离子交换技术
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离子交换技术
1.定义:利用离子交换剂来进行物质的分离和提纯的方法
2.原理:基于物质在固相与液相之间的分配
3.离子交换剂分类:有机离子交换树脂和无机离子交换剂
天然海绿砂
无机质
人造合成沸石
离子交换剂
碳质磺化煤强酸性磺酸基(-SO3H)
阳离子型
有机质弱酸性羧酸基(-COOH)
强碱性Ⅰ型{-N(-CH3)3}OH
离子交换树脂阴离子型Ⅱ型{-N(CH3)2}OH
弱碱性(-(NH3)OH、(=NH2)OH 或
(≡NH)OH
其他-氧化还原型、有机物清除型等
无机离子交换剂的优点:耐高温、抗辐射缺点:交换能力低、化学稳定性差、机械稳定性差
有机离子交换树脂的特点:网状结构、难溶(水、酸、碱、有机溶剂)、性质稳定(热、机械、化学)、含活性基团(-SO3H、-COOH、≡NROH)
4.离子交换树脂结构:
网状骨架上有许多功能团,以苯乙烯和二乙烯苯交联共聚体为骨架,以磺酸基为功能团。
5. 离子交换树脂分类:
按物理结构分类:凝胶型(孔径为5nm);大孔型(孔径为20—100nm);
按合成的树脂所用原料单体分类:
苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、乙烯吡啶系
最常用的分类是依据树脂离子交换功能团分:
强酸性阳离子交换树脂;弱酸性阳离子交换树脂;
强碱性阴离子交换树脂;弱碱性阴离子交换树脂
特殊的离子交换树脂:电子交换树脂,大孔离子交换树脂,螯合树脂,萃淋树脂,氧化还原树脂和纤维交换剂等
6. 离子交换树脂作用原理:
(1)电离
RSO 3H RSO 3−+H +
最常见的聚苯乙烯苯磺酸树脂,以苯乙烯和二乙烯苯交联共聚体为骨架,以磺酸基为功能团,当树脂浸泡在水溶液中,水渗入树脂相,功能团电离产生可供交换的游离离子,如上式,SO 3−联结在树脂骨架上不能自由运动,使树脂带上固定的电荷,被称为固定离子,与固定离子电荷相反的离子(如H +)称反离子,在树脂相内形成一种类似高分子电解质的“溶液”,外来离子扩散入树脂相,便能置换这些反离子,而发生
(2)交换反应
R−SO
3−H++M+RSO3−M++H+
所以,M+被吸附在树脂上,而H+
被解吸进入溶液中,这就是离子交换树脂上的离子交换过程,也可称作吸附和吸解过程。
7. 离子交换树脂物理性质:
7.1外观
(1)颜色:透明或半透明的物质,颜色各异。在使用中,由于可交换离子的转换或受杂质的污染等原因,其颜色会发生变化。
(2)形状:一般均呈球形。树脂呈球状颗粒数占颗粒总数的百分率,称为圆球率。对于交换柱水处理工艺来说,圆球率愈大愈好,它一般应达90%以上。7.2粒度
树脂颗粒的大小对水处理的工艺过程有较大的影响。颗粒大,交换速度就慢;颗粒小,水通过树脂层的压力损失就大。如果各个颗粒的大小相差很大,则对水处理的工艺过程是不利的。
有效粒径是指筛分树脂时,10%体积的树脂颗粒通过,而90%体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。均一系数是指能通过60%体积树脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂的筛孔直径之比。均一系数越接近1,表明树脂颗粒越均匀。常常见到用筛目数表示树脂粒度。
7.3密度
(1)真体积V真:质量为w1的含有平衡水的湿树脂加到水中,观察排开水的量,即得到树脂的真体积V真。
(2)视体积V视:将含平衡水的树脂装入量筒,敲击振动使体积极小,得树脂空间体积,即为视体积V视。
(3)干真密度:在干燥状态下树脂本身的密度
干树脂质量g/mL
干真密度=
树脂的真体积
此值一般为1.6左右,在实用意义不大,常用在研究树脂性能方面。
(4)湿真密度:指树脂在水中经过充分膨胀后,树脂颗粒的密度
湿树脂质量g/mL
湿真密度=
湿树脂的真体积
(5)湿视密度:指树脂在水中充分膨胀后的堆积密度
湿树脂质量g/mL
湿视密度=
湿树脂的堆体积
湿视密度用来计算交换器中装载树脂时所需湿树脂的质量,此值一般在0.60~0.85之间。
7.4含水率
含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小。对凝胶型树脂,交联度对含水量的影响比较大。
7.5溶胀性
当将干的离子交换树脂浸入水中时,其体积常常要变大,这种现象称为溶胀。
影响溶胀率大小的因素有以下几种:
(1)溶剂。树脂在极性溶剂中的溶胀性,通常比在非极性溶剂中强。
(2)交联度。高交联度树脂的溶胀能力较低。
(3)活性基团。此基团愈易电离,树脂的溶胀性愈强。
(4)交换容量。高交换容量离子交换树脂的溶胀性要比低交换容量的强。
(5)溶液深度。溶液中电解质浓度愈大,由于树脂内外溶液的渗透压差减小,树脂的溶胀率愈小。
(6)可交换离子的本质。可交换的水合离子半径愈大,其溶胀率愈大,因而在其交换和再生的过程中会发生胀缩现象,多次的胀缩就容易促使树脂颗粒碎裂。
7.6耐磨性
一般,其机械强度应能保证每年的树脂耗损量不超过3%~7%。
7.7溶解性
离子交换树脂含有的少量低聚物较易溶解。离子交换树脂在使用中,有时也会发生转变成胶体渐渐溶入水中的现象,即所谓胶溶。
7.8耐热性
通常,盐型要比酸型或碱型稳定。
7.9抗冻性
7.10耐辐射性能
在有核反应堆的企业中,所用离子交换剂的抗辐射性是很重要的。一般而论,无机离子交换剂的耐辐射性能较好,而树脂均易降解,其中又以阴树脂为严重。
7.11导电性
干燥的离子交换树脂不导电,纯水也不导电,但用纯水润湿的离子交换树脂可以导电,所以这种导电属于离子型导电。这种导电在离子交换膜及树脂的催化作用上很重要。
8.离子交换树脂化学性质
8.1酸碱性
离子交换树脂是聚电解质,其功能团释出H+或OH–能力的不同表示它们的酸碱性。
8.2交联度
使各个单体交联而形成树脂交聚物的物质称交聚剂,树脂中含交聚剂的重量百分数称交联度。交联度大小反映了树脂网状结构间空隙的大小。交联度大,树脂间空隙小;交联度小,空隙大。不同空隙大小影响了离子交换的速度和对不同离子的选择性。
8.3交换容量