第四章 离子交换法

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离子交换树脂的命名方法
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离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号
代号 0 1 2 3 4 5 6
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分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性 两性 氧化还原
骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯哌啶系 脲醛系 氯乙烯系
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3.3分离因素 分离因素
溶液中存在两种待分离的离子A和B，采用分离因数来 表示这两种离子的分离效果。分离因数在数值上等于相同 条件下两离子的分配比的比值。
βB
A
DB C B C A = = DA CB C A
表示对两种离子选择性的分离效果。
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B A
[R-A]、[R-B]表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度 [A]S、[B]S表示溶液中A离子和B离子
[R−B]/[R− A ] K = [B]s /[A s ]
B A
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B KA 越大B越易
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(五) 溶胀性
吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示： 吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示：
溶胀率 =
溶胀的原因
V后 −V前 V前
× 100 %
水扩散到树脂交联网孔发生溶胀； 水扩散到树脂交联网孔发生溶胀； 活性基团离解形成水合离子。 活性基团离解形成水合离子。 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。
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3.2分配比 分配比
离子交换达到平衡时，离子在树脂相和溶液相的浓度 比值称为分配比。用D表示。
D = CB / CB
z z z z K c = C AB ⋅ C BA /(C AB ⋅ C BA )
C A zB 1 z A D = [K c ( ) ] CA
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第四节 离子交换动力学 4.1离子交换的历程 离子交换的历程
假设溶液中的B离子与树脂上的A离子进行交换，步骤 如下： ①B离子通过树脂颗粒周围的扩散层到达树脂表面； ②达到树脂表面的B离子向树脂内部扩散； ③进入树脂颗粒中的B离子与树脂内部的A离子发生交换的 反应； ④被B离子取代出的A离子由树脂内部向树脂表面扩散； ⑤A离子由树脂表面通过树脂颗粒周围的扩散层进入溶液。 ①⑤称为外扩散， ②④称为内扩散。
（V − V1 )C 漏穿容量 = mol / L V2 V − 至漏穿时流过的料液体积；V1 − 树脂床的空隙体积； V2 − 树脂床的体积；C − 料液中金属离子浓度。
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全容量：离子交换树脂除了通过功能团进行交换外，还能 全容量 通过链节结构上的特点，以分子间吸引力即范德华力吸 引其他分子，结果树脂的容量往往超过总交换容量，故 把总交换容量和范德华力吸引的量之和称为全容量。
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例、称取1g干树脂，置于250mL锥形瓶中，准确加入0.1 mol.L-1 NaOH标准溶 液100 mL，塞紧后振荡，放置过夜，移取上层清液25 mL，以酚酞为指示剂， 用0.1mol.L-1HCl标液12.5 mL滴定至红色消失，计算树脂交换容量。 解：干树脂（强酸型）与Na+交换，剩余NaOH用HCl滴定
z z z z K = a AB ⋅ a BA /( a AB ⋅ a BA ) z z z z K c = C AB ⋅ C BA /(C AB ⋅ C BA )
Kc称为选择系数。 Kc越大表示树脂对B离子的亲和力越大。
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亲和力经验规律： 亲和力经验规律： 1）在常温下的稀溶液，树脂对离子相对亲和力随离子价数 的增大而增大。 2）在常温下的稀溶液，离子价数相同时，强酸性阳离子交 换树脂对离子的亲和力随水合离子半径的减小而增大。 3）强碱性阴离子交换树脂对阴离子的相对亲和力随离子的 水合半径的减小而增大。 4）对弱碱性阴离子交换树脂而言，OH-的亲和力远远大于 其他许多阴离子的亲和力，而且树脂的碱性越弱， OH的亲和力越大。
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=
0.1 × 100 − 0.1 × 12.5 ×
100 25 = 5(mmol.g −1 )
第三节 离子交换平衡 3.1选择系数 选择系数
2 H + Ca 2+ = Ca + 2 H +
2 2Cl + SO4 − = SO4 + 2Cl −
通式表示 : zB A + z A B = zB A + z A B
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例如：RH + Na + = RNa + H + ①边界水膜内的迁移 ②交联网孔内的扩散 ③离子交换 ④交联网内的扩散 ⑤边界水膜内的迁移 其中① ⑤称为液膜扩散步骤，或称为外扩散；②和④ 树脂颗粒内扩散，或称为孔道扩散步骤； ③称为交换反应 步骤。 离子交换速度实际上是由液膜扩散或者孔道扩散步骤控制。
（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。连接树脂 的功能团的作用。 （2）交联剂部分：把整个线状高分子链交联起来，形成 三度空间的网状结果。 （3）功能团部分：固定在树脂高分子部分上的活性离子 基团。 交联剂质量 交联度（D ⋅ V ⋅ B） = ×100% 高分子质量 + 交联剂质量 交联度的大小决定了树脂的机械强度、交换容量和 溶胀性等性质。
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离子交换树脂
固体球形颗粒， 固体球形颗粒，多孔网状 结构；不溶于水； 结构；不溶于水；具有离子交换 特性的有机高分子聚电解质。 特性的有机高分子聚电解质。 (一) 组成
母体(骨架 母体 骨架) 骨架
苯乙烯(单体) 苯乙烯(单体) + 二乙烯苯(交联剂) 二乙烯苯(交联剂)
第四章 离子交换法
第一节 概述
离子交换法定义： 离子交换法是基于固体离子交换剂在与电解质水溶液 接触时，溶液中的某种离子与交换剂中的同性电荷离子发 生离子交换作用，结果溶液中的离子进入交换剂，而交换 剂中的离子转入溶液中。 如： 2 R − H + Ca 2+ = R2 = Ca + 2 H +
2 2 R − Cl + SO4 − = R2 = SO4 + 2Cl −
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2.3树脂的基本性能 树脂的基本性能 （1）物理性能：溶胀性，粒度，密度。 （2）化学性能：交换容量。 交换容量：以每克干树脂或每毫升湿树脂上的交换离子的摩 尔数表示。总交换容量，操作容量，漏穿容量，全容量。
树脂的物理性能
(一) 外观 形状：透明或半透明的球状珠体。 形状：透明或半透明的球状珠体。 颜色： 浅黄、赤褐色。 颜色：白、浅黄、赤褐色。 (二) 含水率 树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。 树脂孔隙内所含的水分，一般在 ～ 。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。
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离子交换法的应用： （1）从贫液中富集和回收有价金属：贵金属和稀有金属； （2）提纯化合物和分离性质相似的元素：稀土分离； （3）处理某些工厂的废水； （4）生产软化水。
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第二节 离子交换树脂及其性能 2.1离子交换树脂的结构 2.1离子交换树脂的结构
交换容量＝
(cV） NaOH − (cV ) HCl × m 树脂( g )
100 25
1 c V − c HCl VHCl 阳离子交换树脂： 阳离子交换树脂： 交换容量＝ NaOH NaOH 干树脂质量(g )
练习：称取某OH-型阴离子交换树脂1.00 g置于锥形瓶中,加入0.100 mol/L HCl 100 mL浸泡一昼夜。用移液管吸取25.00 mL 上层清液,以甲基红为指示剂,用 0.1000 mol/L NaOH溶液滴定,耗用12.5.00 mL,计算树脂的交换容量。
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(三) 密度 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 干真密度：干燥状态下，树脂材料本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度 视密 度) 。 单位均为mg/L. 单位均为 (四) 交联度 交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为 交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大， 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。 在水中浸泡，形变小，较稳定。
lg(1 − R ) = ln(
6
π
2
) − Bτ
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4.2影响交换速度的因素 影响交换速度的因素
（1）内扩散为控制步骤时的影响因素
①树脂颗粒大小：决定了离子从树脂表面扩散到树脂内部的路程，颗粒 越大，路程越长，颗粒小，交换速度快。 ②树脂的性质：溶胀性大的，强酸强碱树脂交换速度快； ③温度：温度高，扩散系数大，交换速度大。 ④交换离子的性质：离子价态越高，扩散系数越小。