放射化學(xué)分離方法

關(guān)于放射化學(xué)分離方法已發(fā)現(xiàn)了112種元素，2800余種核素，271種是穩(wěn)定的，其余的都是放射性的。放射性核素通常與其母體、其它子體以及其它放射性核素共存，要得到某種放射性核素就必須進(jìn)行一些分離。常用的分離方法有：沉淀法、溶劑萃取法、色譜法等。第2頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1放射化學(xué)分離中涉及的若干概念1.1放射性

某些核素自發(fā)放出粒子或射線，或在軌道電子俘獲后放出射線，或發(fā)生自發(fā)裂變的性質(zhì)。1.2放射性元素

具有放射性的化學(xué)元素。第3頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.3放射性核素某種元素中發(fā)生放射性衰變的核素。放射性核素按其來源有天然放射性核素和人工核素之分。1.4載體載體是以適當(dāng)?shù)臄?shù)量載帶某種微量物質(zhì)共同參與某化學(xué)或物理過程的另一種物質(zhì)。載體與被載帶物具有相同的化學(xué)行為，最終能與放射性物質(zhì)一起被分離出來。第4頁,共98頁，2024年2月25日，星期天載體有兩類：同位素載體、非同位素載體。分離226Ra加入Ba，127I對(duì)131I，1H對(duì)3H等。穩(wěn)定同位素的可溶性鹽類作載體

89Sr、90Sr用SrCl2；137Cs用CsCl沒有穩(wěn)定同位素的放射性核素，應(yīng)用化學(xué)性質(zhì)相似的穩(wěn)定元素的鹽類作載體。

147Pm—Nd(NO3)3；99Tc—NH4ReO4載體溶液的濃度一般10mg元素/ml，加入10~20mg。第5頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.5反載體為了減少分離過程對(duì)雜質(zhì)核素的載帶，在加入被分離核素和載體之外，還必須加入這些雜質(zhì)核素的穩(wěn)定同位素或化學(xué)類似物，以減少它們對(duì)被分離核素和器皿的污染，即起反載帶作用，這類穩(wěn)定同們素或化學(xué)類似物就稱為反載體或抑制體。用MnO2從95Zr-95Nb體系中吸附95Nb時(shí)，加入穩(wěn)定的Zr。第6頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.6放射性核素純度

放射性核素純度也稱放射性純度，指在含有某種特定放射性核素的物質(zhì)中，該核素的放射性活度對(duì)物質(zhì)中總放射性活度的比值。（該物質(zhì)中可能有多種放射性核素，放射性核素純度只與其中放射性雜質(zhì)的量有關(guān)，而與非放射性雜質(zhì)的量無關(guān)）。第7頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.7放射化學(xué)純度

簡稱放化純度，指在一種放射性樣品中，以某種特定的化學(xué)形態(tài)存在的放射性核素占總的該放射性核素的百分?jǐn)?shù)（該物質(zhì)中可能有多種放射性核素，只針對(duì)某一種放射性核素而言）。第8頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.8比活度

單位質(zhì)量的某種放射性物質(zhì)的放射性活度。

S=A/(mA+m)對(duì)于無載體的純放射性核素，

S0=K/MTS0該放射性核素的一個(gè)特征常數(shù)，比活度的單位為Bq/g。

k值：S/60→min/60→h/24→d/365→a第9頁,共98頁，2024年2月25日，星期天例：某單位有一個(gè)226Ra放射源，該源的放射性物質(zhì)為Ba(226Ra)CO3，其活度為3700Bq，質(zhì)量為1.0g。問該源的放射性核素質(zhì)量為多少？穩(wěn)定物質(zhì)的質(zhì)量為多少？226Ra的質(zhì)量為：1.0×10-7g，穩(wěn)定物質(zhì)質(zhì)量為：1.0-1.0×10-7=1.0g。第10頁,共98頁，2024年2月25日，星期天例：計(jì)算1g下列放射性核素的：226Ra、210Po、238U、222Rn、220Rn、219Rn。單位（Bq/g）238U：T1/2=4.468×109a226Ra：T1/2=1602a220Rn：T1/2=55.6s222Rn：T1/2=3.82d第11頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.9放射性濃度

放射性濃度C是指單位體積某放射性活度。

C=A/V單位為Bq/ml或Bq/L。

例題：配1000ml濃度為10Bq/ml標(biāo)準(zhǔn)鈾溶液，需分析純U3O8多少克?(已知：238U、235U、234U的豐度分別為：99.275%，0.720%，0.0054%；比活度S0分別為：12.4Bq/mg，79.4Bq/mg，2.3×105Bq/mg；U的平均勻原子量為237.98，O的平均勻原子量為16)第14頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1、根據(jù)平均原子量及豐度計(jì)算U的量；2、如以g為單位，則要注意與Bq/mg對(duì)應(yīng)。解：設(shè)需要mgU3O8第15頁,共98頁，2024年2月25日，星期天氚單位TU：表示每1018個(gè)氫原子中有一個(gè)氚原子。某環(huán)境水樣，經(jīng)分析其濃度為5TU/L，用Bq/L表示為多少？第16頁,共98頁，2024年2月25日，星期天解：1L水樣重為1000g，水樣中的3H活度為：第17頁,共98頁，2024年2月25日，星期天其它常用的濃度單位一般溶液的濃度重量百分比濃度：100克溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)（W/W）。重量體積百分比：100ml溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)（W/V）。體積百分濃度：100ml溶液中所含原裝液體試劑的毫升數(shù)。第18頁,共98頁，2024年2月25日，星期天標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度當(dāng)量濃度（N）：表示1升溶液中所含溶質(zhì)的克當(dāng)量數(shù)。摩爾濃度（M）：表示1升溶液中所含溶質(zhì)的摩爾數(shù)。第19頁,共98頁，2024年2月25日，星期天滴定度（T）：表示1ml標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)于待測物質(zhì)的毫克數(shù)。

鈾的容量法分析中，

—標(biāo)準(zhǔn)釩酸銨溶液對(duì)鈾的滴定度(mg·ml-1)。第20頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.10分配系數(shù)D

某一物質(zhì)M在不相溶的兩相中達(dá)到分配平衡即在兩相中的濃度不再變化時(shí)，它分別在兩相中的表觀濃度之比。如131I在水和CCl4中的分配。第21頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.11分離系數(shù)α

是指物料中兩種物質(zhì)經(jīng)過某一分離過程后分別在不相溶的兩相中相對(duì)含量之比,它表示兩物質(zhì)經(jīng)過分離操作之后所達(dá)到的相互分離的程度。

第22頁,共98頁，2024年2月25日，星期天α與D之間的關(guān)系可表示為：

α越大于1或越少于1，兩種物質(zhì)越容易分離，若等于1，則兩種物質(zhì)無法分離。第23頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

如：在Purex流程中，加入TBP-煤油，將、萃取放有機(jī)相中，使U、Pu與其它雜質(zhì)分離；加入U(xiǎn)(Ⅳ)將Pu(Ⅳ)還原成Pu(Ⅲ)，钚反萃入水中，使鈾、钚分離。第24頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.12化學(xué)回收率Y

放射性核素的化學(xué)回收率可通過測量其活度來計(jì)算：第25頁,共98頁，2024年2月25日，星期天分離效率可以通過加入載體或者加入放射性示蹤劑的方法來測定。當(dāng)載體的化學(xué)狀態(tài)與被分離的放射性核素的化學(xué)狀態(tài)完全相同時(shí)，化學(xué)收率可用載體的化學(xué)收率來表示。第26頁,共98頁，2024年2月25日，星期天例：

1、從鈾礦石中分離提取227Ac，235U活度為1000Bq，分離得到的227Ac經(jīng)測定，其活度為754Bq，求其化學(xué)收率？

2、從鈾礦石中分離提取227Ac，已知礦石重為100g，礦石鈾品位為1.5%，235U的豐度為7.2‰、T1/2為7.038×108a，如果化學(xué)收率為55.5%，求能得到多少Bq227Ac？阿佛加德羅常數(shù)為6.02×1023。第27頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1.13凈化系數(shù)DF

凈化系數(shù)又稱去污系數(shù)或去污因子，它是衡量分離過程對(duì)某種放射性雜質(zhì)去除程度的一種指標(biāo)。當(dāng)欲分離核素在分離過程中的化學(xué)回收率接100%，第28頁,共98頁，2024年2月25日，星期天凈化系數(shù)用放射性活度來計(jì)算可表示為：對(duì)各種干擾測定的入放射性雜質(zhì)的去污系數(shù)愈高，則測定的欲分離核素放射性活度愈可靠。一般要求DF高于103以上。第29頁,共98頁，2024年2月25日，星期天例在Purex流程中，已知初始鈾活度為5.5Ci，钚的活度為4.2×106Bq，鈾中去钚后，鈾活度為5.487Ci，钚的活度為1.2×103Bq，求去污系數(shù)？第30頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2分離方法2.1共沉淀法此法是放射化學(xué)分離中應(yīng)用最早的一種分離方法，它有一定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有一定的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在此法還經(jīng)常使用。（1）基本原理共沉淀法是利用微量物質(zhì)隨常量物質(zhì)一起生成沉淀現(xiàn)象來進(jìn)行分離、濃集和純化微量物質(zhì)的一種方法。早期研究共沉淀規(guī)律的有哈恩、赫洛賓等，其中亨德森和克雷克西提出了一個(gè)公式。第31頁,共98頁，2024年2月25日，星期天式中：x0、x—微量組分在體系和晶體中的量；

y0、y—常量組分在體系和晶體中的量；

D—結(jié)晶系數(shù)。影響共沉淀的因素有：溫度、液相組成、固相組成及溶劑等。第32頁,共98頁，2024年2月25日，星期天共沉淀有以下兩種：1）無機(jī)共沉淀法：共結(jié)晶共沉淀法和吸附共沉淀法。2）有機(jī)共沉淀法：難溶的離子締合物、難溶的金屬螯合物、有機(jī)膠體的吸附作用而生成的共沉淀。第33頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（2）共沉淀法的分離技術(shù)與條件選擇1）載體的選擇和沉淀劑的選擇載體選擇：盡量選用同位素載體，也可選用非同位素載體。為了減少分離過程中放射性雜質(zhì)對(duì)欲分離核素的污染，必須加入反載體。一般情況下，載體量在5~20mg，反載體量10mg為宜。第34頁,共98頁，2024年2月25日，星期天沉淀劑的選擇：沉淀劑與載體生成的共沉淀化合物溶解度要??；對(duì)雜質(zhì)的載帶少，去污系數(shù)高；沉淀性能好，易于固液分離；有利于分離操作和制源測量。第35頁,共98頁，2024年2月25日，星期天溶度積常數(shù)KSP：第36頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第37頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2）載體和被載帶核素化學(xué)狀態(tài)的調(diào)節(jié)在共沉淀法中為了充分載帶欲分離核素，必須使溶液中的載體與欲分離核處于相同的化學(xué)狀態(tài)。為了消除載體和欲分離核素之間因同位素交換的不完全而導(dǎo)致共沉淀的不完全，可采用以下兩種方法：一是向溶液中加入欲分離核素可能存在的所有價(jià)態(tài)的同位素載體，然后通過氧化還原反應(yīng)，使載體與欲分離核素的價(jià)態(tài)趨于一致；二是只加入一種價(jià)態(tài)的同位素載體，然后通過氧化還原反應(yīng)，使載體與欲分離核素的價(jià)態(tài)趨于一致。第38頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3）共沉淀產(chǎn)物純度的提高提高方法有：加反載體或絡(luò)合劑；控制溶液的酸度；采用均相沉淀法；改變氧化價(jià)態(tài)；選擇適當(dāng)?shù)某恋項(xiàng)l件；進(jìn)行多次沉淀；洗滌沉淀。第39頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（3）共沉淀法的應(yīng)用主要用于環(huán)境和生物樣品的放射化學(xué)分析中；凈化放射性廢水和沾污的飲水中的應(yīng)用。第40頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.2溶劑萃取法（1）概述溶劑萃取法又叫液-液萃取法，有其優(yōu)缺點(diǎn)，是放射性核素分離的常用的方法之一。優(yōu)點(diǎn)：方法簡便，分離速度快，適用于短壽命放射性核素的分離；選擇性好，回收率高，可用于制備無載體的源；

設(shè)備簡單，操作方便，易于自動(dòng)化；可供選擇的萃取劑多等。缺點(diǎn)：有機(jī)物的毒性、易揮發(fā)性及易燃性等。第42頁,共98頁，2024年2月25日，星期天萃取法涉及到的一些概念：1）萃取劑和稀釋劑通常把有機(jī)相中能將處于水相中的欲萃取物質(zhì)轉(zhuǎn)移到有機(jī)相的有機(jī)試劑叫做萃取劑。這了改善萃取劑的某些物理性能而加入的有機(jī)溶劑叫稀釋劑。第43頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2)反萃取劑能使被萃取物質(zhì)從有機(jī)相返回到水相溶液的試劑。如在鈾浸出液-30%TBP(TBP+煤油)萃取鈾，有機(jī)相用水清洗，洗出鈾。TBP為萃取劑、煤油為稀釋劑、水為反萃取劑第44頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3）萃取率E

經(jīng)萃取而進(jìn)入有機(jī)相的欲萃取物的量占其在兩相中總量的百分?jǐn)?shù)。萃取率E與分配系數(shù)D萃的關(guān)系：

R為相比，其值為有機(jī)相與水相的體積之比，即V有/V水。第45頁,共98頁，2024年2月25日，星期天E與D的關(guān)系：當(dāng)R=1時(shí)，第46頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（2）萃取機(jī)理和萃取劑的種類1）萃取機(jī)理是指萃取過程中萃取劑與欲萃取物間相互作用的機(jī)制以及萃取過程的規(guī)律。萃取過程的本質(zhì)有的是根據(jù)物質(zhì)在兩相中溶解度的不同進(jìn)行分離的物理分配過程，但大多數(shù)則是將萃取物由親水性轉(zhuǎn)為疏水性可萃取物的化學(xué)分配過程。如用TBP萃取U(Ⅵ)，親水的→疏水的

第47頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2）萃取劑的種類第48頁,共98頁，2024年2月25日，星期天a惰性萃取劑（CCl4

、CHCl3、

C6H14等），萃取劑與萃取物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，欲萃取物在兩相之間按溶解度大小進(jìn)行分配；

b中性含氧萃取劑（酮類、醚類、醇類等）具有一定極性的含氧有機(jī)化合物，在酸的作用下萃取劑先與水生成烊離子，再與欲萃取物發(fā)生離子締合反應(yīng)，也稱鹽萃??；第49頁,共98頁，2024年2月25日，星期天中性含氧萃取劑形成烊鹽的能力與其所含氧原子的配位能力有關(guān)，大致有如下的關(guān)系：醚＜醇＜酸＜酯＜酮＜醛。第50頁,共98頁，2024年2月25日，星期天c中性磷類萃取劑，這類萃取劑是指磷酸分子[(HO)3PO]中的三個(gè)羥基全被烷基酯化或取代所生成的化合物。這類萃取劑的萃取能力取決于P=O鍵的極性；第51頁,共98頁，2024年2月25日，星期天反應(yīng)式：這類萃取劑的萃取能力取決于P=O鍵的極性，其大小順序：＞＞＞第52頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

d酸性磷類萃取劑，這類萃取劑是指磷酸分子（HO)3PO中的一個(gè)或二個(gè)羥基被烷基酯化或取代所生成的化合物；第53頁,共98頁，2024年2月25日，星期天e胺類萃取劑，指氨分子NH3中三氫原子部分或全部為烷基取代后生成的伯、仲、叔胺以及季銨鹽。

第54頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

f能與水相中的金屬陽離子結(jié)合成疏水的電中性環(huán)狀螯合物而被萃??；這類萃取劑在萃取過程中生成具有螯合環(huán)的萃合物，即：螯合物。在螯合萃取劑中至少要有兩個(gè)參加反應(yīng)的官能團(tuán)，其中一個(gè)為-OH或-SH基團(tuán)，另一個(gè)為具有給電子性質(zhì)的堿性官能團(tuán)。金屬置換-OH或-SH基團(tuán)上的氫，并與堿性官能團(tuán)配位，形成穩(wěn)定的五元或六元環(huán)（從鍵角考慮，五元或六元環(huán)最穩(wěn)定）。

第55頁,共98頁，2024年2月25日，星期天為了滿足萃取劑親有機(jī)相的基本要求，還必須在萃取劑分子中引入適當(dāng)?shù)娜〈?，并且在萃取劑分子中不?yīng)有親水性基團(tuán)。第56頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

g協(xié)同萃取劑，當(dāng)萃取劑中含有兩種或兩種以上的萃取劑，使被萃取物的分配系數(shù)顯著大于每一種萃取劑在相同條件下單獨(dú)使用時(shí)的分配系數(shù)之和；TTA-TBP協(xié)同萃取水中的U(Ⅵ)→h冠狀化合物類萃取劑，主要包括冠醚和穴醚。冠醚是由三個(gè)以上[-CH2-O-CH2-]單元組成的單環(huán)聚醚；穴醚是在醚環(huán)上有兩個(gè)氧原子被氮原子取代并聯(lián)結(jié)起來的二環(huán)聚醚。第57頁,共98頁，2024年2月25日，星期天1）萃取劑和稀釋劑的選擇根據(jù)被萃取的對(duì)象選擇萃取劑。稀釋劑的作用主要是改善萃取劑的物理化學(xué)性能，以利于萃取。對(duì)萃取劑的要求：對(duì)欲萃取物的分配系數(shù)大，萃取容量大，選擇性好，易于反萃??；萃取反應(yīng)速度快；粘度小，與水的比重差別大，相分離和流動(dòng)性能好，不易形成第三相或發(fā)生乳化；第58頁,共98頁，2024年2月25日，星期天具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性；與水溶液的互溶性小；毒性低，沸點(diǎn)高，揮發(fā)性??；價(jià)格低廉，易于回收。第59頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2）水相的選擇水相組成的選擇主要有以下方面：

酸度和酸類，在保證萃取率足夠高和不發(fā)生水解反應(yīng)的前提下，應(yīng)盡可能在較低酸度下進(jìn)行萃取，水相中的酸類也會(huì)影響萃取劑的能力，在放射化學(xué)分離中，常用的是硝酸和鹽酸體系；pH＜2，U。

掩蔽劑，對(duì)干擾物質(zhì)進(jìn)行掩蔽，使之不進(jìn)入有機(jī)相中，從而提高萃取物的純度；EDTA等。第60頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

鹽析劑，在萃取體中，如果加入一種易溶于水相的鹽類，它既不被萃取，又不與欲萃取物發(fā)生反應(yīng)，但可提高欲萃取物的萃取率，這種鹽稱為鹽析劑。它能提高被萃取物的萃取率，是由于它具有水合作用和同離子效應(yīng)；如萃取，用。

欲萃取物的價(jià)態(tài)，欲萃取物的價(jià)態(tài)不同，其分配系數(shù)也就不同，因此，可借助于控制水相中各種物質(zhì)的不同價(jià)態(tài)來實(shí)現(xiàn)分離。U(Ⅵ)，U(Ⅳ)。第61頁,共98頁，2024年2月25日，星期天3）萃取次數(shù)與相比的選擇進(jìn)行一次萃取萃取率E1為：

E1=[1-1/(D萃R+1)]×100%殘留欲萃取物的百分?jǐn)?shù)r1為：

r1=1-E1=[1/(D萃R＋1)]×100%進(jìn)行x次萃取萃取率Ex,總為：

Ex,總=｛1-[1/(D萃R+1)]x｝×100%殘留欲萃取物的百分?jǐn)?shù)rx為：

rx=[1/(D萃R＋1)]x×100%第62頁,共98頁，2024年2月25日，星期天例題：用10mlCCl4萃取天然水中的微量131I，天然水的體積為10ml，已知131I的D值為85，通過計(jì)算比較一次用10mlCCl4進(jìn)行萃取與10mlCCl4分成兩次，每一次5ml進(jìn)行萃取，其萃取率是否一樣?第63頁,共98頁，2024年2月25日，星期天解：E1=(1-1/(85+1))×100%=98.84；E2總=99.95%E2總＞E1第64頁,共98頁，2024年2月25日，星期天4)洗滌液和洗滌次數(shù)的選擇洗滌液條件的選擇原則是雜質(zhì)的分配系數(shù)要小，欲萃取物的分配系數(shù)要大。洗滌次數(shù)的選擇必須兼顧凈化效果和回收率。5)反萃取劑的選擇、萃取設(shè)備的選擇（4）溶劑萃取法的應(yīng)用用于核燃料生產(chǎn)、放射性核素分離、環(huán)境和生物樣品的放射化學(xué)分析等方面。第65頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2.3色譜法（1）概述色譜法又叫色層法或?qū)游龇ǎV法是利用混合物中各組分在固定相和流動(dòng)相中親和力的差異使各組分在兩相之間分配不同來實(shí)現(xiàn)彼此分離的。所有色譜系統(tǒng)都包括兩個(gè)相，即固定相和流動(dòng)相。第66頁,共98頁，2024年2月25日，星期天譜分類：按流動(dòng)相物態(tài)的不同，可分為氣相、液相色譜；按分離過程機(jī)理的不同可分為吸附色譜法、離子交換色譜法、萃取色譜法和凝膠色譜；按固定相使用方式的不同，可分為柱色譜法、紙色譜法和薄層色譜法；按動(dòng)力學(xué)過程的不同可分為前沿法、淋洗法和頂替色譜法。第67頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（2）柱色法1）吸附柱色譜法可分為：液-固和氣-固兩種?；驹恚何街V法是利用溶液在通過裝有吸附劑的柱子時(shí)，各組分因吸附能力的不同，在吸附劑上滯留程度不同，從而實(shí)現(xiàn)各組分的分離。用于做吸附劑的有硅膠、氧化鋁、活性炭和分子篩（沸石，具有網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)的硅酸鋁鹽）等，它們在使用前要經(jīng)過預(yù)處理。

第68頁,共98頁，2024年2月25日，星期天預(yù)處理：水浸泡→一定濃度的酸浸泡→水清洗→一定濃度的堿浸泡→水清洗等。裝柱：分干法和濕法兩種。分離操作：在進(jìn)行分離操作過程時(shí)，流速控制在1ml/min左右。第69頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第70頁,共98頁，2024年2月25日，星期天2）離子交換柱色譜法基本原理：是利用固體物質(zhì)中的可交換離子與溶液中的不同離子之間能發(fā)生交換反應(yīng)來進(jìn)行分離的一種方法。具有這種交換能力的固體稱為離子交換劑。這種交換反應(yīng)為離子交換反應(yīng)。第71頁,共98頁，2024年2月25日，星期天從陽離子Mn+與氫型陽離子交換樹脂RH之間可發(fā)生下列反應(yīng)：平衡常數(shù)K可近似表示：第72頁,共98頁，2024年2月25日，星期天這里,、表示Mn+在離子交換劑和溶液中的平衡濃度；、表示H+在離子交換劑和溶液中的平衡濃度。

稱為選擇系數(shù)，以稱為濃度平衡常數(shù)，它表示在一定條件下，離子交換劑對(duì)Mn+、

H+的選擇能力的大小。第73頁,共98頁，2024年2月25日，星期天

影響離子交換親和力的因素很多，主要是離子的電荷數(shù)Z和離子的水化離子半徑r水。電荷數(shù)越大，水化離子半徑越小，則親和力越大?；静僮鳎弘x子交換劑的選擇和預(yù)處理；裝柱與轉(zhuǎn)型，陽離子可轉(zhuǎn)成H+、NH4+、Na+和Ca2+等，陰離子可轉(zhuǎn)成OH-、NO3-、Cl-和SO42-；分離操作：有吸附、洗滌、淋洗及樹脂再生等。第74頁,共98頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共98頁，2024年2月25日，星期天完成一個(gè)離子交換過程需要經(jīng)過五個(gè)步驟：（1）外部溶液中的可交換離子穿過樹脂顆粒表面的液膜，到達(dá)樹脂表面，這個(gè)過程稱為：膜擴(kuò)散。（2）可交換離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，到達(dá)樹脂交換基團(tuán)附近的交換位置，這個(gè)過程稱為：內(nèi)擴(kuò)散。（3）可交換離子與樹脂交換基團(tuán)的反離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，可交換離子與樹脂官能團(tuán)結(jié)合，反離子則脫離樹脂官能團(tuán)。第76頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（4）反離子在樹脂顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，到達(dá)樹脂表面，這也是內(nèi)擴(kuò)散過程。（5）反離子穿過樹脂顆粒表面的液膜，進(jìn)入外部溶液，這也是膜擴(kuò)散過程。第77頁,共98頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂交聯(lián)度：是指樹脂中所含交聯(lián)劑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。交聯(lián)劑：指能將有機(jī)分子單體連接起來的，形成離子交換樹脂聚合物的物質(zhì)。第78頁,共98頁，2024年2月25日，星期天對(duì)離子交換樹脂的基本要求是：（1）離子交換樹脂必須不溶于水，也不會(huì)因?yàn)楸凰軇┗纸狻＃?）離子交換樹脂的高聚物骨架上應(yīng)有足夠數(shù)量的交換基團(tuán)。在樹脂被水溶劑化的條件下，交換基團(tuán)能電離，生成能自由移動(dòng)的反離子。（3）在溶劑化的條件下，樹脂內(nèi)部應(yīng)當(dāng)有足夠的空間，反離子與外部溶液中相同電荷的離子可以不受阻礙地自由擴(kuò)散，進(jìn)行交換。第79頁,共98頁，2024年2月25日，星期天（4）離子交換樹脂必須具有化學(xué)穩(wěn)定性。離子交換樹脂應(yīng)當(dāng)不溶于無機(jī)酸、堿、鹽的水溶液，也不溶于各種有機(jī)溶劑。（5）離子交換樹脂必須具有物理穩(wěn)定性。離子交換樹脂應(yīng)當(dāng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命，能夠耐熱和耐輻照。第80頁,共98頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)目前，廣泛使用的離子交換樹脂絕大多數(shù)都是以聚合的苯乙烯或丙烯酸及其衍生物為基體的，為了保證離子交換樹脂既不溶于無機(jī)酸、堿、鹽的水溶液，也不溶于各種有機(jī)溶劑，并且在加熱時(shí)不熔，在合成樹脂時(shí)必須加入一定量的起交聯(lián)作用的交聯(lián)劑，例如：二乙烯苯，生成苯乙烯-二乙烯苯共聚體或丙烯酸及其衍生物-二乙烯苯共聚體，形成立體交聯(lián)結(jié)構(gòu)的樹脂骨架。

第81頁,共98頁，2024年2月25日，星期天通過化學(xué)反應(yīng)，在樹脂的共聚體骨架上引入交換基團(tuán)以后，就成為離子交換樹脂。交聯(lián)劑加入量越多，立體交叉網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度越大，網(wǎng)絡(luò)交織得越緊密。離子交換樹脂的溶脹：由于離子交換樹脂是由親油性的大分子骨架和親水性的交換基團(tuán)組成的，干燥的離子交換樹脂接觸水或有機(jī)溶劑時(shí)，在樹脂結(jié)構(gòu)的不同部分會(huì)分別發(fā)生溶劑化作用，都會(huì)引起樹脂體積的膨脹（溶脹）。

第82頁,共98頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂的分類離子交換樹脂按照官能團(tuán)的電荷性質(zhì)分為：陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。陽離子交換樹脂的官能團(tuán)帶負(fù)電荷，反離子為帶正電荷的氫離子或金屬陽離子，可以與外部溶液中的陽離子進(jìn)行交換反應(yīng)；陰離子交換樹脂的官能團(tuán)帶正電荷，反離子為帶負(fù)電荷的陰離子（氫氧根離子或其它酸根離子），可以與外部溶液中的陰離子進(jìn)行交換反應(yīng)。離子交換樹脂按照樹脂交換基團(tuán)在水中的電離常數(shù)分為：強(qiáng)酸性、弱酸性、強(qiáng)堿性和弱堿性。第83頁,共98頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂的交換容量離子交換樹脂的交換容量是樹脂最重要的性能指標(biāo)。由于樹脂的交換容量與離子交換反應(yīng)條件有關(guān)，因此有幾種不同的交換容量概念。（1）理論交換容量（又稱“總交換容量”）理論交換容量是指單位量（質(zhì)量或體積）的Cl－型或H+

型離子交換樹脂中能進(jìn)行離子交換反應(yīng)的交換基團(tuán)的總數(shù)（mmol），它實(shí)際是樹脂交換容量的理論值或最大值。第84頁,共98頁，2024年2月25日，星期天樹脂的單位量用1g表示，則稱為：質(zhì)量理論交換容量。樹脂的單位量用1mL表示，則稱為：體積理論交換容量。（2）工作交換容量工作交換容量是指在一定的工作條件下，離子交換樹脂對(duì)離子的交換吸附能力。工作交換容量又可以分為：穿透交換容量、飽和交換容量和再生交換容量。第85頁,共98頁，2024年2月25日，星期天穿透交換容量是指：在柱式操作中，被吸附離子在流出液中的濃度達(dá)到規(guī)定的穿透濃度時(shí)，樹脂所達(dá)到的交換容量。穿透交換容量不僅與具體的操作條件和離子交換反應(yīng)速度有關(guān)，而且與穿透濃度的規(guī)定值有關(guān)。飽和交換容量是指：在柱式操作中，被吸附離子在流出液中的濃度與流入液中的濃度相等時(shí)，樹脂所達(dá)到的交換容量。飽和交換容量是動(dòng)力學(xué)意義上的