离子交换原理精选.ppt

离子交换原理及设备 离子交换的定义及发展 离子交换树脂及其分离原理 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的理化性能 离子交换机理及动力学 离子交换装置及再生 离子交换的应用 主要内容 （一）定义 利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行分离的单元操作 离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取有用组分的基本单元操作。 树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。 离子交换 （二）发展 1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象； 1876年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂； 1940年应用于工业生产； 1951年我国开始合成树脂。 离子交换树脂 离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料，在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。 结构：离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物，它由不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成。 (一) 组成 离子交 换树脂 母体(骨架） 活性基团 固 定 离 子 可交换离子 苯乙烯(单体) + 二乙烯苯(交联剂) 母体 共聚 H2SO4 功 能 基 反 应 R —SO3 H 固定离子 可交换离子 母体 (二) 分类 按结构 离子交 换树脂 凝胶型 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。 大孔型 离子交 换树脂 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 弱碱性阴离子交换树脂 (伯、仲、叔胺基) 强碱性阴离子交换树脂(季铵基团) 弱酸性阳离子交换树脂 (羧酸基团) 强酸性阳离子交换树脂 (磺酸基团) 聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型 树脂等； 按选择性 按主要成分 凝胶型树脂 大孔型树脂 凝胶型树脂 交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。 这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀成凝胶状，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。湿润树脂的平均孔径为2~4nm(2×10-6~4×10-6mm)。 在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能。 大孔型树脂 针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树脂。 大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶结构。内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，孔径一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米 因此其吸附功能十分显著。离子交换反应的速度快，约比凝胶型树脂快约十倍。而且能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容易在再生时通过这些孔道除去）。即使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和售价较贵等。 * b. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂 a. 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂 (三) 常用离子交换树脂的化学结构 732阳离子交换树脂（钠型，苯乙烯与二乙烯苯共聚基体上带有磺酸基的离子交换树脂） * c. 苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂 d. 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂 717阴离子交换树脂（氯型、乙烯苯基-N,N,N-三甲基氯化铵与二乙烯苯的聚合物） * ① 粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm ② 含水量（凝胶树脂）：30%-80% ③交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换离子相当于 一价离子的物质的量 ④离子交换选择性： , mmol/g 或者 ⑤ 对不同离子的选择性，例： (四) 离子交换树脂的性能 苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性） Fe3+ Ca2+ Na+ 依价数高优先 Ba2+ Pb2+ Ca2+ 同价位时，依半径大优先， 因为水化半径小，与固定离子的静电引力越大 热稳定性，最高使用温度，如 苯乙烯强酸阳离子 120 ℃ 丙烯酸弱酸阳离子 200 ℃ mmol/mL 几类树脂性能的比较 类型 性能 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 强酸性 弱酸性 强酸性 弱酸性 活性基团 磺酸 羧酸 季胺 伯胺、仲胺 pH的影响 无 酸性交换力小 无 碱性交换力小 再生剂用量 3～5倍 1.5～2倍 3～5倍 1.2～2倍 交换速率 快 慢 快 慢 离子交换机理 离子交换机理 B+ A