离子交换与吸附讲述.ppt

什么是吸附? 吸附是利用物质在固定相(吸附剂)与流动相(溶液)之间的不同分配来实现物质分离的方法。 分类: 离子交换吸附 通过离子间的静电引力以及其它化学键 吸附的是离子, 是等当量的离子交换 非离子交换吸附 通过分子间作用力或化学键 吸附的是分子,不存在等当量的离子交换 吸附体系: 由固定相和流动相组成，在同一个体系中两相不相溶。 固定相 离子交换剂 其它吸附剂 吸附树脂 活性炭 流动相 水相料液 解析剂 与溶剂萃取相比离子交换具有如下特点： 没有萃取法中有机相的夹带、溶解及乳化问题 操作简单，易掌握 离子交换树脂的交换容量有限，不宜处理浓溶液 速度较慢，用水量大 工业离子交换树脂的要求: 交换容量大 选择性好 交换速度大 强度大 稳定性好 解吸与再生容易 性能／价格比高 离子交换过程是被分离组分在水溶液与固体离子交换剂之间发生的一种化学计量分配过程。 吸附主要是通过离子交换剂上的固定基团与反离子间的静电引力,同时也可能存在其它化学键合。 与萃取类比： 酸性络合萃取（阳离子交换） 离子缔合萃取（阴离子交换） 道南平衡 将树脂表面设想成为一种半透膜，以阳离子交换为例(NaCl溶液),达到平衡时，膜两侧电解质的化学位应相等。 稀溶液中可用浓度代替活度 非交换吸入 如果RA型树脂与AY型电解质水溶液接触，因为树脂上的反离子与溶液中的可交换离子为同一种离子A，所以从表面上看，没有离子交换反应发生。但由于树脂中的微孔的毛细管吸入作用，中性电解质AY仍可被吸入交换剂内，只不过这时A和Y都不占据交换剂中的交换位置，这种作用称为非交换吸入。 道南势EDon: 当RA型阳树脂与强电解质AY的稀溶液接触时，树脂相中阳离子A＋的浓度远远大于稀溶液中A＋的浓度，故少量A＋从树脂相进入溶液相，而溶液中的极少量Y－进入树脂相，致使树脂相带负电荷，溶液相带正电荷，从而在两相间形式一个电势差，称之为道南势EDon。 道南排斥: 显然道南势一建立，静电作用将阻止A＋继续进一步离开树脂相，排斥Y－进入树脂相，直到浓度差所产生的作用与道南势的作用相抵消即达到平衡为止。离子交换树脂对电解质的这种排斥作用，通常称为道南排斥。所以一般情况下，稀溶液中可忽略中性分子进入树脂相。 道南排斥存在如下基本规律： 树脂内部与外部水溶液之间浓度差越大，Edon越大，排斥作用越强，电解质的非交换吸入量就越小。 当树脂的交联度增大或交换容量增大时，其内部反离子浓度亦将增大，如果此时外部溶液电解质浓度不变，则Edon大，电解质的非交换吸入量将会减少。 排斥作用与静电作用力有关。 同离子价数越高，越受排斥，如NaCl与Na2SO4相比较，后者更难以中性电解质形式进入阳树脂。 反离子价数越高，排斥作用越弱，如NaCl与CaCl2比，后者更易以中性分子形式进入阳树脂内。 电解质的非交换吸入规律： 随外部溶液浓度增加，即树脂相与外部水溶液电解质浓度差减少时，道南排斥作用减弱，中性电解质进入树脂相的问题即不能忽略。 当电解质低于0.1mol/L元电荷物质浓度时，可以忽略电解质的非交换吸入。 从动力学角度上说，离子交换过程的实质是 水相与树脂相之间的传质过程 离子交换反应有七个步骤： （1）在树脂相外部主体溶液中可交换离子A的对流扩散运动； （2）A离子通过颗粒周围液膜向内的扩散； （3）在颗粒内部A离子进行的扩散； （4）交换反应； （5）B离子在颗粒内部进行扩散； （6）B离子通过颗粒周围液膜向外的扩散； （7）B离子在主体溶液中的对流扩散。 第（1）与（7）步骤为对流扩散，其速率在10－2m/S数量级，而（4）为化学反应，其速率通常大于10－2m/S,因此都不可能成为速度的控制步骤。（2）与（6）步骤称为膜扩散，（3）与（5）步骤为粒扩散，其速率都在10－5m/S数量级，因此往往成为速度的控制步骤。 一般情况下，当树脂颗粒较粗，交联度较高，液相离子浓度较高，搅拌作用较强烈的情况下颗粒内扩散（PDC）容易成为速度控制步骤，而当树脂颗粒较细，交联度小，液相离子浓度低，搅拌作用较差时，离子通过液膜的扩散（FDC）容易成为速度控制步骤。 影响离子交换动力学的因素 内在因素 反应物及产物在水相及树脂相的扩散系数 树脂颗粒 反应物及产物浓度 外部因素 搅拌强度、温度 流出曲线和贯穿参量（饱和容量、穿透容量和交换区高度） 流出曲线的波形（斜率变化），宽度（贯穿点至饱和点），贯穿点出现的位置，三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线，它反映了“交换体系”“设备结构”“操作条件”“交换平衡”“传质动力学”的综合影响。 影响流出曲线或贯穿参量的因素： 树脂对交换离子的亲和力 树脂粒度 树脂交联度 树脂