第六章 离子交换法分离稀土元素
稀土元素的分离提取工艺及其应用研究
稀土元素的分离提取工艺及其应用研究稀土元素是一类大约包含17种元素的金属元素。
它们被称为“稀土”是因为它们在自然界中的分布非常有限，不易取得。
虽然稀土元素称为“稀土”，但它们实际上不是非常稀有。
随着现代科技发展，稀土元素的应用越来越广泛，包括在高科技领域、沿海生态环境等多个领域。
因此，稀土元素的分离提取工艺及其应用研究也成为了很多研究者追求的目标。
石墨化学还原法（CHR）是一种有效的稀土元素分离提取工艺。
这种方法适用于获得相对高纯度的稀土元素，因为在合成中金属氧化物和石墨混合，然后合成金属石墨化合物，这些金属石墨化合物具有较高的稳定性和结晶度。
稀土元素的石墨化合物、金属酸盐和金属氧化物等过渡化合物也可以采用CHR方法来提取。
这些金属石墨化合物可以在氢气中加热升华，从而分离纯化出稀土元素。
物相转移提取法（PT）是另一种常用于稀土元素分离提取的方法。
该方法使用有机酸与稀土元素形成的络合物，在碱性溶液中进行物相转移。
酸性条件下的络合物可以在有机相中提取，而碱性条件则使络合物转移到水相中。
在这个过程中，稀土元素将被分离出来，作为酸型稀土元素形成在有机相或钙钪型稀土元素形成在水相中。
然后，加入酸性条件，在有机相中萃取并进一步分离提取稀土元素。
稀土元素在多个技术领域中都具有广泛的用途。
在高科技领域，稀土元素常用于制造光纤通信器件、液晶显示屏、强磁体和高温超导材料等器件。
在生态环境领域中，稀土元素可以用作锂离子电池和燃料电池中的催化剂、有机合成中的催化剂、催化转化中的稳定剂、气体检测器和太阳能等方面的应用。
由于稀土元素的用途非常广泛，稀土元素的生产和应用已经成为许多国家的重要战略产业。
中国是世界上最大的稀土元素生产国。
在对稀土元素市场的掌控中，中国的战略地位非常重要。
此外，其他国家也在积极开展稀土元素的研究和生产。
因此，研究有关稀土元素分离提取的工艺及其应用，将有助于提高稀土元素生产的研究水平和技术水平，推广稀土元素的应用领域，为各国的科技发展做出贡献。
混合稀土分离
混合稀土分离
混合稀土分离是指通过物理、化学等方法将混合状态的稀土元素分离开来，使各种稀土元素单独存在的过程。
常用的混合稀土分离方法包括萃取法、溶剂萃取法、蒸发结晶法、离子交换法、电解法等。
萃取法是目前应用较广泛的一种方法，它利用不同稀土元素在有机相和水相中的分配系数差异来实现分离。
通过使用不同配体或萃取剂，可以实现各种稀土元素的分离。
溶剂萃取法是一种将稀土元素从水溶液中提取到有机溶剂中的方法。
不同稀土元素在有机溶剂中的溶解度差异可以用来分离这些元素。
蒸发结晶法是通过将稀土水溶液进行蒸发浓缩，使其溶质达到饱和状态，然后通过冷却结晶或者加入适当的沉淀剂进行结晶分离。
离子交换法是利用离子交换树脂来吸附和解吸稀土元素的方法。
不同稀土元素在树脂上的吸附和解吸速度差异可用于分离。
电解法是将稀土元素溶解于适当的电解质中，在特定电位或电流条件下，通过电解过程将稀土元素分离。
混合稀土分离是一项复杂而繁琐的过程，需要在实验室中进行仔细操作，并且需要经过多次处理和提纯才能得到纯度较高的稀土元素。
同时，混合稀土分离也需要考虑到成本和环境因素，选择合适的方法和工艺进行分离。
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稀土元素资源的分离提纯与加工利用技术研究
稀土元素资源的分离提纯与加工利用技术研究第一章稀土元素资源概述稀土元素是指元素周期表中镧系元素和钪、钇两个元素。
这些元素具有独特的电子结构和化学性质，其中有很多元素具有磁、光、电、催化性等多种特殊性质，因此在现代工业和科研领域中应用广泛。
目前，稀土元素的产量主要来自中国，其次是澳大利亚、美国等。
由于稀土元素的广泛应用，其需求量也在逐年增加。
因此，稀土元素的分离提纯与加工利用技术研究变得尤为重要。
第二章稀土元素的分离提纯技术1.离子交换分离技术离子交换是一种通过离子载体的交换过滤离子的方法。
将分散在水溶液中的不同离子分子用同样质量的离子载体合并，达到交换的作用，即相同电荷的离子可以交互作用，达到分离的目的。
离子交换柱可以通过控制溶液的pH值，调节载体对不同离子的选择型，提高稀土元素的纯度。
2.溶剂萃取分离技术溶剂萃取分离技术是稀土元素提纯和分离的重要方法。
它是利用稀土元素在有机溶剂和水体系中的差异性，通过不同的萃取体系不断进行提纯和分离。
溶剂萃取技术能够大幅度提高稀土元素的纯度和出产率，同时还能够对低浓度稀土元素进行有效回收和利用。
3.离子选择性传感膜技术离子选择性传感膜技术是一种常用的稀土元素分离技术。
在传感膜的材料中，塞根盐和二茂铁钠等过渡金属离子的络合物是常见的离子选择性传感成分。
传感膜技术的优点是其具有快速、易操作、检测范围广等特点，并且能够进行连续监测、动态控制。
第三章稀土元素的加工利用技术稀土元素除了作为电子、光学、电器、新材料等领域的重要元素外，还具有广泛的其他应用领域。
以下是稀土元素的一些主要应用领域：1. 光学领域镪、铈、钕、铕、铽等稀土元素的比较强的荧光性能，使其广泛应用于光学领域，如LED照明、激光器等。
2. 电池领域钇、镝、镨、钕等稀土元素被广泛用于镍氢电池、锂离子电池、杂化动力电池等的正负极材料中，可以提高电池的电荷能力和循环寿命。
3. 医药领域钐、钆、铕等稀土元素具有一定的放射活性，因此广泛用于肿瘤治疗等领域。
稀土元素的分离方法
稀土元素的分离方法稀土元素的分离方法目前，除Pm以外的16个稀土元素都可提纯到6N(99.9999%)的纯度。
由稀土精矿分解后所得到的混合稀土化合物中，分离提取出单一纯稀土元素，在化学工艺上是比较复杂和困难的。
其主要原因有二个，一是镧系元素之间的物理性质和化学性质十分相似，多数稀土离子半径居于相邻两元素之间，非常相近，在水溶液中都是稳定的三价态。
稀土离子与水的亲和力大，因受水合物的保护，其化学性质非常相似，分离提纯极为困难。
二是稀土精矿分解后所得到的混合稀土化合物中伴生的杂质元素较多(如铀、钍、铌、钽、钛、锆、铁、钙、硅、氟、磷等)。
因此，在分离稀土元素的工艺流程中，不但要考虑这十几个化学性质极其相近的稀土元素之间的分离，而且还必须考虑稀土元素同伴生的杂质元素之间的分离。
现在稀土生产中采用的分离方法：(1)分步法从1794年发现的钇(Y)到1905年发现的镥(Lu)为止，所有天然存在的稀土元素间的单一分离，还有居里夫妇发现的镭，都是用这种方法分离的。
分步法是利用化合物在溶剂中溶解的难易程度(溶解度)上的差别来进行分离和提纯的。
方法的操作程序是：将含有两种稀土元素的化合物先以适宜的溶剂溶解后，加热浓缩，溶液中一部分元素化合物析出来(结晶或沉淀)。
析出物中，溶解度较小的稀土元素得到富集，溶解度较大点的稀土元素在溶液中也得到富集。
因为稀土元素之间的溶解度差别很小，必须重复操作多次才能将这两种稀土元素分离开来，因而这是一件非常困难的工作。
全部稀土元素的单一分离耗费了100多年，一次分离重复操作竟达2万次，对于化学工作者而言，其艰辛的程度，可想而知。
因此用这样的方法不能大量生产单一稀土。
(2)离子交换法由于分步法不能大量生产单一稀土，因而稀土元素的研究工作也受到了阻碍，第二次世界大战后，美国原子弹研制计划即所谓曼哈顿计划推动了稀土分离技术的发展，因稀土元素和铀、钍等放射性元素性质相似，为尽快推进原子能的研究，就将稀土作为其代用品加以利用。
稀土元素的分离技术
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煤中稀土元素的提取与分离
煤中稀土元素的提取与分离煤是一种重要的能源资源，但同时也含有大量的稀土元素。
随着能源需求的不断增加，对于稀土元素的需求也越来越大。
因此，煤中稀土元素的提取与分离逐渐成为人们研究的焦点之一。
稀土元素是指具有化学相似性、在化合物中以离子形式存在、具有类似的物理和化学性质、并具有相似的电子结构的一系列元素。
稀土元素具有多种特殊的物理和化学性质，例如高储能性、高导电性、高磁导率等，使得其在冶金、化工、电子、光学、磁性材料等领域有着广泛的应用。
而煤中的稀土元素主要来源于煤矿的尾矿、废渣等，因此煤中稀土元素的开发和利用具有重要的意义。
煤中稀土元素的提取方法主要包括浸出法、火法和微波辅助提取法等。
浸出法是指将煤体置于一定的酸性或碱性溶液中，使煤中的稀土元素被溶解出来。
该方法具有操作简单、容易控制等优点，但也存在一些缺点，如溶液的制备和处理等环节相对复杂；溶解剂对煤的化学反应并不完全可控，导致稀土元素的提取率不高等。
火法是指将煤样通过高温加热进行分解，利用炉尘中的冷却、凝固等过程将煤中的稀土元素分离出来。
火法主要包括钠盐焙烧法、焦油焙烧法等。
该方法具有分离效果好、操作简单等优点，但也存在炉温的控制、炉尘的处理等一系列问题。
微波辅助提取法是指在微波辐射下，将煤样置于相应的溶剂中，利用微波引起的温度变化和激发的电磁场共同促进稀土元素的析出。
该方法具有提取效率高、反应速度快、操作简便等一系列优点，但也存在昂贵的设备和材料成本、微波辐射可能对前处理样品的影响等问题。
对于稀土元素的分离方法，主要分为物理分离和化学分离两种方法。
物理分离方法主要包括稀土元素磁性分离、离子交换层析和萃取分离等。
其中，磁性分离主要是指利用稀土元素的磁性差异，将稀土元素的氧化物通过磁性分选机的筛选和磁选过程，分离出其中不同的磁性物质。
离子交换层析和萃取分离主要是指使用含有特定组分的固相萃取材料或液相分离剂，将稀土元素吸附、分离、浓缩。
物理分离方法具有对环境友好、操作简单等优点，但是分离效率相对较低。
稀土元素的分离方法
对于不同的稀土金属，采用不同的制备方法：
•La、Ce、Pr、Nd一般采用熔盐电解法制取，其单一
金属用氧化物熔盐法；混合金属用氯化物熔盐法，都
是用变频器将交流电变成直流电电解。
•Sm、Eu、Yb 金属的制取一般在碳管炉中采用氧化 物经La、Ce金属热还原，即蒸馏法。 •重稀土金属采用氟化物钙热还原法制取，在真空感 应炉中进行。
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7.1 熔盐电解法
• 熔盐电解工艺是目前制取大量混合稀土金属、部分单一 轻稀土金属（除Sm外）及其合金的主要方法。 • 按电解质体系可以分为： 1、熔融氯化物电解： RECl3+MCl（MCl2） 2、熔融氟化物-氧化物电解： REF3+RE2O3+MF（MF2）， 如：（NdF3+LiF+Nd2O3）
是熔融RECl3对RE金属有很高的溶解度，所以不可能用
单纯熔体( RECl3 )作电解质。 对于RE而言，可做电解质成分的只有碱金属或碱土 金属的氯化物，因为它们在同一熔体中的分解电压比 RECl3高，否则难以制得较纯金属。
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电解质的基本性质
（1）熔度 电解质是几种盐的混合物，熔化有一个温度范围，就是熔度。 一般电解温度高出电解质熔度的50~100 ℃。 （2）黏度
④在电解温度下，有良好的导电性，使其在熔融状态下
有较小的电压降，以利于降低电能消耗，提高电流效率。
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⑤电解质各组元中阳离子半径较小，以减少稀土金属在
电解质中的溶解损失。 ⑥没有比稀土金属更正电性的金属，以保证稀土离子的 优先析出。 ⑦在电解温度下，蒸汽压要低，且不与石墨阳极和阴极
材料发生作用，并希望它们能形成堆积密度大，稳定
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混合稀土分离方法
混合稀土分离方法混合稀土是指由多种稀土元素组成的混合物，其中包含了多种不同的稀土元素。
由于稀土元素的特殊性质和广泛的应用价值，对混合稀土进行有效分离成为了研究的焦点之一。
本文将介绍几种常见的混合稀土分离方法。
一、溶剂萃取法溶剂萃取法是常用的混合稀土分离方法之一。
它基于稀土元素在不同有机相中的分配系数不同的原理，通过选择合适的有机溶剂，可以实现混合稀土的有效分离。
溶剂萃取法主要分为萃取剂法和萃取溶剂法两种。
萃取剂法是通过加入一种或多种特定的有机萃取剂，使稀土元素与有机相结合，并从水相中转移到有机相中，从而实现稀土元素的分离。
常用的有机萃取剂有酸性萃取剂、碱性萃取剂、有机浮选剂等。
萃取溶剂法是利用溶剂的性质选择不同的有机相，使稀土元素在不同的有机相中分配系数发生变化，从而实现混合稀土的分离。
常用的溶剂有醇类、醚类、酮类等。
溶剂萃取法具有分离效果好、操作简便等优点，广泛应用于工业生产中。
二、离子交换法离子交换法是另一种常用的混合稀土分离方法。
它基于稀土元素在离子交换树脂上的吸附能力不同的原理，通过选择合适的离子交换树脂，可以实现混合稀土的有效分离。
离子交换法主要分为固定床法和移动床法两种。
固定床法是将离子交换树脂装填在固定床中，将混合稀土溶液通过固定床，使稀土元素按照吸附能力不同被逐渐吸附下来，从而实现分离。
移动床法是将离子交换树脂装填在移动床中，通过逆流冲洗的方式使稀土元素按照吸附能力不同逐渐从上部向下部移动，从而实现分离。
离子交换法具有分离效果好、选择性强等优点，广泛应用于稀土元素的提取和分离过程中。
三、浮选法浮选法是一种常用的混合稀土分离方法，它基于稀土元素的浮选性质不同的原理，通过选择合适的浮选剂和调节浮选条件，可以实现混合稀土的有效分离。
浮选法主要分为直接浮选法和间接浮选法两种。
直接浮选法是将稀土矿石经过破碎、磨矿等处理后，加入合适的浮选剂，经过浮选机械的作用，使稀土元素与浮选泡沫结合，从而实现分离。
稀土萃取分离技术
稀土溶剂萃取分离技术摘要对目前稀土元素生产中分离过程常用的分离技术进行了综述。
使用较多的是溶剂萃取法和离子交换法。
本文立足于理论与实际详细地分析了溶剂萃取分离法。
关键词稀土分离萃取前言稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土。
“稀土”一词系17种元素的总称。
它包括原子序数57—71的15种镧系元素和原子序数39的钇及21的钪。
由于钪与其余16个元素在自然界共生的关系不大密切,性质差别也比较大,所以一般不把它列入稀土元素之列。
中国、俄罗斯、美国、澳大利亚是世界上四大稀土拥有国，中国名列第一位。
中国是世界公认的最大稀土资源国，不仅储量大，而且元素配分全面。
经过近40余年的发展，中国已建立目前世界上最庞大的稀土工业，成为世界最大稀土生产国，最大稀土消费国和最大稀土供应国。
产品规格门类齐全，市场遍及全球。
产品产量和供应量达到世界总量的80％一90％[1]。
稀土在钢铁工业有色金属合金工业、石油工业、玻璃及陶瓷工业、原子能工业、电子及电器工业、化学工业、农业、医学以及现代化新技术等方面有多种用途。
由于稀土元素及其化合物具有不少独特的光学、磁学、电学性能，使得它们在许多领域中得到了广泛的应用。
但由于稀土元素原子结构相似，使得它们经常紧密结合并共生于相同矿物中，这给单一稀土元素的提取与分离带来了相当大的困难[2]。
常用稀土分离提取技术萃取分离技术：包含溶剂萃取法、膜萃取分离法、温度梯度萃取、超临界萃取、固—液萃取等萃取方法。
液相色谱分离技术：包含离子交换色谱、离子色谱技术、反相离子对色谱技术、萃取色谱技术、纸色谱技术、以及薄层色谱技术。
常用方法为溶剂萃取法和离子交换法[3]。
稀土溶剂萃取分离技术什么是萃取萃取又称溶剂萃取或液液萃取（以区别于固液萃取,即浸取），亦称抽提（通用于石油炼制工业），是一种用液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或多组分溶液，实现组分分离的传质分离过程，是一种广泛应用的单元操作。
稀土金属的提取与分离技术
稀土金属的提取与分离技术引言稀土金属是一类重要的天然资源，具有广泛的应用价值，如在电子、光学、磁性材料等领域有着重要的作用。
然而，稀土金属的提取和分离过程相对复杂，需要采用一系列专门的技术来实现。
本文将介绍一些常用的稀土金属提取与分离技术，包括化学提取、物理提取和电化学提取。
1. 化学提取技术化学提取技术是将稀土金属与其他杂质分离的一种常用的方法。
其中包括溶剂萃取、离子交换和络合提取等。
1.1 溶剂萃取溶剂萃取是一种通过稀土金属和溶剂之间的相互作用来实现分离的方法。
常见的溶剂包括有机溶剂和无机溶剂，通过溶剂与稀土金属之间的亲合性差异，使其在不同的溶剂相中分离。
溶剂萃取技术具有操作简便、提取效率高等特点。
1.2 离子交换离子交换是一种通过固体离子交换剂与稀土金属之间的离子交换反应来实现分离的方法。
离子交换树脂是常用的离子交换剂，其表面具有带电荷的固相。
通过调节溶液中pH值和离子浓度等条件，可以实现稀土金属的吸附和解吸。
1.3 络合提取络合提取是一种通过络合剂与稀土金属之间的络合反应来实现分离的方法。
络合剂通常是具有一定配位能力的有机分子，可以与稀土金属形成络合物，从而实现分离。
络合提取技术在工业上应用较广泛，具有提取效率高和选择性好的特点。
2. 物理提取技术物理提取技术是通过稀土金属的物理性质差异来实现分离。
常用的物理提取技术包括重力分离、磁力分离和浮选等。
2.1 重力分离重力分离是根据不同密度的分离物质在重力作用下的不同沉降速度来实现分离的方法。
通过调整悬浊液的浓度和粒径，可以实现稀土金属的分离。
2.2 磁力分离磁力分离是根据稀土金属的磁性来实现分离的方法。
通过在外加磁场的作用下，磁性物质会受到磁力的作用而发生移动，从而实现稀土金属的分离。
2.3 浮选浮选是通过稀土金属与其他杂质在液体中的浮力差异来实现分离的方法。
通过调节浮选剂的种类和浓度，可以实现稀土金属的提取和分离。
3. 电化学提取技术电化学提取技术是利用电化学方法来实现稀土金属的提取和分离。
离子液体萃取稀土元素的研究剖析
论文综述离子液体萃取稀土元素的研究——以镍氢电池中稀土元素的配比为例10药学廉婷101006050摘要：由于离子液体具有可忽略的蒸汽压，良好的电导性，较高的热稳定性和化学稳定性，以及宽的电化学窗口等独特的性质，使得离子液体的研究受到人们越来越多的关注，它们在有机合成中作为溶剂、催化剂得到广泛的应用，同时在电化学领域也应用甚广。
近年来，为了满足各种特殊用途的需要，合成具有某些特殊性质的离子液体(例如低的熔点，相对适中的粘度，高的电导率，可调变的酸碱性和配位性)已经逐渐成为离子液体的研究热点。
本文着重介绍了离子液体的概念、性质、功能化设计方面的研究进展及其在各个领域的应用和进展。
关键词：离子液体功能化绿色溶剂合成应用性质性能Abstract:due to the ionic liquid has a negligible vapor pressure, good electrical conductivity, high thermal stability and chemical stability, wide electrochemical window and unique properties, which makes the research of ionic liquids are concerned by more and more people, they in organic synthesis as a solvent, catalyst has been widely used in electrochemistry, at the same time field application of a wide range of.In recent years, in order to meet the needs of various special purpose, ionic liquid with some special properties (such as low melting point, a relatively moderate viscosity, high electrical conductivity, adjustable acidity and coordination) has gradually become a research hotspot of ionic liquids.This paper introduces the research progress on concept, the properties of ionic liquids, the functional design and its application and progress in various fields.Keywords: functional ionic liquids green solvent synthesis application properties引言：离子液体(ILs)以其独特的优点在众多领域中得到了广泛的应用。
离子交换法分离稀土元素
离子交换法分离稀土元素摘要：从树脂吸附、淋洗、萃取剂几个方面，对稀土离子交换和萃淋树脂色层法分离过程中有关稀土配位化合物问题进行了简要的综述。
Abstract： T he pa per concisely r ecount's a questio n concerning r are ear th complex in pr ocess o f io n ex chang e separ ation and ex tr actio n chr omato gr ahy in the field o f resin adso rpting ,eluting,ex tractant.关键词：离子交换法分离技术稀土元素1.前言我国稀土资源丰富，发展稀土的深度加工是提高经济效益的重要手段。
稀土的分离具有很多特殊性，如含稀土的矿物均为含多种金属的共生矿，稀土品位较低，稀土元素间化学性质极相似，分离困难。
因将配合物引入稀土元素的分离，从而使稀土的分离化学得以迅猛发展人们为了寻找更有效的离子交换的淋洗剂和选择性更高的萃取剂，开展了大量的稀土溶液配位化学的研究工作，可以说稀土配位化学的发展就是从这里开始的。
目前，虽然在工业上分离稀土元素的方法有离子交换法、溶剂萃取法、化学分离法等，但在高纯稀土元素的生产及重稀土元素的分离方面，离子交换法具有明显的优点，是其他分离方法所不能比拟的。
用氨致鳌合剂作展开剂的离子交换法早巳成为制备稀土的重要方法。
目前，虽然升温、高压技术强化离子交换过程的研究和应用，使该法的效率得到显著的改进，克服了常温常压下离子交换法所存在的周期长、产率低等缺点。
2.离子交换法2.1原理离子交换法即离子交换色层分离法。
离子交换色层技术被用于单一稀土的分离和净化已有60余年的历史。
二十世纪40年代由于使用羧酸类配合剂作为淋洗剂，使离子交换色层法成功地应用于稀土元素的分离。
二十世纪50年代改用胺基羧酸作淋洗剂提高了分离效果，使离子交换色层法成为当时唯一的一种制备高纯单一稀土化合物的手段。
中国稀土的提炼技术
中国稀土的提炼技术
中国是全球稀土资源储量最丰富的国家之一，但稀土的提炼技术一直是一个难题。
目前，中国的稀土提炼技术主要集中在离子型稀土矿的提炼上。
离子型稀土矿包括轻稀土和重稀土两种，其中轻稀土主要由氧化物法和碳酸盐法提炼，而重稀土则主要由氧化物-萃取分离法和离子交换法提炼。
氧化物法是一种传统的稀土提炼方法，它主要通过化学反应将稀土矿中的稀土元素转化为稀土氧化物，然后再通过稀土氧化物的物理和化学性质差异进行分离。
碳酸盐法则是在氧化物法的基础上发展而来的，它通过碳酸盐的还原性将稀土元素还原为氧化物，再进行分离提炼。
氧化物-萃取分离法是一种常用的重稀土提炼方法，它通过将稀土矿中的稀土元素转化为稀土氧化物，然后采用有机萃取剂进行分离提炼。
离子交换法也是一种重稀土提炼方法，它通过交换树脂上的离子实现分离提炼。
相较于氧化物-萃取分离法，离子交换法具有更高的分离效率和更低的萃取剂用量。
总的来说，中国的稀土提炼技术已经取得了一定的进展，但仍需要加强研究开发，提高提炼效率和产出质量，为中国稀土产业的发展提供更好的支持。
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第六章离子交换分离法
第六章离子交换分离法一、本章的教学目的与要求了解离子交换分离法的原理及应用二、授课主要内容§6－1 离子交换树脂的作用、性能和分类1.离子交换树脂的性能和作用2.离子交换树脂的分类§6—2 离子交换的基本理论§6-3 离子交换分离操作方法1．离子交换树脂选择2．树脂的处理市售的树脂，其粒度往往不均匀或粒度太小或不符合要求，或含有杂质，使3．仪器装置§6—4 柱上离子交换分离法§6—5 离子交换分离实例1、去离子水的制备2、试样中总盐量的测定3、干扰组分的分离4、痕量组分的富集§6—6 离子交换层析法一．原理：二．分离条件的选择三．应用示例三、重点、难点及对学生的要求掌握离子交换分离法的原理及分离条件的选择四、主要外语词汇ion change resin; cation resin; anion resin五、辅助教学情况（多媒体课件）六、复习思考题习题：1、离子交换树脂的作用、性能和分类2、子交换树脂的分类3、离子交换树脂选择如何利用离子交换树脂进行去离子水的制备、试样中总盐量的测定、干扰组分的分离、痕量组分的富集4、什么是树脂的交联度？如何表示？七、参考教材references《工业分析》机械工业出版社、重庆大学出版社，1997年，第一版《分离及复杂物质分析》邵令娴编，化学工业出版社，1984年，第一版第六章离子交换分离法沸泡石软化水，Ca2++2Na+Z═2Na++Ca2+Z2 (1905年)，用亚硫酸钠处理过的纸浆纤维上结合了磺酸基团而具有交换能力。
§6－1 离子交换树脂的作用、性能和分类一、离子交换树脂的性能和作用离子交换树脂是一种高分子聚合物，具有网状结构的骨架部分，树脂骨架十分稳定，对酸碱有机溶剂及一般弱的氧化剂不起作用，对热稳定，骨架上结合着许多可以交换的基团，如－SO3H、－COOH、季胺基、≡NOH等。
如聚苯乙烯酸基阳离子交换树脂，用苯乙烯和二乙烯基苯所得的聚合物经硫酸磺化制得。
稀土元素的分离方法
2021年第01期151中国高新科技TECHNOLOGY APPLICATION | 技术应用18世纪末，那些不溶于水的固态氧化物被人们称之为“土”，因此被认为是以化合物的形式存在于自然界中，其存储量巨大，但提取难度高，因此应用量较少，故得名“稀土”。
稀土元素包括2部分：元素周期表中的镧系元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；与之密切相关的钪、钇元素，共17种。
氟碳铈矿、独居石、铈硅石、褐帘石（含有稀土镧和稀有金属钒）是已知的250种稀土矿物中最重要的几种之一。
以独居石为例，一般情况下为黄褐色或棕色，矿石内部富含有稀土元素，具备经济采掘效用，常见于中国、泰国、澳大利亚、巴西以及印度的近海地区。
近几年，随着工业需求量的增加，市场环境的不断完善，科技总体水平的提升，我国已成为稀土出口国中出口量最大的国家。
针对国内情况，稀土材料为新兴技术产业的持续发展起到了关键性的作用。
当今世界，尤其是发达国家，高技术产业的蓬勃发展依赖于中国的稀土材料，也为我国创新型企业的发展提供了资源和技术上的支持。
目前已知的电子、农业、冶金、环境保护、陶瓷和纺织业等领域均需要稀土元素。
例如稀土元素在磁、光、电方面的优异性能，是许多高新材料不可或缺的基础，具体可用于计算机通信和高速公路信息记录及储备等方面。
在农业领域，稀土农用技术已相当成熟了，例如采用适量浓度的氧化镧和氧化钆等纳米颗粒可以很好地促进油菜、卷心菜和黄瓜等农作物根部发育。
生物体内酶的活性对生物的生长发育起着至关重要的作用，而稀土可以诱导种子产生新的酶，以提高植物活性，使种子快速萌发成长，提高其发芽率和存活率。
此外，经过稀土处理的种子品质也会大大提升，在本质上促进了植物的生长从而在农业方面提供更多的帮助和便利。
冶金领域对稀土的使用较为常见，它通常用作钢的添加剂和铸铁的球化剂。
20世纪40年代，稀土开始在铸铁中广泛应用，稀土能与铁水之中的氧、硫发生化学反应，从而达到去除氧和硫的作用。
稀土化学10离子交换法分离稀土元素
离子交换树脂的单元结构由不溶性的三维空间网状
骨架（常以R表示）和连接在骨架上的交换基团 （如-SO3H）两部分组成，如强酸性阳离子交换树 脂常用符号R-SO3H表示。 由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的珠体骨架为不溶性 的三维空间网状骨架，其中二乙烯苯称为交联剂， 其作用是使骨架部分具有三维网状结构，增加骨架 强度。 交联剂在骨架中的重量百分数称为交联度，一般为 7-12%。 交换基团由固定在骨架上的荷电基团（如-SO3-）和 具相反电荷的可交换离子（如H+）两部分组成，交 换基团中的可交换离子可与溶液中的同符号离子进 行交换。
10 离子交换法分离稀土元素
10.1概述
10.1.1原则流程 离子交换法的实质是存在于溶液中的目的组 分离子与固体离子交换剂之间进行复分解 反应，使溶液中的目的组分离子选择性地 由液相转入固体离子交换剂中，然后采用 适当的试剂淋洗被目的组分离子饱和的固 体离子交换剂，使目的组分离子重新转入 液相，从而达到净化富集和分离目的组分 的目的。
于表10-1中。
国产离子交换树脂的旧型号用三位数表示，
第一位数统以“7”表示，第二位数表示类 型（“0”为弱碱性、“1”为强碱性、“2” 为弱酸性、“3”为强酸性），第三位数为 生产序号，如732树脂为强酸性阳离子交换 树脂。
国内常用离子交换树脂列于表10-2中。
表10-1国产树脂分类代号及骨架代号
离子交换树脂的操作交换容量分静力学容量和
动力学容量。 静力学容量是静态吸附（如槽作业）时离子交 换树脂的操作容量，动力学容量是动态吸附 （如柱作业）时离子交换树脂的操作容量。 生产中较常采用柱作业，故动力学容量具有较 大的实际意义。 动力学操作容量分漏穿容量和饱和容量。 测定动力学容量时，用浓度一定的吸附原液以 给定流速通过交换柱树脂床，以流出液中被吸 附离子浓度对流出液体积（或吸附时间）作图 求得“S”曲线（图10-4） 。
第六章离子交换法分离稀土元素-PPT课件
金属离子与树脂的作用是静电引力作用 ，作用力的大小与 金属离子在溶液中的有效半径成反比。所以有效半径小、 电荷多的金属离子，相对来说，树脂对其作用力要大，吸 附能力要强。 金属离子对树脂相对亲合力的大小有如下几条经验规律： （1）在常温、稀溶液中，阳树脂对金属离子的亲合力：离 子电荷高的。亲合力大，如 Th4+>RE3+>Ca2+>H+ 离子的有效半径小的，则亲合力也大，如三价稀土离子的半径随 La3+ Lu3+减小，但它们的水合离子半径则从La3+ Lu3+而 增大，树脂对它们的亲合力则随La3+ Lu3+而减小。
C、扩散进入树脂颗粒内部的离子与树脂中可交换离子（功 能基的可理解的离子）发生交换反应。
D、被交换下来的离子在树脂交联网孔内向树脂表面扩散。 E、被交换下来的离子从树脂表面向溶液中扩散。
上述五个步骤中的A、B、D和E均为扩散过程，C是离子交换 过程。一般来说，无机离子交换反应是较快的，因此总的离 子交换过程受扩散过程控制。
RSO3H +1/n Mn+
1/n(RSO3)nM +H+
1n
S O M H R 3 n K Mn H n 1n M S OH R 3
选择系数可表示树脂的选择性，选择系数越大，树脂对金属离 子的选择性越强。树脂对各种金属离子选择性强弱的原因还不 十分清楚。强酸阳树脂对金属离子的差异可用树脂和金属的相 互作用以及金属离子和水的相互作用来解释。
（2）离子交换平衡 当离子交换反应中离子的吸附速度和解吸速度相等时，交换 反应达到平衡： 3RSO3H(阳离子交换树脂) + RE3+ 其平衡常数为：
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RE13 3 RE2
RE
RE Y
3 3 RE13 RE2 1 K Y RE2Y 3 3 3 RE2 RE 1 K Y 1 RE1Y
表6-7相邻稀土元素的分离因素 La-Ce Pr-Nd Sm-Eu 1.012 1.011 1.009 Gd-Tb 1.001 Dy-Ho 1.020 Er-Tm 1.001 Yb-Lu 1.032 K-Na 1.42
RERE
ZZ
离子对
1
因此相邻稀土元素在离子交换色层分离中，单以稀土粒子在树 脂上的吸附过程是难以分离的，必须有赖于解吸过程中的淋洗 作用。
C、淋洗色层分离稀土元素的一般原理
在淋洗过程中，体系主要存在如下平衡：稀土离子与络合剂 的络合平衡、稀土离子在树脂上吸附和解吸平衡与稀土络合 物和树脂上的另一稀土离子的交换平衡等。当淋洗剂开始流 入吸附有混合稀土RE1和RE2的树脂层时，与淋洗剂形成较稳 定络合物的RE2离子先进入溶液，另一稀土离子RE1后进入溶 液，其反应为： 3
（2）对于H+或H3O+来说，阳离子交换树脂对其亲合 力与树脂功能基的酸性强弱有关，如羧酸型阳离子交换 树脂（弱酸型的）对H+的吸附能力强，其吸附次序为：
H+>Fe3+>Al3+ >Ca2+ > Mg2+>K+ >Na+
磺酸型阳离子交换树脂（强酸型的）对H+的吸附能力弱， 其吸附次序为：
Fe3+>Al3+ >Ca2+ > Mg2+>K+ >Na+> H+ （3）在常温、稀溶液中，阴离子交换树脂的选择性与银 离子电荷、水合半径以及它们所形成的酸性有关。对于强 碱性阴树脂来说，其吸附次序： SO
而使后者形成络合物进入淋洗液。这样，在每一次交换 平衡后，RE23+在溶液中产生微小的富集。当上述络合物 的稳定性不大时，淋洗下来的络合物还能与未负荷的树 脂进行交换反应，RE3+重新被吸附：
3 RE2Y 3NH 4 RE2 NH 4 3 Y RE1Y 3NH 4 RE13 NH 4 3 Y
3 RSO RE 3 3 RSO3 H D K RE H 3 3 RE H
选择系数越大，分配比也越大。分配比还与溶液中H+浓度成 正比。H+浓度越大，分配比越小。
分离因素是两个元素的分配比的比值，是衡量离子交换色层 分离两个元素的分离效果的参数。分离因素可表示为： B A B DB B B A DA A A B A
淋洗色层即使在稀土元素的分析上应用比较普遍，在稀土元 素制备上已得到应用的实例是乙酸铵为淋洗剂分离谱，钕和 高温离子交换色层分离钇。 （2）阴离子淋洗色层 稀土离子可与一些酸性形成络阴离子，被阴离子交换树脂所 吸附。利用稀土离子与酸根形成络阴离子的能力和树脂对络 阴离子的亲和力差别来分离稀土元素的效果较差，因此这种 方法主要用于稀土元素的分组分离和稀土元素与非稀土元素 的分离。单一稀土元素的制备一般不采用阴离子淋洗色层， 但它是稀土元素分析中的分离手段之一。 稀土离子在HCl,HNO3,H2SO4的介质中，很少被阴离子树脂吸 附。当上述介质中加入有机溶剂时，阴离子树脂对稀土离子 的吸附能力会显著的改善。由于稀土络阴离子在酸-有机溶剂 体系中更加稳定，因而易被树脂所吸附。
RE2 NH 4 3 Y RE2Y 3NH 4
RE13 NH 4 3 Y RE1Y 3NH 4
随着淋洗腋下流，离子交换柱中稀土离子继续进行交换， 淋洗液中不稳定的络合物与树脂上生成稳定络合物的离子 进行交换，前者取代了后者在交换柱上的位置：
RE1Y RE RE RE2Y
因为不存在络合剂时，相邻稀土元素的分离因素接近 于1，故：
RE1 RE2
3 1 K RE2Y Y 3 1 K RE1Y Y
可以看出，在络合剂存在时，相邻稀土元素的分离因素与 稀土络合物的稳定常数和络合剂的银离子浓度有关。当所 形成的络合物稳定常数较大时，分离因素还可近似地表示 为： K
金属离子与树脂的作用是静电引力作用 ，作用力的大小与 金属离子在溶液中的有效半径成反比。所以有效半径小、 电荷多的金属离子，相对来说，树脂对其作用力要大，吸 附能力要强。 金属离子对树脂相对亲合力的大小有如下几条经验规律： （1）在常温、稀溶液中，阳树脂对金属离子的亲合力：离 子电荷高的。亲合力大，如 Th4+>RE3+>Ca2+>H+ 离子的有效半径小的，则亲合力也大，如三价稀土离子的半径随 La3+ Lu3+减小，但它们的水合离子半径则从La3+ Lu3+而 增大，树脂对它们的亲合力则随La3+ Lu3+而减小。
所以离子交换反应是可逆的平衡反应，也是非均相反应， 因此具有非均相反应的特点。
（1）离子交换反应步骤 树脂和溶液中的离子交换反应，包括如下五个步骤： A、溶液中的离子向树脂表面扩散，通过围绕树脂表面的液 体薄膜交界层，达到树脂表面。
B、到达树脂表面的离子进入树脂的交换网孔内，在树脂颗 粒内部扩散。
C、扩散进入树脂颗粒内部的离子与树脂中可交换离子（功 能基的可理解的离子）发生交换反应。
D、被交换下来的离子在树脂交联网孔内向树脂表面扩散。 E、被交换下来的离子从树脂表面向溶液中扩散。
上述五个步骤中的A、B、D和E均为扩散过程，C是离子交换 过程。一般来说，无机离子交换反应是较快的，因此总的离 子交换过程受扩散过程控制。
4.离子交换色层法分离稀土元素的过程
离子交换色层法常采用离子交换柱，以动态交换进行 元素分离，它主要包括二个过程： （1）树脂的吸附：将混合稀土溶液以适当的流速通过树脂 柱，离子在树脂柱上自上而下的进行交换而被吸附。一般 在待分离的离子吸附前，树脂要进行转型，以适应要分离 离子的吸附和解吸。 （2）淋洗：将淋洗剂以适当的流速通过树脂柱，由于淋洗 剂的作用，吸附在树脂上的离子被解吸下来，以便得到所 需的产品，并使树脂再生，可循环使用；淋洗剂一般是含 有络合剂的溶液，因此在淋洗过程中，由于络合剂对金属 离子的络合能力不同，往往加大了相邻稀土元素的分离因 素，而是稀土得到有效的分离。所以淋洗过程是离子交换 分离色层技术的一个重要步骤。
平衡常数决定溶液中离子的性质和树脂的类型。它的大小 可表示树脂对离子的吸附能力或选择性。
2.选择系数和树脂的选择性 为了比较树脂对各种离子的吸附能力，一般以氢型树脂和 溶液中离子的交换能力作比较，其表观平衡常数为： nRSO3H + Mn+ (RSO3)nM +nH+
n
H RSO3 n M K' n n RSO H M 3
6.2.2 离子交换色层的类型及其应用 在稀土元素分离方面，离子交换色层的淋洗色层和置换色 层都有重要意义 1.淋洗色层 淋洗色层又分为阳离子淋洗色层和阴离子淋洗色层
（1）阳离子淋洗色层：其特点是树脂作用与淋洗剂相同的电解 质溶液进行处理。直到树脂上的阳离子后用大量的淋洗剂进行淋洗的 一种色层技术。它能将样品中的成份完全地分离开来，所以它不 但用于单一稀土的制备，也广泛用于稀土元素的定量分析上。
3 2
3 1
因而上述反应在淋洗过程中重复进行。结果使形成稳定络合物的离 子富集在最初收集的流出液中，而形成不太稳定的络合物离子富集 在后收集的溶液中，这样两个元素就得到了分离。当条件适宜时， 再先流出的离子全收集后，可以出现空白，而后收集的则是另一种 稀土RE13+离子。
D、淋洗色层技术在稀土元素分离上的应用
对于相邻的两稀土元素来说，其分离因素：
RE
Z 1
REZ
3 3 REZ K RE 1 Z Z 1 3 3 KZ REZ RE Z 1
KZ+1、KZ表示相邻两稀土元素的选择稀疏，由于相邻稀土 元素的性质十分相似，树脂对它们的吸附能力虽有差别， 但分配比仍十分接近， 值接近于1。
树脂中离子的毫摩尔数 RSO3 3 RE 干树脂的克数 每克树脂中离子的浓度 D 3 每毫升溶液中离子的浓度 溶液中离子的毫摩尔数 RE 溶液的毫升数
分配比的单位是毫升/克，分配比是衡量树脂对离子吸附 能力的参数。 分配比与选择系数的关系可表示为：
1/n(RSO3)nM +H+
1n
KM
nH
RSO M H 3 n n 1 n RSO3 H M
选择系数可表示树脂的选择性，选择系数越大，树脂对金属离 子的选择性越强。树脂对各种金属离子选择性强弱的原因还不 十分清楚。强酸阳树脂对金属离子的差异可用树脂和金属的相 互作用以及金属离子和水的相互作用来解释。
2-
> NO - > Cl- >F- >HCO - >HSiO
-
对于弱碱阴树脂来说，其吸附能力：
OH->SO43- >NO3->PO4->Cl->HCO3(4)在高温、非水溶液或浓溶液中，树脂对离子的亲合 力不遵守上述规律。 3.分配比和分离因素 分配比是具有实际意义的参数。它是离子交换达到平衡时， 离子在树脂中的总浓度和在溶液中的总浓度的比值，不考虑 离子在树脂和液相中的状态，分配比是：
它表示平衡时氢型树脂和溶液中离子的浓度关系，即各离子 从树脂中置换出H+的能力，即选择系数，以符号KM-H表示：
KM H