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第4章 离子交换(Ion Exchange) 四川大学化工学院 2010.10.22 离子交换分离 离子交换分离法及其特点 离子交换树脂 离子交换平衡 离子交换分离实验技术 离子交换分离法的应用 离子交换分离 离子交换分离法发展历程 (1) 1850年，英国农业化学家H.S.Tompson和J.T.Way发现离子交换现象 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； 无机离子交换剂不能在酸性条件下使用。 (2) 1935年，B.A.Adams和E.L.Holmes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； 二战期间，德国大量合成离子交换树脂，并用于水处理； 战后,英、美、苏、日等国也大力发展离子交换技术。 离子交换分离法发展历程 (3) 1945年美国人G.F.d?Alelio合成聚苯乙烯阳离子交换树脂 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； 离子交换分离成为低能耗、高效率的分离技术。 (4) 20世纪60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 R.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 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的产物。 离子交换剂 离子交换剂：具有离子交换能力的物质。通常指固体离子交换剂。 无机离子交换剂：由天然的（粘土、沸石类矿物）或合成的（合成沸石、分子筛、水合金属氧化物、杂多酸盐等）无机化合物构成。 有机离子交换剂：人工合成的带有离子交换功能团的高分子聚合物，其中应用最为广泛的是离子交换树脂。 离子交换树脂：一种具有特殊网状结构的高分子化合物。 离子交换树脂的结构 骨架（载体） 三维网状空间结构，载体不参与离子交换反应。 功能基团（交换基团） 离子交换反应位置 固定离子（惰性离子） 与载体牢固结合，不能自由移动的离子。 反离子（可交换离子） 阳离子交换树脂结构模型 离子交换树脂的结构 离子交换树脂的结构 离子交换树脂的分类与命名 1. 按功能基团分类 阴离子交换树脂(anion-exchange resin)：含有碱性基团(通常为季胺基)，在溶液中可离解出阴离子。 强碱性阴离子交换树脂：含-N(CH3)3OH, -N(CH3)2C2H4OH等基团 弱碱性阴离子交换树脂: 含-NH2, -NHR, -NR2等功能基团 阳离子交换树脂（cation-exchange resin ）：含有酸性基团（多为羧酸基），在溶液中可离解出阳离子。 强酸性阳离子交换树脂：功能基为-SO3H, -CH2SO3H等强酸基团 中等酸性阳离子交换树脂: 功能基为-PO3H2, -PO3H3 , -SO3H2等中等强度酸基团 弱酸性阳离子交换树脂: 功能基为-COOH, -OH, -OCH2COOH2等弱酸基团 离子交换树脂的分类与命名 螯合树脂 在离子交换树脂中引入某些能与金属离子螯合的活性基团. 既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子； 例如:功能基为胺羧基-N(CH2COOH)2，能与金属离子生成六元环螯合物。 这种树脂对Cu2+、Co2+、Ni2+有很好的选择性。 氧化还原树脂 功能基具有氧化还原能力，如-CH2SH，对苯二酚基等。 两性树脂 同时具有阴离子交换基团和阳离子交换基团。如同时具有-N(CH3)3＋和-COOH。 离子交换树脂的分类与命名 2. 按孔型分类 凝胶型树脂 具有均相高分子凝胶结构，颗粒内部由单体聚合成的链状大分子在交联剂的连接下，组成了空间结构，化学结构中的空隙称为凝胶孔或化学孔，孔径很小，在300nm以下。 大孔型树脂 在制造过程中加入致孔剂，使之形成大量毛细孔，凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相凝胶结构，颗粒内既有凝胶孔，也有毛细孔，毛细孔孔径较大，在几百纳米至几百微米。 致孔剂：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯 3.按反离子种类命名 如：R－SO3H H＋型强酸阳离子交换树脂 R－N(CH3)3OH OH-型强碱阴离子交换树脂 其它离子交换树脂类型 均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好； 多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物质变性作用 离子交换纤维素:树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为