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1、关于离子交换分离(2)第1页，讲稿共93张，创作于星期二一、离子交换一、离子交换(ion exchange)概念：离子交换分离离子交换分离是利用是利用离子交换剂离子交换剂与溶液中与溶液中欲分离的欲分离的离子离子之间发生之间发生交换反应交换反应而实现分离的方而实现分离的方法，是在法，是在固液两相固液两相中进行的单元操作。中进行的单元操作。5.1 概概 述述第2页，讲稿共93张，创作于星期二5.1 概 述二、离子交换法的特点：二、离子交换法的特点：选择性高选择性高选择性高选择性高：主要去除：主要去除：主要去除：主要去除离子化的物质离子化的物质离子化的物质离子化的物质，并进行等，并进行等，并进行等，
2、并进行等 物物物物质的量交换；质的量交换；质的量交换；质的量交换；去除效率高去除效率高去除效率高去除效率高；适用性强适用性强适用性强适用性强，应用范围广，应用范围广，应用范围广，应用范围广(无机、有机及高纯物的制备）无机、有机及高纯物的制备）无机、有机及高纯物的制备）无机、有机及高纯物的制备）；交换剂可交换剂可交换剂可交换剂可反复使用反复使用反复使用反复使用；操作简便操作简便，分离容易，分离容易 缺点：缺点：缺点：缺点：分离周期长，耗时过多。分离周期长，耗时过多。分离周期长，耗时过多。分离周期长，耗时过多。第3页，讲稿共93张，创作于星期二5.1 5.1 概概 述述三、离子交换分离法的发展历史
3、三、离子交换分离法的发展历史(1)1850(1)1850年，英国农业化学家年，英国农业化学家H.S.TompsonH.S.Tompson和和J.T.WayJ.T.Way发现发现离子交换现象离子交换现象用硫酸铵或碳酸铵处理土壤时，铵离子被吸收而析出钙；土壤也是一种无机离子交换剂.第4页，讲稿共93张，创作于星期二5.1 5.1 概概 述述(2)1935(2)1935年，年，B.A.AdamsB.A.Adams和和E.L.HolmesE.L.Holmes合成离子交换树脂合成离子交换树脂合成了高分子材料聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂合成了高分子材料聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交
4、换树脂；和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交换树脂；这是离子交换分离技术的最重要的里程碑；这是离子交换分离技术的最重要的里程碑；二战期间，德国大量合成离子交换树脂，并用于水处二战期间，德国大量合成离子交换树脂，并用于水处理；理；战后，英、美、苏、日等国也大力发展离子交换技战后，英、美、苏、日等国也大力发展离子交换技术。术。第5页，讲稿共93张，创作于星期二5.1 5.1 概概 述述(3)1945(3)1945年，美国人年，美国人G.F.dG.F.d AlelioAlelio合成聚苯乙烯阳离子交合成聚苯乙烯阳离子交换树脂换树脂后来又合成了性能良好的聚苯乙烯系和聚丙烯酸系的离子交换树脂；后来又合成了性能良好
5、的聚苯乙烯系和聚丙烯酸系的离子交换树脂；离子交换分离成为低能耗、高效率的分离技术。离子交换分离成为低能耗、高效率的分离技术。第6页，讲稿共93张，创作于星期二5.1 5.1 概概 述述(4)20(4)20世纪世纪6060年代以后，离子交换树脂的合成与离子交换分离技术取得年代以后，离子交换树脂的合成与离子交换分离技术取得了突飞猛进的发展了突飞猛进的发展R.KuninR.Kunin等合成了一系列大孔离子交换树脂，该类树脂的多孔结构等合成了一系列大孔离子交换树脂，该类树脂的多孔结构兼具离子交换和吸附两种功能。兼具离子交换和吸附两种功能。各种载体和功能基化的离子交换树脂层出不穷各种载体和功能基化的离子
6、交换树脂层出不穷高效离子色谱分析法的诞生高效离子色谱分析法的诞生 离子交换分离柱与电导检测器结合离子交换分离柱与电导检测器结合的产物。的产物。第7页，讲稿共93张，创作于星期二 (一一)给水处理给水处理 硬水软化、脱盐硬水软化、脱盐 纯水、高纯水的制备纯水、高纯水的制备 (二二)废水处理废水处理 废水中金属离子废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+(三三)工业生产工业生产 产品的提纯产品的提纯 四、离子交换法的应用四、离子交换法的应用5.1 概概 述述第8页，讲稿共93张，创作于星期二5.2 离子交换剂第9页，讲稿共93张，创作于星期二5.2 离子交换剂离子交换剂离子交换剂离子
7、交换剂是指带有可交换离子（阴离子是指带有可交换离子（阴离子或阳离子或阳离子 ）的不溶性固体，它能与溶液中）的不溶性固体，它能与溶液中带有同种电荷的离子进行置换。带有同种电荷的离子进行置换。如：如：Resin-SO3H、Resin-N(CH3)3OH等等第10页，讲稿共93张，创作于星期二 一、离子交换剂的一、离子交换剂的分类分类 分为无机和有机两大类：分为无机和有机两大类：天然：海绿石、粘土、天然沸石等，性能不够天然：海绿石、粘土、天然沸石等，性能不够 无机类无机类 稳定，交换容量小，颗粒易破碎；稳定，交换容量小，颗粒易破碎；人造：人工合成沸石、分子筛、杂多酸等，在选人造：人工合成沸石、分子筛
8、、杂多酸等，在选 择性、交换容量、物理性能择性、交换容量、物理性能均有改进均有改进;天然：磺化煤天然：磺化煤 有机类有机类 人造：人造：离子交换树脂离子交换树脂是以高分子聚合物为是以高分子聚合物为是以高分子聚合物为是以高分子聚合物为骨骨骨骨 架，反应引入活性架，反应引入活性架，反应引入活性架，反应引入活性基团构成的。基团构成的。基团构成的。基团构成的。第11页，讲稿共93张，创作于星期二5.2 离子交换剂离子交换剂无机无机离子交换剂的离子交换剂的缺点缺点：1 1、交换能力低、交换能力低 2 2、化学稳定性差、化学稳定性差 3 3、机械稳定性差、机械稳定性差 有机有机离子交换剂的离子交换剂的特点
9、特点：1.1.具有空间网状结构；具有空间网状结构；2.2.难溶于水、酸、碱和有机溶剂；难溶于水、酸、碱和有机溶剂；3.3.较稳定（热、机械、化学）；较稳定（热、机械、化学）；4.4.含活性基团含活性基团（-SO3H、-COOH、NOH等等）第12页，讲稿共93张，创作于星期二二、二、离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构离子交换树脂离子交换树脂是一类是一类具有空间网状结构具有空间网状结构的的有机有机高分子聚合物高分子聚合物，在这种网状结构的骨架上有许多可被在这种网状结构的骨架上有许多可被交换的活性基团，交换的活性基团，一般为一般为固体球形颗粒固体球形颗粒，粒径为，粒径为0.3-1.2mm，不溶于
10、水和电解质。，不溶于水和电解质。第13页，讲稿共93张，创作于星期二 树脂的结构离子交离子交换树脂换树脂母体母体(骨架骨架)活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子苯乙烯苯乙烯(单体单体)+二乙烯苯二乙烯苯(交联剂交联剂)母体母体共聚共聚H2SO4功功能能基基反反应应R SO3 H固定离子固定离子 可交换离子可交换离子可交换离子可交换离子母体母体离子交换树脂的结构第14页，讲稿共93张，创作于星期二例例：制备制备聚苯乙烯聚苯乙烯磺酸基磺酸基阳离子阳离子交换树脂交换树脂nnnn聚合第15页，讲稿共93张，创作于星期二浓浓H2SO4Ag2SO4SO3HSO3HSO3HSO3Hnn
11、 nn第16页，讲稿共93张，创作于星期二离子交换树脂的结构骨架（载体）骨架（载体）三维网状空间结构，载体不参与离子三维网状空间结构，载体不参与离子交换反应。交换反应。功能基团功能基团（交换基团）（交换基团）离子交换反应位置离子交换反应位置固定离子固定离子（惰性离子）（惰性离子）与载体牢固结合，不能自由移动的与载体牢固结合，不能自由移动的离子。离子。反离子反离子（可交换离子（可交换离子）功能基团是树脂具有交换选择功能基团是树脂具有交换选择性的原因性的原因 离子交换树脂结构模型离子交换树脂结构模型-SO3H：活性基团（：活性基团（-SO3固定离子，固定离子，H+交换离子交换离子）第17页，讲稿共
12、93张，创作于星期二按选择性分按结构分离子交离子交换树脂换树脂凝胶型凝胶型等孔型等孔型孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大、均匀，抗有机污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。大孔型大孔型离子交离子交换树脂换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性弱碱性阴离子交换树脂阴离子交换树脂 RNH3OH强碱性强碱性阴离子交换树脂阴离子交换树脂 R NOH弱酸性弱酸性阳离子交换树脂阳离子交换树脂 RCOOH强酸性强酸性阳离子交换树脂阳离子交换
13、树脂 RSO3H三、三、离子交换树脂的种类离子交换树脂的种类第18页，讲稿共93张，创作于星期二凝胶型树脂：网孔凝胶型树脂：网孔2-4nm，比表面一般为，比表面一般为 2120 m2/g。大孔型树脂：网孔大孔型树脂：网孔20-120nm，比表面一般为，比表面一般为0.1 m2/g。第19页，讲稿共93张，创作于星期二a a、阳离子交换树脂、阳离子交换树脂 含有含有酸性基团酸性基团（多为羧酸基），在溶液中可离解（多为羧酸基），在溶液中可离解出阳离子，出阳离子，与溶液中的阳离子交换。与溶液中的阳离子交换。据交换基团酸性的强弱，分为据交换基团酸性的强弱，分为强酸强酸性，性，弱酸弱酸性。性。OH强酸性
14、强酸性中等酸性中等酸性弱酸性弱酸性(1)强酸性强酸性阳离子交换树脂阳离子交换树脂 含有强酸性活泼基团含有强酸性活泼基团含有强酸性活泼基团含有强酸性活泼基团-SO-SO3 3H,H,可分为可分为可分为可分为聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯型和型和型和型和酚醛酚醛酚醛酚醛型。型。型。型。第20页，讲稿共93张，创作于星期二特点：特点：淡黄色球状颗粒；淡黄色球状颗粒；化学稳定性好，耐磨性好；化学稳定性好，耐磨性好；在酸性、碱性和中性介质中都可使用；在酸性、碱性和中性介质中都可使用；交换反应速度快；交换反应速度快；无机、有机阴离子均可交换。无机、有机阴离子均可交换。强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂强酸性苯
15、乙烯型阳离子交换树脂第21页，讲稿共93张，创作于星期二（2 2 2 2）弱酸性弱酸性阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂含有弱酸性活泼基团，如：含有弱酸性活泼基团，如：-COOH、-OH等。等。此类树脂的交换能力受此类树脂的交换能力受酸度酸度的影响较大。的影响较大。对对亲合亲合力大，不宜在酸介质中使用，力大，不宜在酸介质中使用，R-COOH 应在应在pH=6以上以上的溶液中使用；的溶液中使用；R-OH 应在应在pH=9以上的溶液中使用。以上的溶液中使用。第22页，讲稿共93张，创作于星期二三、离子交换树脂的种类三、离子交换树脂的种类 b.阴离子阴离子交换树脂交换树脂交换树
16、脂交换树脂：含有含有碱性基团碱性基团，在溶液中可离解出阴离子。，在溶液中可离解出阴离子。如如如如RNHRNH2 2，-NH-NH2 2水水水水合后形成含有可离解的合后形成含有可离解的合后形成含有可离解的合后形成含有可离解的-OH-OH-，和其他的阴离子交换，和其他的阴离子交换，和其他的阴离子交换，和其他的阴离子交换。R-N(CH3)3OH+Cl-=R-N(CH3)3Cl +OH-强碱性强碱性：N（季胺基季胺基，如，如-NR3OH）离解性很强，使用的）离解性很强，使用的pH没有限制，一般用强碱进行再生；没有限制，一般用强碱进行再生；R-NR3OH=R-NR3+OH-弱碱性：弱碱性：伯胺基伯胺基（
17、-NH2），），仲胺基仲胺基(-NHR)，叔胺基叔胺基(-NR2),对对OH-的亲和力大，在碱性溶液中，失去交换能力，故不宜在的亲和力大，在碱性溶液中，失去交换能力，故不宜在碱介质中使用，用碱介质中使用，用Na2CO3等再生。等再生。ClCl型的阴离子交换树脂较稳定型的阴离子交换树脂较稳定型的阴离子交换树脂较稳定型的阴离子交换树脂较稳定。第23页，讲稿共93张，创作于星期二弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂 第24页，讲稿共93张，创作于星期二 c.特殊的离子交换树脂特殊的离子交换树脂
18、 选择性好，可用于阴、阳离子的分离。选择性好，可用于阴、阳离子的分离。（1 1）螯合树脂）螯合树脂：对对金属离子金属离子具有较高选择性，具有较高选择性，功能基为胺羧基功能基为胺羧基-N(CH2COOH)2，能与金属离子，能与金属离子形成多配位络合物。形成多配位络合物。特点：选择性好，稳定性高，但交换速度较为缓慢，特点：选择性好，稳定性高，但交换速度较为缓慢，制备成本高。制备成本高。螯合树脂的分类螯合树脂的分类（按螯合基团分）（按螯合基团分）亚氨基二乙酸型树脂亚氨基二乙酸型树脂8-8-羟基喹啉型树脂和羟基喹啉型树脂和8-8-氨基喹啉型树脂氨基喹啉型树脂水杨酸型水杨酸型 冠醚型冠醚型 三、离子交换
19、树脂的种类三、离子交换树脂的种类第25页，讲稿共93张，创作于星期二从分离的角度看，高选择性的螯合树脂是离子交换树脂从分离的角度看，高选择性的螯合树脂是离子交换树脂的发展方向。的发展方向。例如：例如：新合成的氨羧型新合成的氨羧型LZ-85LZ-85树脂能选择性地从大量钴中分离树脂能选择性地从大量钴中分离出微量镍。出微量镍。又如：又如：含亚氨基二乙酸基的树脂，对含亚氨基二乙酸基的树脂，对Cu2、Co2、Ni2具有高选择性具有高选择性。第26页，讲稿共93张，创作于星期二(2)(2)凝胶型树脂凝胶型树脂 具有均相高分子具有均相高分子凝胶结构凝胶结构，颗粒内部由单体聚合成的链状大，颗粒内部由单体聚合
20、成的链状大分子在交联剂的连接下，组成了空间结构，树脂内部空隙很小，分子在交联剂的连接下，组成了空间结构，树脂内部空隙很小，在在300nm300nm以下，称为凝胶孔或化学孔。以下，称为凝胶孔或化学孔。凝胶型树脂吸水后溶胀，水分子进入树脂内部，凝胶型树脂吸水后溶胀，水分子进入树脂内部，凝胶型树脂吸水后溶胀，水分子进入树脂内部，凝胶型树脂吸水后溶胀，水分子进入树脂内部，形成细形成细形成细形成细微孔隙微孔隙微孔隙微孔隙，平均孔径为，平均孔径为，平均孔径为，平均孔径为20A20A40A40A，适于分离半径，适于分离半径，适于分离半径，适于分离半径10A10A的无机离子。的无机离子。的无机离子。的无机离子
21、。特点：树脂干燥后特点：树脂干燥后特点：树脂干燥后特点：树脂干燥后失去交换能力（无孔状态），必须在水中溶胀失去交换能力（无孔状态），必须在水中溶胀失去交换能力（无孔状态），必须在水中溶胀失去交换能力（无孔状态），必须在水中溶胀后方可使用，不适于油类的物质。后方可使用，不适于油类的物质。后方可使用，不适于油类的物质。后方可使用，不适于油类的物质。三、离子交换树脂的种类三、离子交换树脂的种类第27页，讲稿共93张，创作于星期二(3)大孔树脂大孔树脂 在在树树脂脂聚聚合合过过程程中中加加入入致致孔孔剂剂，它它们们在在树树脂脂中中预预先先留留下下孔孔道道，但但并并不参与反应，在骨架形成后取出致孔剂，留
22、下永久的孔道。不参与反应，在骨架形成后取出致孔剂，留下永久的孔道。大孔树脂内部具有更多、更大的孔道和比表面积，大孔树脂内部具有更多、更大的孔道和比表面积，大孔树脂内部具有更多、更大的孔道和比表面积，大孔树脂内部具有更多、更大的孔道和比表面积，孔径平均孔径平均为为20010002001000，离子容易迁移扩散，交换速度快离子容易迁移扩散，交换速度快离子容易迁移扩散，交换速度快离子容易迁移扩散，交换速度快适于大分子物适于大分子物适于大分子物适于大分子物质的分离。质的分离。质的分离。质的分离。特点：特点：特点：特点：可溶于水和非水体系，不需溶胀，耐氧化、耐磨、可溶于水和非水体系，不需溶胀，耐氧化、耐
23、磨、可溶于水和非水体系，不需溶胀，耐氧化、耐磨、可溶于水和非水体系，不需溶胀，耐氧化、耐磨、耐冷热变化，具有较高的稳定性；耐冷热变化，具有较高的稳定性；耐冷热变化，具有较高的稳定性；耐冷热变化，具有较高的稳定性；减少了减少了减少了减少了 “有机污染有机污染有机污染有机污染”现象现象现象现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。的比表面积，以适应不同的分离要求。的比表面积，以适应
24、不同的分离要求。的比表面积，以适应不同的分离要求。例：例：国产国产D202#钠型大孔阳离子交换树脂钠型大孔阳离子交换树脂三、三、离子交换树脂的种类离子交换树脂的种类第28页，讲稿共93张，创作于星期二 1.59nm，av.24nm 10500nm，av.20100nm第29页，讲稿共93张，创作于星期二 (4)萃淋树脂萃淋树脂 一含有液态萃取剂的树脂，一含有液态萃取剂的树脂，犹如将萃取液涂犹如将萃取液涂抹于载体上，抹于载体上，兼有离子交换和萃取法的优点，用于贵兼有离子交换和萃取法的优点，用于贵金属制备分离。金属制备分离。例例：TBP萃淋树脂可用于分离工业废水中的萃淋树脂可用于分离工业废水中的C
25、r()；P507 萃淋树脂可用于分离稀土元素。萃淋树脂可用于分离稀土元素。三、离子交换树脂的种类三、离子交换树脂的种类第30页，讲稿共93张，创作于星期二(5)氧化还原树脂氧化还原树脂（电子交换树脂）（电子交换树脂）含有可逆的氧化还原基团，可与溶液中离子发生含有可逆的氧化还原基团，可与溶液中离子发生电子转移反应，而不引入杂质。电子转移反应，而不引入杂质。例例：如聚乙烯氢醌树脂，：如聚乙烯氢醌树脂，E0=+0.23 v，离子通过树脂，离子通过树脂时按时按E的大小发生氧化或还原，可用此树脂除水中的大小发生氧化或还原，可用此树脂除水中DO。三、离子交换树脂的种类三、离子交换树脂的种类第31页，讲稿共
26、93张，创作于星期二(6)纤维交换剂纤维交换剂(离子交换纤维素离子交换纤维素)：在天然纤维素上接上活在天然纤维素上接上活性基团，对其上的羟基进行脂化、磷酸化、羧基化后，即可性基团，对其上的羟基进行脂化、磷酸化、羧基化后，即可得离子交换纤维。得离子交换纤维。特点特点：颗粒较小，颗粒较小，骨架松散、骨架松散、骨架松散、骨架松散、亲水性强，亲水性强，表面积大，表面积大，交换容交换容交换容交换容量大、量大、量大、量大、大分子能自由地进入和迅速地扩散，大分子能自由地进入和迅速地扩散，稳定，交换速度快，稳定，交换速度快，容易容易洗涤。洗涤。常用的离子交换纤维素有：常用的离子交换纤维素有：常用的离子交换纤维
27、素有：常用的离子交换纤维素有：二乙基氨基乙基纤维素二乙基氨基乙基纤维素羧甲基纤维素羧甲基纤维素甲基磺酸纤维素甲基磺酸纤维素 离子交换纤维素离子交换纤维素特别适用于分离那些水溶性的大分子物质，如蛋白特别适用于分离那些水溶性的大分子物质，如蛋白质、多糖、酸性多糖等。质、多糖、酸性多糖等。三、离子交换树脂的种类三、离子交换树脂的种类第32页，讲稿共93张，创作于星期二四、四、四、四、离子交换树脂的理化性能离子交换树脂的理化性能离子交换树脂的理化性能离子交换树脂的理化性能形状形状：透明或半透明的球状珠体：透明或半透明的球状珠体,要求圆球率要求圆球率9090以上。以上。颜色颜色：白、浅黄、赤褐色。：白、
28、浅黄、赤褐色。粒径粒径粒径粒径：通常为数百微米，要求粒径分布范围窄，通常为数百微米，要求粒径分布范围窄，16 6016 60目目目目90%90%；含水量含水量含水量含水量：0.30.7g/g 0.30.7g/g 湿树脂；湿树脂；湿树脂；湿树脂；密度：密度：密度：密度：干真密度、湿真密度、湿视密度干真密度、湿真密度、湿视密度干真密度、湿真密度、湿视密度干真密度、湿真密度、湿视密度 交换容量交换容量交换容量交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量；：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量；：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量；：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量；交联度交联
29、度交联度交联度：4-14%4-14%为宜；为宜；为宜；为宜；稳定性稳定性稳定性稳定性：化学稳定性、热稳定性；：化学稳定性、热稳定性；：化学稳定性、热稳定性；：化学稳定性、热稳定性；溶胀性溶胀性溶胀性溶胀性：溶胀前后的体积的变化。：溶胀前后的体积的变化。：溶胀前后的体积的变化。：溶胀前后的体积的变化。第33页，讲稿共93张，创作于星期二（1）交换容量交换容量即树脂交换能力的大小。即树脂交换能力的大小。重量法表示：单位重量干树脂中离子交换基团的数量，重量法表示：单位重量干树脂中离子交换基团的数量，用用mmol/g 或或 mol/kg 表示。表示。容积法表示：容积法表示：单位体积湿树脂中离子交换基团
30、的数量，单位体积湿树脂中离子交换基团的数量，用用mmol/L 或或 mol/m3表示表示。（常用）。（常用）它取决于树脂网状结构所含的活性基团的数目，交换容量可用它取决于树脂网状结构所含的活性基团的数目，交换容量可用实验方法测定。弱酸性或弱碱性树脂的交换容量与实验方法测定。弱酸性或弱碱性树脂的交换容量与pH值有关。值有关。第34页，讲稿共93张，创作于星期二交换容量交换容量全全交换容量：交换容量：指树脂中能够起交换作用的活性基团的总数。指树脂中能够起交换作用的活性基团的总数。一般树脂的交换容量为一般树脂的交换容量为36 mmol/g。工作工作交换容量（交换容量（有效有效交换容量）：交换容量）：
31、指在动态工作条件下，指在动态工作条件下，所测得的能发挥交换作用的活性基团的数量。由于运行条件所测得的能发挥交换作用的活性基团的数量。由于运行条件的限制，不同条件下测得的工作容量不同。的限制，不同条件下测得的工作容量不同。其大小与溶液中其大小与溶液中离子的浓度离子的浓度、树脂层高度树脂层高度、流速流速、树脂粒度树脂粒度的大的大小以及交换小以及交换基团的类型基团的类型等因素有关。等因素有关。第35页，讲稿共93张，创作于星期二 交换容量的交换容量的测定方法测定方法可参看国家标准：可参看国家标准：GB5760-86阴离子阴离子交换树脂交换容量测定方法交换树脂交换容量测定方法 GB8144-87阳离子
32、阳离子交换树脂交换容量测定方法交换树脂交换容量测定方法GB11992-89氯型氯型强碱强碱性离子交换树脂交换容量测定方法。性离子交换树脂交换容量测定方法。离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第36页，讲稿共93张，创作于星期二例：例：强酸性强酸性阳离子交换树脂交换容量测定方法阳离子交换树脂交换容量测定方法 称称 1 g 干树脂于干树脂于 250 mL 干燥锥形瓶中干燥锥形瓶中,加入加入 100 mL 0.1 mol/L NaOH 后后,塞紧塞紧,充分振荡充分振荡,放置放置 24 h。吸取。吸取 25 mL 上清液于另一干净的锥形瓶中上清液于另一干净的锥形瓶中,加入酚酞溶液加入酚酞溶液,
33、用用0.1 mol/L HCl 滴定至无色为终点。滴定至无色为终点。离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标交换容量的测定交换容量的测定第37页，讲稿共93张，创作于星期二 将强酸型离子交换树脂处理成将强酸型离子交换树脂处理成H型，装柱，用型，装柱，用水洗至中性。将水洗至中性。将5.10 mL 0.2340 mol/L的的CaCl2溶液加入到该树脂柱中，再用水洗至中性。淋洗溶液加入到该树脂柱中，再用水洗至中性。淋洗液用液用 0.1020 mol/L NaOH滴定，消耗滴定，消耗20.50 mL。Ca2+在该树脂上的交换率为在该树脂上的交换率为 。交换率的测定交换率的测定离子交换树脂的性能指
34、标离子交换树脂的性能指标第38页，讲稿共93张，创作于星期二（2）交联度交联度 树脂中所含交联剂的质量百分率。树脂中所含交联剂的质量百分率。它反映了树脂骨架中反映了树脂骨架中网孔的大小，是离子交换树脂的重要性质之一。网孔的大小，是离子交换树脂的重要性质之一。例如：例如：用用用用8888份苯乙烯与份苯乙烯与份苯乙烯与份苯乙烯与1212份二乙烯苯合成的树脂，其交联度份二乙烯苯合成的树脂，其交联度份二乙烯苯合成的树脂，其交联度份二乙烯苯合成的树脂，其交联度为为为为 12%12%。通常，树脂的交联度以通常，树脂的交联度以4-14%为宜为宜。交联度小，溶胀性能好，网眼大，交换速度快；交联度小，溶胀性能好
35、，网眼大，交换速度快；交联度交联度，网眼，网眼，选择性，选择性，颗粒在网眼的扩散颗粒在网眼的扩散，交换容量，交换容量，溶胀性，溶胀性 离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第39页，讲稿共93张，创作于星期二 （3 3）溶胀性）溶胀性树脂的溶胀树脂的溶胀用水浸泡树脂，由于水的渗入，活用水浸泡树脂，由于水的渗入，活用水浸泡树脂，由于水的渗入，活用水浸泡树脂，由于水的渗入，活性基团发生离解、水合作用，使树脂的网眼增大，性基团发生离解、水合作用，使树脂的网眼增大，性基团发生离解、水合作用，使树脂的网眼增大，性基团发生离解、水合作用，使树脂的网眼增大，体积膨胀。体积膨胀。体积膨胀。体积膨胀。溶胀
36、率溶胀率溶胀前后的体积差与溶胀前体积之比溶胀前后的体积差与溶胀前体积之比影响因素影响因素树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第40页，讲稿共93张，创作于星期二（4）含水）含水率率充分溶胀的湿树脂所含的溶胀水的重量占湿树脂总重的充分溶胀的湿树脂所含的溶胀水的重量占湿树脂总重的百分比。一般在百分比。一般在5%左右。左右。树脂中也有树脂中也有游离水游离水或或表面水表面水，但
37、能用离心法去除，这种，但能用离心法去除，这种水分并非化合水，与树脂的性质无关。水分并非化合水，与树脂的性质无关。离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第41页，讲稿共93张，创作于星期二（5）密度）密度 三种表示方法：三种表示方法：干真密度干真密度、湿真密度湿真密度、湿视密度湿视密度干真密度干真密度树脂在干燥时的真实密度，一般用树脂在干燥时的真实密度，一般用g/mLg/mL表示表示 干真密度干真密度 =干树脂质量干树脂质量/树脂颗粒的真体积树脂颗粒的真体积湿真密度湿真密度树脂充分溶胀后，树脂颗粒的密度，单位同上。树脂充分溶胀后，树脂颗粒的密度，单位同上。湿真密度湿真密度 =湿树脂质量湿树
38、脂质量/湿树脂颗粒的真体积湿树脂颗粒的真体积 湿颗粒的体积包括：溶胀水分、颗粒内部间隙水，但湿颗粒的体积包括：溶胀水分、颗粒内部间隙水，但不包括颗粒间的间隙水。一般不包括颗粒间的间隙水。一般为为1.04-1.30 g/mL.g/mL.湿视密度湿视密度树脂充分溶胀后的堆积密度。树脂充分溶胀后的堆积密度。湿视密度湿树脂质量湿树脂堆积体积湿视密度湿树脂质量湿树脂堆积体积 该密度用于计算离子交换柱中湿树脂的装载重量，一般为该密度用于计算离子交换柱中湿树脂的装载重量，一般为0.60-0.85g/mL.0.60-0.85g/mL.离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第42页，讲稿共93张，创作于星
39、期二（6 6）热稳定性）热稳定性树脂的活性基团受热会发生分解或脱落。树脂的活性基团受热会发生分解或脱落。不同树脂的热稳定性不同。强碱性阴离子交换树脂的最高使用温度不同树脂的热稳定性不同。强碱性阴离子交换树脂的最高使用温度通常在通常在4060，稳定性最高的弱酸性树脂虽说在接近，稳定性最高的弱酸性树脂虽说在接近200 C也也不会立即被破坏，但通常不宜超过不会立即被破坏，但通常不宜超过100 C。弱酸性弱酸性强酸性强酸性弱碱性弱碱性强碱性强碱性离子交换树脂的性能指标离子交换树脂的性能指标第43页，讲稿共93张，创作于星期二不同类型离子交换树脂的有效不同类型离子交换树脂的有效pHpH值范围值范围 树脂
40、类型 有效pH值范围 强酸性阳离子交换树脂 014 弱酸性阳离子交换树脂 414 强碱性阴离子交换树脂 014 弱碱性阴离子交换树脂 07第44页，讲稿共93张，创作于星期二5.3 5.3 离子交换的基本理论离子交换的基本理论第45页，讲稿共93张，创作于星期二5.3 5.3 离子交换的基本理论离子交换的基本理论一、一、离子交换反应离子交换反应 当离子交换树脂与溶液接触时，树脂上的可交换离子当离子交换树脂与溶液接触时，树脂上的可交换离子就会与溶液中相同电荷的离子发生交换反应。如：就会与溶液中相同电荷的离子发生交换反应。如：阳离子交换：阳离子交换：R-SO3H NaCl R-SO3Na HCl阴
41、离子交换：阴离子交换：R-N(CH3)3OH NaCl R-N(CH3)3Cl NaOH螯合离子交换：螯合离子交换：R-N(CH2COONa)2 Cu2+R-N(CH2COO)2Cu 2Na+第46页，讲稿共93张，创作于星期二 离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中离子之间的置换反应，离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中离子之间的置换反应，离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中离子之间的置换反应，离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中离子之间的置换反应，其反应一般是可逆的。其反应一般是可逆的。其反应一般是可逆的。其反应一般是可逆的。由于反应是可逆的，进行的方向主要取决于树脂
42、相和溶液相中各由于反应是可逆的，进行的方向主要取决于树脂相和溶液相中各由于反应是可逆的，进行的方向主要取决于树脂相和溶液相中各由于反应是可逆的，进行的方向主要取决于树脂相和溶液相中各种离子的种离子的种离子的种离子的相对浓度相对浓度相对浓度相对浓度。树脂相和溶液相中树脂相和溶液相中树脂相和溶液相中树脂相和溶液相中离子浓度差离子浓度差离子浓度差离子浓度差作为推动力，推动着离子由高浓度相作为推动力，推动着离子由高浓度相作为推动力，推动着离子由高浓度相作为推动力，推动着离子由高浓度相向低浓度相移动。当反应进行到一定程度时，就达到了向低浓度相移动。当反应进行到一定程度时，就达到了向低浓度相移动。当反应进
43、行到一定程度时，就达到了向低浓度相移动。当反应进行到一定程度时，就达到了离子交换平衡离子交换平衡离子交换平衡离子交换平衡状态状态状态状态。此时，。此时，。此时，。此时，每种离子在树脂相中的化学势与在溶液相中的化学势相每种离子在树脂相中的化学势与在溶液相中的化学势相等，即：等，即：一、一、一、一、离子交换离子交换离子交换离子交换反应反应第47页，讲稿共93张，创作于星期二 特点：特点：符合质量作用定律符合质量作用定律;等当量进行的同性离子的互换反应等当量进行的同性离子的互换反应;具有饱和性具有饱和性;树脂母体和固定离子不发生变化。树脂母体和固定离子不发生变化。一、一、一、一、离子交换离子交换离子
44、交换离子交换反应反应第48页，讲稿共93张，创作于星期二 1、热力学平衡常数、热力学平衡常数 Ka 离子交换平衡可用离子交换平衡可用平衡常数平衡常数来来表示。表示。对于离子交换反应：对于离子交换反应：离子上方的横线表示该离子存在于树脂相。离子上方的横线表示该离子存在于树脂相。达到平衡后，热力学平衡常数为：达到平衡后，热力学平衡常数为：二二、离子交换离子交换平衡平衡第49页，讲稿共93张，创作于星期二为了计算为了计算热力学平衡常数热力学平衡常数Ka，需要在平衡状态下测定离子在两相中，需要在平衡状态下测定离子在两相中的活度，而离子在树脂相的活度是难以测定的。的活度，而离子在树脂相的活度是难以测定的
45、。在稀溶液中，离子的活度系数非常接近于在稀溶液中，离子的活度系数非常接近于1，可近似的用浓度来代，可近似的用浓度来代替活度。即替活度。即在一定条件下，在一定条件下，K值的大小表示树脂对值的大小表示树脂对Na+交换能力的强弱，又交换能力的强弱，又称为树脂对离子的称为树脂对离子的亲和力亲和力或或选择性选择性。如果如果 KNa+H+1，表示，表示树脂对树脂对Na+的亲和力的亲和力大于大于对对H+的亲和的亲和力，即力，即Na+比较牢固地结合在树脂上比较牢固地结合在树脂上如果如果 KNa+H+=1，则表示，则表示树脂对树脂对Na+和和H+的亲和力相同的亲和力相同第50页，讲稿共93张，创作于星期二二、二
46、、离子交换平衡离子交换平衡多价离子的交换多价离子的交换对于反应对于反应 对于一般反应对于一般反应：第51页，讲稿共93张，创作于星期二 推而广之，平衡常数推而广之，平衡常数 K KA AB B的大小说明：离子交换树脂的大小说明：离子交换树脂对对A+、B+两种离子的选择性，因此称为两种离子的选择性，因此称为选择性系数选择性系数。K KA AB B越大，离子交换树脂对越大，离子交换树脂对B+的的选择性选择性越大，越大，也就是也就是说交换树脂对的说交换树脂对的B+亲和力亲和力越大。越大。通常，通常，以以H+或或Li+为阳离子参考离子，以为阳离子参考离子，以Cl或或OH为阴离子参考离子。为阴离子参考离
47、子。参考离子不同，选择性系数的值也参考离子不同，选择性系数的值也不同。不同。2、选择性系数、选择性系数第52页，讲稿共93张，创作于星期二二、离子交换平衡二、离子交换平衡不同离子间的不同离子间的选择性系数选择性系数换算换算 选择性系数越大，该离子在树脂上的保留越强。已知两种离选择性系数越大，该离子在树脂上的保留越强。已知两种离子对于同一参考离子的选择性系数，即可计算该两种离子之间的子对于同一参考离子的选择性系数，即可计算该两种离子之间的选择性系数。选择性系数。例题：已知例题：已知 KNa,H=1.56,KK,H=2.28,计算计算KK,Na 解：解：KK,Na=KK,H/KNa,H=2.28/
48、1.56=1.46 可以推导出：可以推导出：KA,B=KA,C/KB,C 第53页，讲稿共93张，创作于星期二某些离子在阳离子树脂上的某些离子在阳离子树脂上的选择性系数选择性系数：阳离子阳离子交联度交联度阳离子阳离子交联度交联度Li+1.001.00Mg 2+3.293.51H+1.271.47Zn 2+3.473.78Na+1.982.37Co 2+3.743.81NH4+2.553.34Cu 2+3.854.46K+2.904.50Cd 2+3.884.95Rb+3.164.62Ni 2+3.934.99Cs+3.254.66Ca 2+5.167.27Ag+8.5122.9Sr 2+6.5
49、110.1Tl+1.2428.5Pb 2+9.9118.0UO2 2+2.453.34Ba 2+11.520.8第54页，讲稿共93张，创作于星期二二、二、离子交换平衡离子交换平衡3 3、分配系数（、分配系数（D D）在一定条件下（温度、酸度、络合剂种类、浓度等），达到交在一定条件下（温度、酸度、络合剂种类、浓度等），达到交换平衡时，某种离子在树脂相和溶液相之间的浓度比换平衡时，某种离子在树脂相和溶液相之间的浓度比,称称分配比分配比。通常的定义通常的定义：D D每克干树脂中某离子的摩尔数每克干树脂中某离子的摩尔数 /每毫升溶液中该离子的摩尔数每毫升溶液中该离子的摩尔数分配系数分配系数D D也反
50、映了离子与树脂的亲和力大小。也反映了离子与树脂的亲和力大小。分配系数与选择性系数的关系分配系数与选择性系数的关系：第55页，讲稿共93张，创作于星期二4 4、分离因数、分离因数 离子交换树脂对两种离子的分离能力、常以两种离子的分离子交换树脂对两种离子的分离能力、常以两种离子的分配系数配系数DA、DB之比、即分离因子表示：之比、即分离因子表示：SA/B 1，表示树脂对两种离子的吸附能力相同，两者难以，表示树脂对两种离子的吸附能力相同，两者难以 分离分离;SA/B偏离偏离1，则表示树脂对两种离子的吸附能力有差别；，则表示树脂对两种离子的吸附能力有差别；偏离越大，则两者越易分离。偏离越大，则两者越易