第五章離子交換分離法演示文稿當前1頁，總共59頁。優選第五章離子交換分離法當前2頁，總共59頁。§5.1概述一、離子交換分離法：利用離子交換劑與溶液中的離子發生交換反應進行分離的方法。二、特點

優點：分離效率高，設備簡單，操作不復雜，樹脂又具有再生能力，可反復使用，應用廣泛。缺點：分離周期長，耗時過多。當前3頁，總共59頁。1805年英國科學家發現了土壤中Ca2+和NH4+的交換現象；1876年Lemberg揭示了離子交換的可逆性和化學計量關系；1935年人工合成了離子交換樹脂；1940年應用于工業生產；1951年我國開始合成樹脂。三、發展史當前4頁，總共59頁。

離子交換劑：具有離子交換能力的所有物質，通常指固體離子交換劑，固體離子交換劑又稱為吸著離子交換劑。無機離子交換劑：

由天然的(粘土、沸石類礦物)和合成的(合成沸石、分子篩、水合金屬氧化物、多價金屬酸性鹽類、雜多酸鹽等)化合物構成。

有機離子交換劑

：人工合成的帶有離子交換功能團的高分子聚合物．其中應用最為廣泛的是離子交換樹脂。§5.2離子交換劑當前5頁，總共59頁。一、離子交換樹脂的結構性能和作用

固體球形顆粒，多孔網狀結構；不溶于水；具有離子交換特性的有機高分子聚電解質。1.結構

(一)組成

離子交換樹脂母體(骨架)活性基團固定離子可交換離子苯乙烯(單體)+二乙烯苯(交聯劑)母體共聚H2SO4功能基反應R—SO3H固定離子可交換離子母體當前6頁，總共59頁。樹脂的網絡骨架當前7頁，總共59頁。離子交換劑是由基質、電荷基團(或功能基團)和反離子構成的

當前8頁，總共59頁。圖中以波形線條代表樹脂的骨架，活性基團磺酸基（—SO3H）。

聚苯乙烯型磺酸基陽離子交換樹脂當前9頁，總共59頁。離子交換樹脂的形狀結構示意圖當前10頁，總共59頁。

(二)樹脂分類按選擇性按結構離子交換樹脂凝膠型等孔型孔大、均勻，抗有機污染能力強。孔徑為20—100nm，溶脹度小，交換速度高，抗污染能力強。孔徑5nm、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RNH3OH強堿性陰離子交換樹脂R4NOH弱酸性陽離子交換樹脂R—COOH強酸性陽離子交換樹脂R—SO3H當前11頁，總共59頁。陽離子交換樹脂交聯劑當前12頁，總共59頁。當前13頁，總共59頁。據交換基團酸性的強弱，分為強酸性，弱酸性。OH強酸性中等酸性弱酸性交換能力受酸度的影響較大

淡黃色球狀顆粒；化學穩定性好，耐磨性好；在酸性、堿性和中性介質中都可使用；交換反應速度快；無機、有機陰離子均可交換。當前14頁，總共59頁。強酸性苯乙烯型陽離子交換樹脂當前15頁，總共59頁。陰離子交換樹脂當前16頁，總共59頁。當前17頁，總共59頁。（1）強堿性陰離子交換樹脂具有強堿性的活潑基團：-CH2N(CH3)3+Cl-特性淡黃色的球狀顆粒；對強酸根和弱酸根都能交換；對酸堿氧化劑及某些有機溶劑都比較穩定；在酸性、堿性溶液中都能使用，交換容量不受溶液中pH值影響。當前18頁，總共59頁。（2）弱堿性陰離子交換樹脂具有弱堿性的活潑基團：-CH2NH3+Cl--CH2NH2(CH3)+Cl--CH2NH(CH3)2+Cl-此類樹脂的交換能力受酸度的影響較大。大孔弱堿性苯乙烯型陰離子交換樹脂

當前19頁，總共59頁。離子交換劑的交換反應陽離子交換反應：Resin-SO3H+Na+=Resin-SO3Na+H+

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

3OHˉ+Clˉ=N(CH3)+3Clˉ+OHˉResin-N(CH3)

+3Clˉ+OHˉ=N(CH3)+3OHˉ+Clˉ●陽離子交換劑只與陽離子交換，陰離子交換劑只與陰離子交換。當前20頁，總共59頁。特殊作用的離子交換劑●螯合樹脂：含有特殊的活性基團，可以有選擇性地與某些金屬離子進行交換。如：國產#401型是屬于氨羧基［－N（CH2COOH）2］當前21頁，總共59頁。離子交換劑應具備的條件有高度的不溶性；而在各種溶劑中進行交換時，交換劑不發生溶解有疏松多孔的結構或巨大的表面積，能使交換離子在交換劑中進行自由擴散和交換有較多的交換基團有穩定的物理化學性質，在使用過程中，交換劑不能因物理或化學因素的變化而發生分解和變形等現象當前22頁，總共59頁。2、樹脂的性質（1）外型顏色：白、黃、黑和褐。形狀：大多為球形。大小：通常用樹脂在水中膨脹后通過篩的大小表示。當前23頁，總共59頁。當前24頁，總共59頁。(2)密度干真密度：干燥狀態下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。

當前25頁，總共59頁。(3)交聯度

交聯度為樹脂合成時交聯劑的用量，一般為7%~10%。

交聯度=交聯劑質量/樹脂總質量交聯度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩定。影響孔徑、選擇性、交換速度當前26頁，總共59頁。(4)溶脹性

吸水后體積增大的現象。溶脹程度用溶脹率表示：溶脹的原因

水擴散到樹脂交聯網孔發生溶脹；活性基團離解形成水合離子。影響因素樹脂交聯度：交聯度越大，溶脹率越低。活性基團：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。當前27頁，總共59頁。(5)交換容量

單位體積濕樹脂(容量表示法)或單位重量干樹脂(重量表示法)可發生交換的活性基團數量。

容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。

重量表示法EW

：mmol/g、mol/kg。

EV=EW×[濕比重×(1-含水率)]

全交換容量：單位體積或重量樹脂中含可交換基團的總數。工作交換容量：在動態工作條件下，當出水水質達到交換終點時，樹脂層達到的平均交換容量。當前28頁，總共59頁。離子交換樹脂的命名方法當前29頁，總共59頁。

離子交換樹脂命名法中分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系當前30頁，總共59頁。當前31頁，總共59頁。各類離子交換樹脂的具體編號為：

001—099

強酸型陽離子交換樹脂

100—199

弱酸型陽離子交換樹脂

200—299

強堿型陰離子交換樹脂

300—399

弱堿型陰離子交換樹脂

400—499

螯合型離子交換樹脂

500—599

兩性型離子交換樹脂

600—699

氧化還原型離子交換樹脂當前32頁，總共59頁。§5.3離子交換分離法的基本原理離子交換的親和力離子交換平衡離子交換反應動力學當前33頁，總共59頁。離子交換的親和力1、親和力：

離子在離子交換樹脂上的交換能力稱為離子交換樹脂對離子的親和力。

是離子交換分離某些元素的主要依據。

2、影響親和力大小的因素：離子的體積越大，電荷越低，靜電引力越小，親和力越小。決定于水合離子的大小和電荷數的多少。同價的離子，其水合離子半徑大，親和力小，反之則大。當前34頁，總共59頁。3、離子交換樹脂對離子的親和力規律：1.強酸性陽離子交換樹脂對不同價的離子，電荷越高，親和力越大。Fe3+>Mg2+>Na+

同電荷數離子水合離子半徑小的親和能力強Ca2+>Mg2+>Be2+K+>Na+>Li+2.弱酸性陽離子交換樹脂：H+的親和力比其他陽離子大，而其他陽離子的親和力順序與強酸性陽離子交換樹脂相似。當前35頁，總共59頁。3.強堿性陰離子交換樹脂親和力的順序為：PO43->SO42->NO3-F-＜OH-＜CH3COO-＜HCOO-＜Cl-＜NO2-＜CN-＜Br-＜CrO42-＜NO3-＜HSO4-＜I-＜CrO4-＜SO42-＜檸檬酸根4.弱堿性陰離子交換樹脂親和力的順序為：F-＜Cl-＜Br-

＜I-=CH3COO-＜MoO42-＜PO43-＜AsO43-＜NO3-＜酒石酸根＜檸檬酸根＜CrO42-＜SO42-＜OH-當前36頁，總共59頁。離子交換平衡1、離子交換反應例如，氫型陽離子交換樹脂與溶液中一價陽離子發生交換反應，即：R-H+M+=R-M+H+

如果在交換柱上交換，隨著溶液下移，這種交換不斷進行，直到溶液中的陽離子全部交換完畢為止。此時再向交換柱的頂端注入合適的洗提液時，則洗提液將樹脂上己吸附的陽離子再交換到溶液中。當前37頁，總共59頁。2、選擇系數離子交換常數：交換系數[R-A]、[R-B]表示結合在樹脂上的A離子和B離子濃度[A]S、[B]S表示溶液中A離子和B離子越大B越易被交換當前38頁，總共59頁。值是反映離子交換劑對不同離子的結合力或選擇性的參數

若＞1，即[RB]＞[RA],表示離子交換劑對B+的結合力比A+

大若=1，即[RB]=[RA],表示離子交換劑對B+的結合力與A+

相等若＜1，即[RB]＜[RA],表示離子交換劑對B+的結合力比A+

小，當[A+]=[B+]時，當前39頁，總共59頁。（1）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；（2）離子化合價：高價離子易于被吸附；（3）溶液pH：影響交換基團和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；（4）離子強度：越低越好；（5）有機溶劑：不利于吸附；（6）交聯度、膨脹度、分子篩：交聯度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯度小，膨脹度大，吸附量減少；（7）樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；

影響離子交換選擇性的因素當前40頁，總共59頁。例1：已知某陽離子交換樹脂的選擇系數：KLiCs=3.25,KLiNa=1.98,那么KNaCs=?解：R-Li+Cs+=R-Cs+Li+R-Li+Na+=R-Na+Li+當前41頁，總共59頁。R-Na+Cs+=R-Cs+Na+當前42頁，總共59頁。離子交換動力學一個離子交換過程一般用一個反應式表示，如

RH+Na+RNa+H+但實際上包括五個步驟：溶液中的Na+擴散到達樹脂顆粒表面。此過程又叫膜擴散或外擴散2Na+擴散透過樹脂表面的半透膜進入樹脂顆粒內部的網狀結構中，這一過程稱顆粒擴散或內擴散3Na+和H+之間發生的交換反應。被交換下來的H+擴散通過樹脂內部及其表面的半透摸即經內擴散離開樹脂相離開樹脂相后的H+必須擴散經過樹脂表面一薄層靜止不動的溶液薄膜，即經外擴散后進入溶液主體。當前43頁，總共59頁。當前44頁，總共59頁。

由于外部溶液和樹脂內部都必須保持電中性，因此進入樹脂與離開樹脂的速度必定相等，所以這五個步驟實質上可以看作是三個步驟，即膜擴散﹑顆粒擴散和交換反應。這三個步驟中，交換反應進行是較快的，而膜擴散和顆粒擴散進行較慢，故整個交換過程的速度就由膜擴散和顆粒擴散的速度所決定。當前45頁，總共59頁。影響離子交換速率的因素：1.溶液濃度重要因素，交換速率濃度增加而增加，最后達到一個極限值。2.樹脂顆粒大小樹脂顆粒越小，交換速率越大。3.樹脂相內擴散系數4.樹脂相外擴散系數5.攪拌當前46頁，總共59頁。1．樹脂的選擇及其處理5.4離子交換分離操作當前47頁，總共59頁。合適的交聯度一般4-8%顆粒大小每平方英寸內篩孔數，“目”顆粒大小被分離物性質相似，選擇較細顆粒。顆粒太細會怎樣？當前48頁，總共59頁。研磨、過篩使粒度符合要求浸泡是其充分溶脹凈化減少雜質一般經過研磨、溶脹、洗滌等步驟。樹脂的處理當前49頁，總共59頁。2.裝置1、靜態交換法：工業上（間歇式工藝）：交換罐。實驗室中：燒杯。2、動態交換法：工業上：離子交換器將樹脂裝入柱狀交換器中，使待交換溶液流過交換柱。當前50頁，總共59頁。當前51頁，總共59頁。裝柱：樹脂洗至中性后借助水的重力使樹脂自然沉積，避免夾雜氣泡現象。3．裝柱與裝樣交換裝柱離子交換洗脫樹脂再生柱式操作：當前52頁，總共59頁。裝樣交換：當前53頁，總共59頁。4．洗脫

洗脫一般采取分步淋洗或梯度淋洗，其中分步洗脫，是指先采用洗脫能力較弱的溶液，使易洗脫組分流出，然后依次使用洗脫能力更強的溶液，洗脫較難洗脫的組分。當前54頁，總共59頁。(一)再生的目的5樹脂的再生使用過的樹脂恢復到原狀的過程稱為樹脂的再生.以適當濃度的酸溶液處理已變為M型的強酸性