+擴(kuò)散透過(guò)樹(shù)脂表面的半透膜到達(dá)交換位置；（顆粒擴(kuò)散or內(nèi)擴(kuò)散）③離子B+和樹(shù)脂上的可交換離子A+發(fā)生交換反應(yīng)；（化學(xué)反應(yīng)）④反應(yīng)后釋放出的A+離子從交換位置擴(kuò)散到樹(shù)脂的表面；（顆粒擴(kuò)散or內(nèi)擴(kuò)散）⑤離子A+從樹(shù)脂表面擴(kuò)散通過(guò)液膜到達(dá)溶液中。（膜擴(kuò)散or外擴(kuò)散）四、離子交換動(dòng)力學(xué)2023/7/1427第27頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濃度稀時(shí)（小于0.01mol/l），為膜擴(kuò)散控制{慢}；濃度濃時(shí)（大于0.1mol/l），為顆粒擴(kuò)散控制；當(dāng)在0.01—0.1mol/l之間時(shí)，兩種擴(kuò)散速度相差不大，離子交換速度由兩種擴(kuò)散速度共同控制。

2023/7/1428第28頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響交換速率的因素樹(shù)脂的粒度：粒度小且均勻的樹(shù)脂交換速率高；樹(shù)脂的交聯(lián)度：交聯(lián)度越大，樹(shù)脂的溶脹性越差，影響了離子在樹(shù)脂內(nèi)部的擴(kuò)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(kuò)散速率；攪拌強(qiáng)度：適當(dāng)提高攪拌速度可提高擴(kuò)散速率；待交換離子的性質(zhì)：價(jià)態(tài)和半徑的大小四、離子交換動(dòng)力學(xué)＋2023/7/1429第29頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2離子交換劑第30頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換劑——是指帶有可交換離子（陰離子或陽(yáng)離子）的不溶性固體，它能與溶液中帶有同種電荷離子進(jìn)行置換。如：Resin-SO3H、Resin-N(CH3)3OH等3.2離子交換劑2023/7/1431第31頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、離子交換劑的分類

——分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類：

天然：海綠石、粘土、天然沸石等，性能不夠無(wú)機(jī)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(jìn);

天然：磺化煤有機(jī)類人造：離子交換樹(shù)脂——是以高分子聚合物為骨架，反應(yīng)引入活性基團(tuán)構(gòu)成的。3.2離子交換劑2023/7/1432第32頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(wú)機(jī)離子交換劑的缺點(diǎn)：

1、交換能力低

2、化學(xué)穩(wěn)定性差

3、機(jī)械穩(wěn)定性差有機(jī)離子交換劑的特點(diǎn)：具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；難溶于水、酸、堿和有機(jī)溶劑；較穩(wěn)定（熱、機(jī)械、化學(xué)）；含活性基團(tuán)（-SO3H、-COOH、≡NOH等）3.2

離子交換劑2023/7/1433第33頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換樹(shù)脂——是一類具有特殊交換性能的有機(jī)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(shù)脂2023/7/1434第34頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)：由樹(shù)脂骨架+活性基團(tuán)組成樹(shù)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(guò)程中不發(fā)生反應(yīng)；高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球最為常見(jiàn)。骨架中含有一定量的交聯(lián)劑，作用是使樹(shù)脂骨架形成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?；钚曰鶊F(tuán)——以化學(xué)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(guò)離子鍵結(jié)合，在離子交換過(guò)程中反離子被溶液中的離子置換?；钚曰鶊F(tuán)是樹(shù)脂具有交換選擇性的原因。二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1435第35頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3H-SO3H：活性基團(tuán)（-SO3—固定離子，H+—交換離子）：樹(shù)脂基體（骨架）樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1436第36頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：制備聚苯乙烯磺酸基陽(yáng)離子交換樹(shù)脂nnnn聚合反應(yīng)式中有二乙烯苯2023/7/1437第37頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濃H2SO4Ag2SO4SO3HSO3HSO3HSO3Hnnnn二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1438第38頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、離子交換樹(shù)脂的分類

（1）陽(yáng)離子交換樹(shù)脂（2）陰離子交換樹(shù)脂（3）特種離子交換樹(shù)脂

凝膠樹(shù)脂大孔樹(shù)脂螯合樹(shù)脂氧化還原樹(shù)脂萃淋樹(shù)脂二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1439第39頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a.陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)是酸性的，能與溶液中的陽(yáng)離子交換，如R—SO3H，H+可電離，與其他陽(yáng)離子交換；

R-SO3H+Na+=R-SO3Na+H+強(qiáng)酸性：活性基團(tuán)為強(qiáng)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(duì)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(shù)脂的酸性最強(qiáng)，其鈉型比氫型穩(wěn)定，故商品樹(shù)脂常為鈉型，使用前用酸淋洗轉(zhuǎn)型（再生）。二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1440第40頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b.

陰離子交換樹(shù)脂：活性基團(tuán)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(qiáng)堿性：N（季胺基，如-NR3OH）離解性很強(qiáng)，使用的pH沒(méi)有限制，一般用強(qiáng)堿進(jìn)行再生；R-NR3OH=R-NR3++OH-弱堿性：伯胺基（-NH2），仲胺基(-NHR)，叔胺基(-NR2),對(duì)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(shù)脂較穩(wěn)定。二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1441第41頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月c.

螯合樹(shù)脂：螯合樹(shù)脂是一種對(duì)金屬離子具有高選擇性的離子交換樹(shù)脂。在樹(shù)脂中引入能與金屬離子螯合的活潑基團(tuán)——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(luò)合物。

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

二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1442第42頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螯合樹(shù)脂的特點(diǎn)①高選擇性：這主要是由于樹(shù)脂中引入具有一定選擇性的活性能團(tuán)。②穩(wěn)定性：正如普通的離子交換樹(shù)脂一樣，螯合樹(shù)脂具有較高的穩(wěn)定性。③交換速度：螯合樹(shù)脂與金屬離子的交換過(guò)程較為緩慢，這不僅與樹(shù)脂交聯(lián)度/孔徑有關(guān)，而且與樹(shù)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。2023/7/1443第43頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從分離的角度看，高選擇性的螯合樹(shù)脂是離子交換樹(shù)脂的發(fā)展方向。例如：新合成的氨羧型LZ-85樹(shù)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(shù)脂，對(duì)Cu2＋、Co2＋、Ni2＋具有高選擇性。2023/7/1444第44頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月d.凝膠型樹(shù)脂

吸水后溶脹，水分子進(jìn)入樹(shù)脂內(nèi)部，形成細(xì)微孔隙，平均孔徑為20A－40A，適于分離半徑＜10A的無(wú)機(jī)離子。特點(diǎn)：樹(shù)脂干燥后失去交換能力（無(wú)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(shù)脂2023/7/1445第45頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月e.大孔樹(shù)脂

樹(shù)脂內(nèi)部有永久微孔，比凝膠樹(shù)脂具有更多、更大的孔道和比表面積，離子容易遷移擴(kuò)散，交換速度快——適于大分子物質(zhì)的分離。特點(diǎn)：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(guó)產(chǎn)D202#鈉型大孔陽(yáng)離子交換樹(shù)脂二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1446第46頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大孔性吸附樹(shù)脂大孔性樹(shù)脂的特性

大孔吸附樹(shù)脂是一種不含交換基團(tuán)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(shù)脂和活性炭之間的優(yōu)良吸附劑。通常大孔性樹(shù)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)。2023/7/1447第47頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月f.

氧化還原樹(shù)脂（電子交換樹(shù)脂）

——含有可逆的氧化還原基團(tuán)，可與溶液中離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而不引入雜質(zhì)。例：如聚乙烯氫醌樹(shù)脂，E0=+0.23v，離子通過(guò)樹(shù)脂時(shí)按E的大小發(fā)生氧化或還原，可用此樹(shù)脂除水中DO。

二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1448第48頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

g.萃淋樹(shù)脂

——一含有液態(tài)萃取劑的樹(shù)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(diǎn)，用于貴金屬制備分離。例：TBP萃淋樹(shù)脂可用于分離工業(yè)廢水中的Cr(Ⅵ)；P507萃淋樹(shù)脂可用于分離稀土元素。二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1449第49頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(tuán)，對(duì)其上的羥基進(jìn)行脂化、磷酸化、羧基化后，即可得離子交換纖維。

特點(diǎn)：顆粒較小，親水性強(qiáng)，表面積大(均是開(kāi)放性長(zhǎng)鏈)，大分子能自由地進(jìn)入和迅速地?cái)U(kuò)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(shù)脂2023/7/1450第50頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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2023/7/1451第51頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)（1）交換容量——即樹(shù)脂交換能力的大小。重量法表示：?jiǎn)挝恢亓扛蓸?shù)脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmol/g或mol/kg表示。容積法表示：?jiǎn)挝惑w積濕樹(shù)脂中離子交換基團(tuán)的數(shù)量，用mmol/L或mmol/m3表示。（常用）它取決于樹(shù)脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所含的活性基團(tuán)的數(shù)目，交換容量可用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。弱酸性或弱堿性樹(shù)脂的交換容量與pH值有關(guān)。二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1452第52頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）交換容量全交換容量：指樹(shù)脂中能夠起交換作用的活性基團(tuán)的總數(shù)。一般樹(shù)脂的交換容量為3－6mmol/g。工作交換容量：指在動(dòng)態(tài)工作條件下，所測(cè)得的能發(fā)揮交換作用的活性基團(tuán)的數(shù)量。由于運(yùn)行條件的限制，不同條件下測(cè)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(shù)脂3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1453第53頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

交換容量的測(cè)定方法——可參看國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB5760-86陰離子交換樹(shù)脂交換容量測(cè)定方法、GB8144-87陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換容量測(cè)定方法、GB11992-89氯型強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂交換容量測(cè)定方法。三、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1454第54頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換容量測(cè)定方法

稱1g干樹(shù)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(wú)色為終點(diǎn)。3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)[交換容量的測(cè)定]2023/7/1455第55頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

將強(qiáng)酸型離子交換樹(shù)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(shù)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(shù)脂上的交換率為

。［交換率的測(cè)定］3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1456第56頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）交聯(lián)度

——樹(shù)脂中所含交聯(lián)劑的質(zhì)量百分率。它反映了樹(shù)脂骨架中網(wǎng)孔的大小，是離子交換樹(shù)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(shù)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(jī)械強(qiáng)度也差。通常，樹(shù)脂的交聯(lián)度以4-14%為宜。3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1457第57頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（3）溶脹性樹(shù)脂的溶脹——用水浸泡樹(shù)脂，由于水的滲入，活性基團(tuán)發(fā)生離解、水合作用，使樹(shù)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??；溶脹率大，交換容量就大。3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1458第58頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）含水率充分溶脹的濕樹(shù)脂所含的溶脹水的重量占濕樹(shù)脂總重的百分比。一般在5%左右。樹(shù)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(shù)脂的性質(zhì)無(wú)關(guān)。3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1459第59頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(shù)脂在干燥時(shí)的真實(shí)密度，一般用g/mL表示干真密度=干樹(shù)脂質(zhì)量/樹(shù)脂顆粒的真體積濕真密度——樹(shù)脂充分溶脹后，樹(shù)脂顆粒的密度，單位同上。濕真密度=濕樹(shù)脂質(zhì)量/濕樹(shù)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(shù)脂充分溶脹后的堆積密度。濕視密度＝濕樹(shù)脂質(zhì)量／濕樹(shù)脂堆積體積該密度用于計(jì)算離子交換柱中濕樹(shù)脂的裝載重量，一般為0.60-0.85g/mL.3、離子交換樹(shù)脂的性能指標(biāo)2023/7/1460第60頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、使用離子交換樹(shù)脂的pH范圍強(qiáng)酸型：R-SO3HpH>2弱酸型：R-COOHpH>6R-OHpH>10強(qiáng)堿型：R=NOHpH＜12弱堿型：RNH3OHpH<4二、離子交換樹(shù)脂2023/7/1461第61頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3離子交換分離過(guò)程第62頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、操作方式1、靜態(tài)交換：間歇操作，實(shí)驗(yàn)室中常用；效率較低，操作繁瑣，時(shí)間消耗多2、動(dòng)態(tài)交換：連續(xù)操作，固定床、活動(dòng)床溶液與樹(shù)脂層發(fā)生相對(duì)移動(dòng)；交換、再生、清洗等操作在交換裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行；效率高、連續(xù)化，但操作較復(fù)雜，樹(shù)脂磨損大3.3離子交換分離操作2023/7/1463第63頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、樹(shù)脂的選擇樹(shù)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(qiáng)弱、分子大?。?shù)量等因素。比如：強(qiáng)堿性離子宜用→弱酸性樹(shù)脂強(qiáng)酸性樹(shù)脂能吸附但解離難，洗脫再生困難；弱堿性離子宜用→強(qiáng)酸性樹(shù)脂弱酸性樹(shù)脂吸附性弱強(qiáng)酸性離子宜用→弱堿性樹(shù)脂弱酸性離子宜用→強(qiáng)堿性樹(shù)脂大分子離子選擇交聯(lián)度較低的樹(shù)脂或大孔樹(shù)脂3.3離子交換分離操作2023/7/1464第64頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、樹(shù)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(shù)脂的型式

酸性樹(shù)脂可用氫型或鈉型

堿性樹(shù)脂可用羥型或氯型2023/7/1465第65頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3離子交換分離操作

三、樹(shù)脂的預(yù)處理

[過(guò)篩]：市售的樹(shù)脂顆粒大小不一，應(yīng)除去過(guò)大或過(guò)小的樹(shù)脂顆粒。

[除雜]:樹(shù)脂含有雜質(zhì)，應(yīng)先除去樹(shù)脂中的雜質(zhì)。

[浸泡]：凝膠樹(shù)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(yáng)離子交換樹(shù)脂或Cl－陰離子交換樹(shù)脂。2023/7/1466第66頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月除雜方法:三、樹(shù)脂的預(yù)處理2023/7/1467第67頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

若需要特殊形式,可以用不同溶液處理。

NaCl溶液處理→陽(yáng)離子樹(shù)脂成了Na+型，陰離子樹(shù)脂成了Cl-型；

NaOH溶液處理→陽(yáng)離子樹(shù)脂成了Na+型，陰離子樹(shù)脂成了OH-型；

Na2SO4溶液處理→陽(yáng)離子樹(shù)脂成了Na+型，陰離子樹(shù)脂成了SO42-型；

樹(shù)脂處理成需要的形式后,浸泡在蒸餾水中備用。樹(shù)脂的轉(zhuǎn)型：三、樹(shù)脂的預(yù)處理2023/7/1468第68頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、裝柱示意圖見(jiàn)下，可用滴定管代替。a.潤(rùn)濕的玻璃絲塞在下端（防止樹(shù)脂流出）；b.柱子充滿水；c.倒入樹(shù)脂（不可有氣泡)d.蓋一層玻璃絲（防止加入溶液時(shí)把樹(shù)脂層沖動(dòng)）2023/7/1469第69頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月離子交換柱2023/7/1470第70頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單床：只裝一種樹(shù)脂復(fù)床：兩種以上樹(shù)脂分層裝在同一柱內(nèi)移動(dòng)床：樹(shù)脂使用、再生和清洗在不同的柱中樹(shù)脂層的高度：一般為1~1.5m柱體高度約為樹(shù)脂層高度的2倍柱有效高度與直徑之比（4:1）~（5:1）樹(shù)脂層高度為柱有效高度的1/2~1/3離子交換柱2023/7/1471第71頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、離子交換過(guò)程

——將試液按規(guī)定的流速，流經(jīng)交換柱進(jìn)行交換。達(dá)到始漏點(diǎn)時(shí)，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)2023/7/1472第72頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月交換過(guò)程中，溶液流經(jīng)交換柱的速度控制是很重要的：流速過(guò)快，溶液中的離子來(lái)不及交換，處理效果不好；流速過(guò)慢：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)處理量小，影響效率流速的選擇應(yīng)在質(zhì)量保證下尋求最大流速，一般需要經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。分離過(guò)程中，需要分步收集流出液以獲得純物質(zhì)。樹(shù)脂中毒現(xiàn)象——樹(shù)脂被某些物質(zhì)污染，交換容量下降；復(fù)活——使中毒的樹(shù)脂再生的處理。五、離子交換過(guò)程2023/7/1473第73頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用適當(dāng)?shù)南疵撘?，按?guī)定的流速，將交換上去的離子洗脫下來(lái)?！粨Q的逆過(guò)程。洗脫原理：用親和性更強(qiáng)的同性離子取代樹(shù)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(shù)脂上，用Na+或NH4+溶液洗脫。六、洗脫（淋洗）2023/7/1474第74頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、洗脫——交換的逆過(guò)程。［洗滌］：把樹(shù)脂上的殘留液用純水洗干凈。［洗脫］：用適當(dāng)?shù)南疵撘?，按?guī)定的流速，將交換上去的離子洗脫下來(lái)。2023/7/1475第75頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月洗脫（淋洗）的方式：分步淋洗——準(zhǔn)備兩種或以上的洗脫液，先用洗脫力弱的后用洗脫力強(qiáng)的溶液，把樹(shù)脂上的離子先后洗脫下來(lái)。梯度淋洗——把不同的洗脫液先混合，再流經(jīng)樹(shù)脂柱，把離子洗脫下來(lái)。濃度不同、pH不同、極性不同、離子強(qiáng)度不同2023/7/1476第76頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

七、樹(shù)脂再生交換一定時(shí)間后，樹(shù)脂飽和，失去交換能力。將樹(shù)脂恢復(fù)到交換前的形式，這個(gè)過(guò)程稱為樹(shù)脂再生。有時(shí)洗脫的過(guò)程就是再生的過(guò)程。3.3離子交換分離操作2023/7/1477第77頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4離子交換法的應(yīng)用第78頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.去離子水的制備

實(shí)驗(yàn)室用去離子水及鍋爐用水的軟化。采用串聯(lián)的陽(yáng)離子交換柱和陰離子交換柱。先用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂除去各種陽(yáng)離子：

Mn++nR-SO3H→(R-SO3)nM+nH+

再用陰離子交換樹(shù)脂除去各種陰離子：m(RN(CH3)3OH)+Xm-→(RN(CH3)3)mX+mOH-

H++OH-=H2O

最后用酸堿分別處理樹(shù)脂再生。7.4

離子交換的應(yīng)用2023/7/1479第79頁(yè)，課件共90頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月