第二章离子交换技术

树脂骨架
一、离子交换树脂的分类
根据活性离子，离交树脂可分为阳离子与阴离子交 换树脂；而进一步根据树脂骨架，又可分为强酸性阳离 子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交 换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。
1、强酸性阳离子交换树脂
含有强酸性基团，如-SO3H，能在溶液中离解出H+ 而呈强酸性。 RSO3H RSO3-+H+ 电离程度不受溶液pH变化的影响，在pH 1~14范围 内均能进行离子交换反应。
2、弱酸性阳离子交换树脂
含有弱酸性基团，如-COOH、-OH，能在溶液中部 分离解出H+而呈弱酸性。 RCOOH RCOO-+H+ 电离程度受溶液pH变化的影响，应用范围受到限制。 例如：-COOH -OH
含有 - COOH 的树脂，母体有芳香族和脂肪族两种。
脂肪族类型中用甲基丙烯酸和二乙烯基苯聚合的较多。 芳香族类型的用二羟基苯酸和甲醛聚合的较多。国产 树脂中弱酸l0l × l28（上海树脂厂#724）、弱酸性 #10l（南开大学树脂厂）和国外产品Ambertite IRC-50、 Wofatit C、Zerolit 226都属于弱酸性阳离子交换树脂。

第二节 离子交换剂
离子交换剂是一类能与其他物质发生离子交换的 物质，分为无机离子交换剂和有机离子交换剂，有机 离子交换剂是一种合成材料，又称离子交换树脂。 离子交换树脂是一种不溶于酸、碱、有机溶剂的 固态高分子材料，化学性质稳定，其巨大的分子可以 分成两部分：一部分是不能移动的多价高分子基团， 构成树脂的骨架；另一部分是可移动的离子，称为活 性离子，在水溶液中可以发生解离，能与溶液中的同 类型离子发生可逆交换。
浓硝酸中不稳定、耐热性较差。
酚磺酸型树脂： 是在聚乙烯树脂出现以前就被广泛应用的强酸性树 脂，可以用对羟基苯磺酸和甲醛缩合而成。

国产树脂中华东强酸阳42和国外产品Amberlite IR-100、IR-105、Dowex30、Zerolit215、Zeo Karb215、 wofatit K 、wofatit KS都属于这种。这种树脂一般为黑 色，交换量比苯乙烯树脂小，遇碱或氧化剂时，性能 易变化。在不同pH的碱性溶液中离子交换的作用不同， 因为有以上缺点，故应用范围较小。
常用强酸性阳离子交换树脂：
聚苯乙烯强酸型树脂： 一般为黑褐色，是最常用的强酸性阳离子交换树脂， 以苯乙烯为单位，向上下左右延伸的网状结构是它的母 体。母体上连结许多—SO3H。
特性：这种树脂很稳定，使用得当，经过几百次交换，
交换当量也改变不大。对各种试剂也较稳定，如较长 时间浸在5%氢氧化钠、0.1%高锰酸钾、过氧化氢水溶 液、0.1M硝酸中也不会改变性能。不溶于水和一般有 机溶剂，耐热性也比其他树脂好，必要时可以在沸水 浴上l00℃左右处理。

但当溶液中离子为有机大分子离子时，方程式要 进行修正： (m11/z1)/(（m-m1）1/z2)=K· (c11/z1)/(c21/z2) m-树脂的交换容量 原因：存在假平衡现象 假平衡现象： （1）树脂上活性中心排列过密，以致于其中一部 分被有机大分子遮住，不能进行交换； （2）有机大分子在树脂内部扩散较慢，导致平衡 误判。

第一节 离子交换原理
离子交换原理：离子交换剂上的活性离子在水溶液中
发生解离，并可在较大的范围内自由移动，从而扩散 到溶液中；同时，溶液中的同类型离子也能从溶液中 扩散到离子交换剂的网格或孔内。当两种离子存在浓 度差时，就会产生一种交换的推动力，使它们之间发 生可逆的交换作用。 浓度差越大，推动力越大，交换速度越快。
3、强碱性阴离子交换树脂
含有强碱性基团，如-NR3OH（季铵盐），能在溶 液中离解出OH-而呈强碱性。 RNR3OH RNR3++OH电离程度不受溶液pH变化的影响，在pH 1~14范围 内均能进行离子交换反应。
树脂的母体和苯乙烯强酸性树脂相同，区别在于母体
上连结有季铵。
这种强碱性树脂对酸、碱和有机溶剂比较稳定，但在
பைடு நூலகம்
举例：
1、 RSO3H+Na+ 2、 RSO3Na+H+
RSO3Na+H+ RSO3H+Na+
交换（吸附） 再生
1中，磺酸树脂对溶液中的钠离子进行吸附，当溶 液中的钠离子浓度较大时，可以将磺酸树脂上的氢离子 交换下来。当氢离子全部被钠离子取代后，树脂处于饱 和状态，不能再进行交换，此时换用换用浓度较高的酸， 可以用氢离子将钠离子交换下来，即2，可以称之为钠 离子的洗脱，也可以称为树脂柱的再生。

离子交换平衡
一般来讲，离子交换过程是按照化学上物质的量 关系来进行的，即： An++n（R-SO3）B = n B++（R-SO3）n A 1/z1 A1+1/z2 A`2 = 1/z1 A`1+1/z2 A2

离子交换的推动力是两种离子之间的浓度差，当 浓度差消失后，交换的推动力随之消失，则交换结束。 由于受到温度、pH、离子种类及强度等的影响， 交换结束的点并不恒定，这也为我们进行分离操作（吸 附与洗脱）创造了可能。 离子交换平衡：如果A1、A2都是无机离子，则 (m11/z1)/(m21/z2)=K· (c11/z1)/(c21/z2) 式中：m-树脂上离子浓度（含量） c-溶液中离子浓度 K-离子交换常数，与树脂、离子种类性质等有关， 反映了树脂对离子的选择性和交换容量
第二章 离子交换分离技术
离子交换：属于吸附分离的一种，利用离子交换 剂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷 差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗 脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。 离子交换技术长期以来用于水的处理、食品、生 物制品的提取精制及金属的回收等。在生物工业中， 离子交换广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸等工业生 产中。 离子交换分离法用于提纯各种生物活性物质具有 成本低、工艺操作方便、提炼效率高、设备结构简单、 节约有机溶剂等优点；但其缺点是难于找到合适的离 子交换剂，再就是生产周期长、生产过程中pH变化较 大。