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1、离子交换与吸附树脂离子交换与吸附树脂本讲稿第一页，共七十页本讲稿第二页，共七十页n n无机离子交换剂的缺点：1、交换能力低 2、化学稳定性差 3、机械稳定性差n n有机离子交换剂的特点：1、网状结 2、难溶（水、酸、碱、有机溶剂）3、稳（热、机械、化学）4、含活性基团（-SO3H、-COOH、NOH）本讲稿第三页，共七十页1、离子交换反应与离子交换树脂的结构、离子交换反应与离子交换树脂的结构.离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂（固相）和淋洗液（液相）之间的分配（离子交换）而达到分离的方法。分配过程是一离子交换反应过程。本讲稿第四页，共七十页n n阳离子交换反应：Resin-SO3H +N
2、a+=Resin-SO3 Na+H+Resin-SO3Na +H+=Resin-SO3 H+Na+n n阴离子交换反应：Resin-N(CH3)3OH +Cl-=N(CH3)3 Cl +OH-Resin-N(CH3)3 Cl+OH-=N(CH3)3 OH+Cl-本讲稿第五页，共七十页离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子离子交换反应发生在离子交换树脂上的具有可交换离子的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨的活性基团上。离子交换树脂是以高分子聚合物为骨架，反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯架，反应引入活性基团构成。高分子聚合物以苯乙烯-二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种
3、特性的活性二乙烯苯共聚物小球常见，可引入各种特性的活性基团，使之具有选择性基团，使之具有选择性。本讲稿第六页，共七十页-SO3H：活性基团：树脂基体SO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3HSO3H本讲稿第七页，共七十页离子交换与吸附树脂的组成离子交换与吸附树脂的组成 n n离子交换树脂出三部分组成：一是网状结构的高分子骨架二是连接在骨架上的功能基团，三是和功能基带相反电荷的可交换离子。三者互为依存、统一于每粒离子交换的珠体之中。离于交换树脂作为商品，它在运输、贮藏和使用时往往部含一定
4、量的水份，因此水分子充满于每粒离子交换树脂的骨架、功能基和反离子之间。本讲稿第八页，共七十页n n采用常规的悬浮聚合方法，可制得凝胶型的离子交换树脂，产品一般是透明的、无孔的，树脂吸水后树脂相内产生微孔。采用制孔技术可制得大孔型离子交换树脂，它不同于凝胶树脂，不论大孔树脂是处于干态或湿态、收缩或溶胀，都存在着比凝胶型树脂更多、更大的孔道，比表面也就更大，有利于离子的迁移扩散，提高交换速率和工作效率 本讲稿第九页，共七十页n n与离子交换树脂相比较，吸附树脂的组成中不存在功能基及功能基的反离子，它类似于不含功能基及功能基反离子的大孔树脂，在制造时往往投入更多的交联剂和更严格地选用致孔剂，以合成具
5、有更大比表而积的不同孔径、不同孔容和不同比表面积的吸附树脂。本讲稿第十页，共七十页离子交换与吸附树脂的分类离子交换与吸附树脂的分类 n n依据树脂骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型两大类。凝胶型离子交换树脂又可依据交联度不同分为低交联度(交联度8)树脂；大孔型树脂又可分为一般大孔树脂和高大孔树脂，一般大孔树脂的交联度通常为8，而高大孔树脂的交联度则要远远大于8。本讲稿第十一页，共七十页n n根据所带的功能基的特性，离子交换树脂可分为阳离子交换根据所带的功能基的特性，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和其它树脂。带有酸性功能基、并能树脂、阴离子交换树脂和其它树脂。带有酸
6、性功能基、并能与阳离子进行交换的称为阳离子交换树脂，带有碱性功能基与阳离子进行交换的称为阳离子交换树脂，带有碱性功能基并能与阴离子进行交换的称为阴离子交换树脂。基于功能基并能与阴离子进行交换的称为阴离子交换树脂。基于功能基上酸、碱有强弱之分，离子交换树脂又可细分为强酸性上酸、碱有强弱之分，离子交换树脂又可细分为强酸性(SOSO3H)H)、中强酸、中强酸(PO(OH)(PO(OH)2)及弱酸性及弱酸性(COOH)(COOH)、强碱、强碱(NN+R R3 3Cl)Cl)、弱碱性、弱碱性(NH(NH2 2，NRH，NR2 2)离子交换树脂。在强碱性离子交换树脂中将含有(N+(CH3)3 3ClCl-
7、)的树脂叫的树脂叫强碱强碱型树脂，含有型树脂，含有(N(N+(CH(CH3)2 2(CH2 2CHCH2 20H)0H)的树脂叫强碱的树脂叫强碱型树脂。带有螯合基、氧化还原基、阳阴两性基的树脂；分型树脂。带有螯合基、氧化还原基、阳阴两性基的树脂；分别称为螯合树脂、氧化还原树脂和两性树脂。别称为螯合树脂、氧化还原树脂和两性树脂。n n上述树脂通常都用酸、碱、盐再生，而弱酸弱碱的两性树脂上述树脂通常都用酸、碱、盐再生，而弱酸弱碱的两性树脂可用热水再生，故弱酸弱碱的两性树脂又称热再生树脂可用热水再生，故弱酸弱碱的两性树脂又称热再生树脂.本讲稿第十二页，共七十页n n吸附树脂可以大体上分为非极性吸附剂
8、、中极性和强极性吸吸附树脂可以大体上分为非极性吸附剂、中极性和强极性吸附剂三大类。非极性吸附树脂是偶极矩很小的单体聚合制得附剂三大类。非极性吸附树脂是偶极矩很小的单体聚合制得并不带任何功能基的吸附树脂。苯乙烯并不带任何功能基的吸附树脂。苯乙烯二乙烯苯体系的二乙烯苯体系的吸附剂是非极性吸附树脂的代表。这类非极性吸附树脂的孔吸附剂是非极性吸附树脂的代表。这类非极性吸附树脂的孔表面的疏水性很强，最适于从极性溶剂表面的疏水性很强，最适于从极性溶剂(如水如水)中吸附非极性中吸附非极性的有机物。中极性吸附材脂是含酯基的吸附树脂。例如，丙的有机物。中极性吸附材脂是含酯基的吸附树脂。例如，丙烯酸甲酯或甲基丙烯
9、酸甲酯与双甲基丙烯酸乙二醇酯等交联烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与双甲基丙烯酸乙二醇酯等交联剂共聚的吸附剂，其孔表面疏水和亲水部分共有，既可用于剂共聚的吸附剂，其孔表面疏水和亲水部分共有，既可用于极性溶剂中吸附非极性物质，也可用于非极性溶剂中吸附极极性溶剂中吸附非极性物质，也可用于非极性溶剂中吸附极性物质。强极性性物质。强极性(或称极性或称极性)吸附树脂是指含酰氨基、氰基、吸附树脂是指含酰氨基、氰基、酚羟基等极性功能基的吸附树脂，它适用于非极性溶剂中吸酚羟基等极性功能基的吸附树脂，它适用于非极性溶剂中吸附极性物质。有时，将含氮、氧、硫等配体的离子交换树脂附极性物质。有时，将含氮、氧、硫等配体的离子交
10、换树脂也称为强极性吸附树脂，因此，离子交换树脂和强极性吸附也称为强极性吸附树脂，因此，离子交换树脂和强极性吸附树脂之间没有严格的界限。树脂之间没有严格的界限。本讲稿第十三页，共七十页n n离子交换树脂的种类本讲稿第十四页，共七十页n n(1).阳离子交换树脂 强酸性：-SO3H应用广（酸、中、碱介质均可用）例：国产732#树脂 弱酸性：-OH对亲合力大（不宜在酸介质中使用，但可用酸洗脱）例：国产724#树脂本讲稿第十五页，共七十页(2).阴离子交换树脂弱碱性：N（叔胺基）对OH-的亲和力大（不宜在碱介质中使用）,=NH（仲胺基）,NH2（伯胺基）例：国产704#树脂强碱性：N（季胺碱，如R-N
11、(CH3)Cl）应用广（酸、中、碱介质均可用）例：国产717#树脂本讲稿第十六页，共七十页(3).螯合树脂：螯合功能团选择性高，制备成本高、难度大，交换容量低例：国产401#树脂（具备EDTA的功能：本讲稿第十七页，共七十页(4).大孔树脂：孔径大（类似泡沫塑料），表面积大，交换速度快例：国产D202#钠型大孔阳离子交换树脂本讲稿第十八页，共七十页(5).氧化还原树脂：可逆的氧化还原基团可发生电子转移反应，但不引入杂质例：国产D301#氯型大孔阴离子交换树脂本讲稿第十九页，共七十页离子交换与吸附树脂的命名离子交换与吸附树脂的命名 n n中国石油化学工业部在1977年制定的离子交换树脂产品分类、
12、命名及型号的部颁标准n n标准规定：离子交换树脂的全称由分类名称，骨架(或基团)名称，基本名称(离子交换树脂)排列组成。凡属酸性的应在基本名称前加一“阳”字：凡属碱性在基本名称前加“阴”字。离于交换树脂型号由三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架结构的差异，第三位数字为顺序号用以区别基团、交联剂等的不同 本讲稿第二十页，共七十页n n离子交换树脂产品骨架分类代号 本讲稿第二十一页，共七十页n n凡大孔型离于交换树脂，在型号前加“大”字的汉语拼音首位字母“D”表示 凝胶型离子交换树脂在型号后而用“”号联接阿拉伯数字表示交联度。本讲稿第二十二页，共七十页离子交换与吸附树脂
13、的合成及结构、离子交换与吸附树脂的合成及结构、性能参数性能参数 n n离于交换树脂的合成一般是先制备母体(通俗为珠体)、然后通过化学反应引入相应的离子交换基团。离子交换树脂按其母体分类主要有聚苯乙烯、聚丙烯酸及酚醛三个系列。通过在聚合过程加入或不加入致孔剂的制备方法，可使得到的母体有大孔型或凝胶型的物理结构。吸附树脂的制备方法与大孔型离子交换树指的母体相似 本讲稿第二十三页，共七十页一、树脂母体的合成一、树脂母体的合成 n n1、悬浮聚合 在大部分情况下，树脂母体都是用悬浮聚合的方法制备，产物为具有一定粒度分布的珠体。本讲稿第二十四页，共七十页n n悬浮聚合是在机械搅拌下，使单体分散于与之不相
14、溶的悬浮聚合是在机械搅拌下，使单体分散于与之不相溶的介质中进行聚合的一种方法。分散介质可以是水，也可介质中进行聚合的一种方法。分散介质可以是水，也可以是非水溶剂，由单体性质所决定。绝大多数情况下，以是非水溶剂，由单体性质所决定。绝大多数情况下，制备离子交换树脂的单体是油溶性的，因此悬浮聚合一制备离子交换树脂的单体是油溶性的，因此悬浮聚合一般都在水分散介质中进行。般都在水分散介质中进行。n n 搅拌条件，包括搅拌速度、搅拌器形状等是决定珠状搅拌条件，包括搅拌速度、搅拌器形状等是决定珠状产物颗粒大小及粒径分布的重要因素。但单纯机械搅拌产物颗粒大小及粒径分布的重要因素。但单纯机械搅拌的分散过程是可逆
15、的。随着聚合反应进行，单体液珠粘的分散过程是可逆的。随着聚合反应进行，单体液珠粘度增加，会发生液珠的粘结和聚集。因此，悬浮聚合必度增加，会发生液珠的粘结和聚集。因此，悬浮聚合必须在分散剂的存在下进行。须在分散剂的存在下进行。本讲稿第二十五页，共七十页n n悬浮分散剂有二类，一类是水溶性高分子，常用的有聚乙悬浮分散剂有二类，一类是水溶性高分子，常用的有聚乙烯醇烯醇(醇解度醇解度8686左右左右)、明胶、苯乙烯一顺丁烯二酸酐共、明胶、苯乙烯一顺丁烯二酸酐共聚物聚物(钠盐钠盐)及某些纤维素的衍生物等；另一类是非水溶性及某些纤维素的衍生物等；另一类是非水溶性的细粉状无机物，如碳酸钙、磷灰石、硅藻土、新
16、沉淀的的细粉状无机物，如碳酸钙、磷灰石、硅藻土、新沉淀的氢氧化镁等。高分子分散剂和无机分散剂可单独使用，也氢氧化镁等。高分子分散剂和无机分散剂可单独使用，也可协同使用。可协同使用。n n 影响聚合物粒径的重要因素是机械搅拌的速度、分影响聚合物粒径的重要因素是机械搅拌的速度、分散剂的种类和用量，及分散介质与单体的比例。搅拌散剂的种类和用量，及分散介质与单体的比例。搅拌速度愈快，分散剂用量愈多，分散介质与单体的比值速度愈快，分散剂用量愈多，分散介质与单体的比值愈大，得到的聚合物的粒径就愈小。用悬浮聚合法制愈大，得到的聚合物的粒径就愈小。用悬浮聚合法制备的聚合物粒径可在很大范围内变化。可用于制备常备
17、的聚合物粒径可在很大范围内变化。可用于制备常规的离子交换树脂，其粒径范围为规的离子交换树脂，其粒径范围为0 021212 um2 um；也可用于制备色谱担体类细颗粒树脂，粒径范围为也可用于制备色谱担体类细颗粒树脂，粒径范围为10-40um 10-40um 本讲稿第二十六页，共七十页n n2、凝胶型树脂母体的制备n n（1）聚苯乙烯型树脂母体 聚苯乙烯树脂母体般那是采用二乙烯苯作交联剂，通过悬浮共聚反应得到的 本讲稿第二十七页，共七十页n n（2 2）聚丙烯酸型树脂母体）聚丙烯酸型树脂母体 制备聚丙烯酸型树脂母体常用的单体是丙烯酸甲酯。也可用甲基丙烯酸甲酯或直接用丙烯酸、甲基丙烯酸作单体，但前者
18、得到的交联共聚物水解比较困难，后者因单体的水溶性大，制备有定难度。作为交联剂用得较多的还是二乙烯苯。同样，使用二乙烯苯交联剂时，因单体活性不同，也存在共聚产物交联结构不均匀的问题，对树脂的性能造成影响。除二乙烯苯外，可用作聚丙烯酸型树脂母体交联剂的还有衣康酸烯丙酯，二甲型丙烯酸乙二醇酯，甲基丙烯酸烯丙酯及三聚异氰酸三烯丙酯等。本讲稿第二十八页，共七十页n n（3）缩聚型树脂母体的制备 除这两种系列的离子交换树脂外还有一些类型的离子交换树脂，如酚醛、环氧系列树脂，是通过缩聚反应制备的，在缩聚过程形成母体骨架的同时，也导入了交换基团。本讲稿第二十九页，共七十页n n3 3、大孔型树脂母体的制备、大
19、孔型树脂母体的制备 大孔型树脂母体主要是通过在共聚单体中添加致孔剂的大孔型树脂母体主要是通过在共聚单体中添加致孔剂的方法制备的。一般合成过程如下方法制备的。一般合成过程如下 致孔剂通常是一类不参与聚合，能与单体混溶，使交联共聚致孔剂通常是一类不参与聚合，能与单体混溶，使交联共聚物溶胀或沉淀的有机溶剂。物溶胀或沉淀的有机溶剂。聚合过程中，致孔剂分布在单聚合过程中，致孔剂分布在单体及已聚合的共聚物中。随着聚合转化率提高，油珠逐渐固体及已聚合的共聚物中。随着聚合转化率提高，油珠逐渐固化。聚合反应完成后，用水蒸气蒸馏或溶剂提取方法除去致化。聚合反应完成后，用水蒸气蒸馏或溶剂提取方法除去致孔剂，结果留下
20、孔穴，形成具大孔结构的球状树脂母体孔剂，结果留下孔穴，形成具大孔结构的球状树脂母体 本讲稿第三十页，共七十页n n每个大孔珠体中孔结构形形成过程为：n n形成过程分三个阶段。第一阶段，聚合反应达某一转化率时，溶解在油珠中的共聚物形成微凝胶核而从溶液中沉淀析出(相分离)。这些含有大量单体的微凝胶核进而聚集成为微凝胶球。本讲稿第三十一页，共七十页n n作为致孔剂，可以是良溶剂，也可以是不良溶剂。前者既能与单体混溶，又能使交联共聚物溶胀；后者能与单体混溶，但不能使交联共聚物溶胀。良溶剂与不良溶剂也可混合使用。同时，还可将某些线性聚合物用作致孔剂。n n(1）不良溶剂致孔 能用作致孔剂的不良溶剂有庚烷
21、、异辛烷、汽油、异戊醇，2-乙基己酸等。当苯乙烯二乙烯苯共聚物的制备用不良溶剂致孔时，本讲稿第三十二页，共七十页n n(2)良溶剂致孔 能用作致孔剂的良溶剂有甲苯、二甲苯、二乙苯等。当苯乙烯二乙烯苯共聚物的制备用良溶剂致孔时，相分离的出现要比不良溶剂致孔时迟得多。由于生成的高分子链始终处于伸展状态，链间很少缠结，因此在提取致孔剂时，聚合物网络缺乏足够的刚性，容易发生孔塌缩现象。塌缩的程度取决于交联度和致孔剂用量。本讲稿第三十三页，共七十页n n(3)混合溶剂致孔 使用由良溶剂和不良溶剂组成的混合溶剂作致孔剂，可在更大的范围调节树脂的孔结构。与单一不良溶剂比较，混合溶剂使孔度和平均孔径变小，比表
22、面积增加，孔径分布变窄。在良溶剂和不良溶剂配比合适的情况下，增加混合溶剂的用量可同时增加大孔共聚物的孔容和比表面积。本讲稿第三十四页，共七十页n n(4)以线型聚合物为致孔剂 能与单体混溶的聚合物也可用于制备大孔树脂。当单体的聚合达一定转化率时，溶解在单体中的线型聚合物与交联共聚物起发生相分离。聚合完成后，用溶剂提出线型聚合物、即得到具大孔结构的树脂产物。本讲稿第三十五页，共七十页n n4、吸附树脂的制备 高分子吸附树脂的化学结构与上述凝胶型或大孔型离子交换树脂母体相同。其大孔结构也与上述大孔型树脂母体类似。尽管作为高分子吸附树脂需具有较高的比表而积、较大的孔体积及更为合适的孔径分布，但其制备
23、方法与大孔型离子交换树脂母体是相类似的。（1）加入致孔剂的方法 （2）后交联的方法本讲稿第三十六页，共七十页二、离子交换功能基团的导入二、离子交换功能基团的导入 n n1、强酸性阳离子交换树脂 强酸性阳离子交换树脂一般以交联聚苯乙烯为母体，磺酸基SO3H)为交换基团，是通过在苯环上的磺化反应而导入的：本讲稿第三十七页，共七十页n n2、弱酸性阳离子交换树脂 弱酸性阳离子交换树脂一般以羧酸基(COOH)作为离子交换基因。此外还有磷酸基(PO3H2)、砷酸基(AsO3H2)等。磷酸基的酸性介于磺酸基与羧酸基之间。多数情况下，以羧酸基作为交换基团的弱酸树脂以丙烯酸酯的交联共聚物水解得到：本讲稿第三十
24、八页，共七十页n n缩聚型弱酸树脂可通过羟基苯甲酸与甲醛缩合来制备 本讲稿第三十九页，共七十页n n3、强碱性阴离子交换树脂 强碱性阴离了交换树脂邵以交联的聚苯乙烯为钟，季铵盐基=N+X-为交换团。首先将交联聚苯乙烯母体氯甲基化，然后进行胺化以导入季铵基团：本讲稿第四十页，共七十页n n4、弱碱性阴离子交换树脂n n 弱碱性阴离子交换树脂的骨架结构可以是聚苯乙烯型或聚丙烯酸型n此外，缩聚型弱碱交换树脂也有生产。首先是交联聚苯乙烯母体的氯甲基化，然后经胺化导入弱碱性交换基团，但所用的胺化试剂是伯胺或仲胺。本讲稿第四十一页，共七十页本讲稿第四十二页，共七十页n n交联丙烯酸酯类母体可通过胺解反应导
25、人弱碱交换基团,聚合物骨架通过酰胺键与弱碱交换基团连结本讲稿第四十三页，共七十页n n缩聚型弱碱树脂大致有两条合成路线。一是间苯二胺或苯酚和脂肪多胺及甲醛缩聚；二是多胺与环氧氯丙烷的缩聚。两条路线都可通过反相悬浮聚合得到球状树脂。本讲稿第四十四页，共七十页n n5、螯合树脂n n螯合树脂种类繁多，按配位原子分类，有以下六种类型”：(1)N，O配位基螯合树脂；(2)N，N配位基螯合树脂；(3)O，O配位基螯合树脂；(4)含硫螯合树脂；(5)含磷螯合树脂；(6)冠醚型螯合树脂。这些整合树脂的结构一般较离子交换树脂复杂，但合成方法与离子交换树脂大致相似，即先合成树脂母体，然后通过功能基反应导人配位基
26、团。也可以先制备带配位基的单体，然后聚合而得到螯合树脂。本讲稿第四十五页，共七十页n n6、离子交换膜 离子交换膜就其化学组成而言几乎与离子交换树脂相同，但它们的形状不同。离子交换膜的种类有异相膜、半均相膜、均相膜等。这些膜的母体大多数是苯乙烯二乙烯苯共聚物，也有聚乙烯、聚丙烯等。作为功能基，阳离子交换膜主要是磺酸基，阴离子交换膜主要是季铵基。本讲稿第四十六页，共七十页三、离子交换与吸附树脂的结构、性三、离子交换与吸附树脂的结构、性能参数能参数n n 离子交换树脂由聚合物骨架及离子交换基团组成，其性能不仅受到交换基团种类和数景的影响，而且受到聚合物骨架，即树脂母体的结构的影响。吸附树脂的构成中
27、不带交换基团，其性能更依赖于树脂母体的结构本身。本讲稿第四十七页，共七十页n nl l、粒度、粒度 离子交换及吸附树脂一般都是球状体，粒度范围在离子交换及吸附树脂一般都是球状体，粒度范围在0 02-2-1-12mm2mm之间。工业上常用之间。工业上常用“目数目数”表示树脂粒径的大小。表示树脂粒径的大小。2 2、密度、孔容和孔度 多孔物质或大孔树脂的密度有三种：多孔物质或大孔树脂的密度有三种：（1）堆积密度堆：是指包括粒间空隙在内的单位体积树脂的密度（2）表现密度表：是指不包括粒间空隙的单位体积树脂的密度（3）真密度真；是指树脂骨架本身的密度n n孔容P孔容是指单位重量干树脂内孔洞的体积(ml/
28、g)n n孔度孔度P P孔度是指树脂内孔洞体积占树脂孔度是指树脂内孔洞体积占树脂(干干)本身体积的本身体积的百分数百分数 本讲稿第四十八页，共七十页n n3、比表面积 比表面积是指每克树脂所具有的内、外表面积的总和，比表面积是指每克树脂所具有的内、外表面积的总和，单位单位mm2 2g gn n4、孔径及孔分布 已知大孔树脂的孔容V孔容和比表面积S后，可按下式计算树脂的平均孔径d：除平均孔径外，孔径分布也是被用来描述大孔树脂孔除平均孔径外，孔径分布也是被用来描述大孔树脂孔结构特性的重要参数。孔径分布是指孔体积按孔径分布结构特性的重要参数。孔径分布是指孔体积按孔径分布的状况，的状况，般用微分或积分
29、曲线表示。般用微分或积分曲线表示。本讲稿第四十九页，共七十页n n5 5、含水量、含水量 树脂含水量是指达溶胀或吸收平衡时树脂所含水树脂含水量是指达溶胀或吸收平衡时树脂所含水量的百分数，它由树脂的交联度、孔度及功能基的量的百分数，它由树脂的交联度、孔度及功能基的性质和数量所决定性质和数量所决定n n6 6、离子交换容量、离子交换容量 离子交换容量是指一定数量离子交换树脂所带有离子交换容量是指一定数量离子交换树脂所带有的可交换的离子的数量一般用单位重量的可交换的离子的数量一般用单位重量(克克)或体或体积积(毫升毫升)树脂所含的可交换的离子的毫克当量数表树脂所含的可交换的离子的毫克当量数表示。根据
30、树脂所用的计量单位不同示。根据树脂所用的计量单位不同(重量或体积重量或体积)，交换容量有重量交换量交换容量有重量交换量(毫克当量克毫克当量克)和体积交换和体积交换量量(毫克当量毫升毫克当量毫升)之分。之分。n n由于离子交换树脂的交换容量随条件不同而改变，由于离子交换树脂的交换容量随条件不同而改变，为应用方便起见，通常把交换容量分为总交换容量、为应用方便起见，通常把交换容量分为总交换容量、工作交换容量和再生交换容量。工作交换容量和再生交换容量。本讲稿第五十页，共七十页n n总交换容量表示单位量总交换容量表示单位量(重量或体积重量或体积)树脂中所具有的可树脂中所具有的可交换离子的总数，它反映了离
31、子交换树脂的化学结构特交换离子的总数，它反映了离子交换树脂的化学结构特点。点。n n 工作交换容量是指离子交换树脂在一定工作条件下表现出工作交换容量是指离子交换树脂在一定工作条件下表现出的交换量，它是离子交换树脂实际交换能力的量度。树脂的交换量，它是离子交换树脂实际交换能力的量度。树脂的工作交换量不仅同其结构有关，而且同溶液组成、流速、的工作交换量不仅同其结构有关，而且同溶液组成、流速、温度、流出液组成及再生条件等因素有关。在一定的工作温度、流出液组成及再生条件等因素有关。在一定的工作条件下，交换基团可能未完全电离，故工作交换量一般小条件下，交换基团可能未完全电离，故工作交换量一般小于总交换量
32、。一种树脂的工作交换量可在模拟离子交换树于总交换量。一种树脂的工作交换量可在模拟离子交换树脂实际工作条件下测得。显然，在表示树脂工作交换量时，脂实际工作条件下测得。显然，在表示树脂工作交换量时，有必要指明工作条件和贯流点。有必要指明工作条件和贯流点。n n再生交换量是离子交换树脂在指定再生剂用量条件下的再生交换量是离子交换树脂在指定再生剂用量条件下的交换容量。交换容量。本讲稿第五十一页，共七十页n n一般情况下，总交换量、工作交换量和再生交换量三者问的关系如下；n n 再生交换量o51o总交换员n n 工作交换量o3一o9再生交换量n n工作交换量再生交换量为离子交换树脂的利用率本讲稿第五十二
33、页，共七十页3离子交换与吸附树脂的性能离子交换与吸附树脂的性能n n(一)物理性能 1、外观。n n 2稳定性。n n (1)化学稳定性。n n (2)热稳定性。n n (3)力学稳定性。本讲稿第五十三页，共七十页n n(二)化学性能 1离子交换反应。本讲稿第五十四页，共七十页本讲稿第五十五页，共七十页n n2、离子交换平衡 离子交换反应是可逆反应，它发生在固态的树脂和水溶液(或亲水有机溶剂)的界面间。本讲稿第五十六页，共七十页n n3、离子交换选择性 离子交换树脂对溶液中各种离于有不同的交换能力，即对离子有选择性吸附交换。树脂对溶液中不同离子亲合力大小的差异就是离于交换选择性。它可用选择系数
34、来表征。若溶液中有A、B两种离子则离子交换树脂的选择系数为：式中式中 K KB BA A树脂的选择系数；树脂的选择系数；RRA A达到平衡时结合在树脂上的达到平衡时结合在树脂上的A A离子浓度离子浓度 R RB达到平衡时结合在树脂上的达到平衡时结合在树脂上的B B离子浓度：离子浓度：AA达到平衡时溶液中达到平衡时溶液中A A离子浓度，离子浓度，B达到平衡时溶液中B离子浓度。本讲稿第五十七页，共七十页n n若KBA 1，表明树脂对B离子的选择性高于A离子：KBA 1，则选择性相同，此时A、B两种离子无法用树脂分离。n n离子交换树脂的选系数受许多因素影响，包括离子交换树脂功能基的性质、树脂交联度
35、的大小、溶液浓度、组成及温度等。尽管如此，树脂对不同离子的选择性仍有一些经验规律。本讲稿第五十八页，共七十页n n在室温下稀水溶液中，强酸型阳离子交换树脂总是优先吸附多价离子：n n对同价离于而言，原子序数越大。选择性越高本讲稿第五十九页，共七十页n n羧酸型弱酸性阳离子树脂同样对多价金属离子选择性高，但它对氢离于的选择性更强，所以用酸进行处理很容易再生n n在常温下用强碱性阴离子树脂处理稀溶液时，各离子的选择性次序为：本讲稿第六十页，共七十页 某些离子在阳离子树脂上的选择系数阳离子阳离子交联度交联度阳离子阳离子交联度交联度LiLi+1.001.001.001.00Mg Mg 2+2+3.29
36、3.293.513.51H H+1.271.271.471.47Zn Zn 2+2+3.473.473.783.78Na Na+1.981.982.372.37Co Co 2+2+3.743.743.813.81NHNH4 4 +2.552.553.343.34Cu Cu 2+2+3.853.854.464.46K K+2.902.904.504.50Cd Cd 2+2+3.883.884.954.95Rb Rb+3.163.164.624.62Ni Ni 2+2+3.933.934.994.99Cs Cs+3.253.254.664.66Ca Ca 2+2+5.165.167.277.27A
37、g Ag+8.518.5122.922.9Sr Sr 2+2+6.516.5110.110.1Tl Tl+1.241.2428.528.5Pb Pb 2+2+9.919.9118.018.0UOUO2 2 2+2+2.452.453.343.34Ba Ba 2+2+11.511.520.820.8本讲稿第六十一页，共七十页离子交换树脂的再生离子交换树脂的再生n n离子交换树脂的再生是使用过程中的一个重要步骤。再生条件是评价离子交换树脂的重要指标。不同类型的树脂应选择不同再生剂进行再生。再生剂种类、再生剂浓度、用量、流速、温度和再生方式都会影响再生效率。本讲稿第六十二页，共七十页n n不同类型离
38、子交换树脂的常用再生剂 本讲稿第六十三页，共七十页n n4、离子交换速度n n 离子交换的可能与否，在很大程度上依赖于树脂的选择性，而离子交换速度则往往影响离子交换的效果。离子交换树脂的应用常常是在动态下进行的，因此控制好离子交换速度对离子交换的进行显很更为重要。n n 对于钠型阳离子交换树脂与溶液中的Ca2+，实际的离子交换过程是由如下相对速率组成：本讲稿第六十四页，共七十页本讲稿第六十五页，共七十页n n Ca2+离子从溶液通过树脂表面的液膜(或边界层)，到达树脂表面。n n Ca2+从树脂表而向树脂孔道中迁移，并达到有效的交换位置上。n n 在交换点Ca2+与Na+进行交换反应。n n
39、Na+从树脂内部迁移到树脂表面。n n Na+穿过树脂表面的液膜进入水溶液。n n其中，膜扩散和粒内扩散的速度控制了离子交换的速度 本讲稿第六十六页，共七十页n n 影响膜扩散和粒内扩散的主要因素是：影响膜扩散和粒内扩散的主要因素是：n n 溶液流速。膜扩散随溶液过柱流速溶液流速。膜扩散随溶液过柱流速(或静态搅拌速或静态搅拌速度度)的增加而增加，粒内扩散基本不受流速或搅拌的影的增加而增加，粒内扩散基本不受流速或搅拌的影响。响。n n 树脂粒径。离子的膜扩散速度与树脂颗粒大小成反比而离子的粒内扩散速度与粒径倒数的高次方成反比。n n 溶液浓度。当溶液中离子浓度较低时，而膜扩散速溶液浓度。当溶液中
40、离子浓度较低时，而膜扩散速度影响较大。对粒内扩散影响较小；当溶液中离子浓度度影响较大。对粒内扩散影响较小；当溶液中离子浓度较高时，对粒内扩散影响较大，而对膜扩散影响较小。较高时，对粒内扩散影响较大，而对膜扩散影响较小。n n 树脂交联度。树脂交联度对膜扩散影响较小，而对粒树脂交联度。树脂交联度对膜扩散影响较小，而对粒扩散影响更为显著。扩散影响更为显著。本讲稿第六十七页，共七十页离子交换树脂的功能和应用离子交换树脂的功能和应用 n n(一)功能n n 1离子交换。n n 2催化作用。n n 3吸附作用。n n 4。脱水作用。n n 5脱色作用。本讲稿第六十八页，共七十页n n(二)应用n n由于具有以上功能，离子交换树脂可用于物质的净化、浓缩、分离、物质脱色及催化剂等方面，成为许多工业部门和科技领域不可缺少的重要材料之一。本讲稿第六十九页，共七十页离子交换树脂的主要用途离子交换树脂的主要用途本讲稿第七十页，共七十页