《离子交换剂平衡》PPT课件
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第三章 离子交换平 衡
一、离子交换反应
1、离子交换反应发生的原理
离子交换树脂功能团上的可交换离子（即反离子）由于热运动的结 果，它们可在树脂网状结构空间内自由运动（但由于功能团上固定 离子的相反电荷的静电引力的束缚，运动只限于网状结构空间内）， 当溶液中的离子与树脂的可交换离子所带电荷符号相同，并且扩散 到树脂内部时，两者便会发生交换反应，而树脂的骨架及固定离子 基团在交换反应中不发生变化。
◆在流出曲线中，曲线bfe左边区域的abfecd面积与吸附于树脂上的Me 离子的量相对应，右边区域的面积则与流入交后液中的Me离子的量相对 应。
◆b—漏穿点；
◆abcd—与树脂的穿透交换容量相对应；
◆abfed—与树脂的饱和交换容量相对应；
3、影响流出曲线的因素：
流出曲线的“波形（斜率变化）、宽度（漏穿点至饱和点）、漏穿点 出现的位置”三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线 是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线，它反映了“交换体 系”、“设备结构”、“操作条件”、“交换平衡”、“传质动力学” 的综合影响。
H/D大可改善柱内的树脂填充状态、改善液流分布有利于交换
总之，越利于反 应快速进行、越 有利于反应进行 完全的因素，越 有利于交换带宽 度变窄、斜率变 大、穿透点出现 变晚。
4、交换带高度的计算
浓度剖面线：假设把交换柱水平放 置，柱底在右柱顶在左。把树脂床 分为许多极薄的层，以每一层中所 含溶液该离子的平均浓度为纵坐标， 以树脂床高为横坐标作图，所得曲 线即为浓度剖面线。
fc
面积V0 VB PC 0 面积V0 VSPC 0
交换区从穿透到流出柱外的流出时间 tJ 相当于料液充满交换区的时间
tJ=（HJ×A）/QL
QL为流出液的体积流速，如M3/h等；A为交换柱横截面积。 4）交换区的形成时间
交换区从料液开始进入树脂床，到完全形成交换区的时间tF，可以由 交换区的树脂负载率估计：
子量q（z 摩 尔VV SB数(C）o 为C:)dV
等于图中阴影面积VBSB
而交换区内树脂的理论吸附量Qz
（摩尔数）为：Qz＝Co（VS－V
B交）换，区等内于已图经中交矩换形的面树积脂VB分VS数SB。 Vo
S
f
为：
f
qz Qz
面积VB SB 面积VBVST SB
2）交换柱的树脂负载率
3）交换区的流出时间
二、离子交换柱内离子的吸附交换过程
欲交换的离子流经离子交换柱时，树脂对溶液中离子的吸附（或交换） 是自上而下逐渐进行的。以氨型磺酸阳离子交换树脂吸附溶液中的Men+ 离子为例说明柱内吸附过程。 1、交换带、饱和带及空白带
料液
I ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱI III
I 区：该区域树脂已全部被Men+所饱
和，在该区域溶液中Me的浓度C等于初
KAB—A型树脂对B的选择性系数 [RA]—A离子在树脂相的浓度 [A]—A离子在水溶液的中浓度
[RB]—B离子在树脂相的浓度 [B]—A离子在水溶液的中浓度
如果KAB>1，则A型树脂对B的选择性高 如果KAB<1，则B型树脂对A的选择性高
影响流出曲线或贯穿参量的因素：
（1）树脂对交换离子的亲和力 亲和力越大，则交换带（Ⅱ）高度越小，故流出曲线斜率变化大，
波形陡峭，漏穿点出现晚，漏穿容量越大，柱利用率也越高。 （2）树脂粒度 （3）树脂交联度 （4）树脂容量 （5）操作流速 （6）料液浓度
降低料液浓度有利于提高柱效率，而在扩散控制的情况下增加料 液浓度有利于提高交换速度 （7）操作温度 （8）柱形、柱高
始II浓区度：C0该，区称域为树饱脂和只带吸。附了部分Men+ 离子，正在继续吸附自上而下流入的M
en+离子。树脂上同时含有NH4+和Men+离 子，但各点的交换程度不同，自上而
下II吸I区附：的该Me区n+域离的子树浓脂度还逐没渐有减与小M，en该+离
区子域进称行为交交换换，带仍（保或留交原换来层的）NH。4+型，
2、离子交换反应的表示方法
R—SO3H + NaCl = R—SO3Na + HCl
R—NOH + NaCl = R—NCl + NaOH
在反应式中各种离子交换树脂的表示方法
磺酸型阳离子交换树脂： R—SO3H 羧酸型阳离子交换树脂： R—COOH 季铵型阴离子交换树脂： R NCl
叔胺型阴离子交换树脂： R N·HCl 仲胺型阴离子交换树脂： R NH·HCl 伯胺型阴离子交换树脂： R—NH2·HCl
tF=（1-fJ）tJ
5）交换区的高度与柱高的关系
HJ
HC
VJ V BVJ
fJ
A
VJ—交换区体积 HC —树脂床高
6）由流出曲线计算树脂交换容量
任意给定的流出液体积Vi下，树脂交换容量M为 Vo
M=C0×（面积V0VBi I A / V0Vi I A）/ 树脂量
I
i
Vi
S
◆在实际应用中，为保证较高的树脂利用率，树脂床必须足够高，以保
证远大于交换区高度。
◆ 在做实验时，交换柱的直径也不能过小，一般至少应为树脂粒径的25
倍，以减少壁效应。
三、离子交换平衡
1、选择系数 离子交换树脂对离子选择型的大小，或者各种离子对树脂亲和力的大小， 常用离子交换选择系数来表示。
1）对于1价离子：
RA + B = RB + A
平衡时：
K
B A
[RB][A] [B][RA]
◆浓度剖面线与流出曲线在垂直方
向互为镜像对称。
◆浓度剖面线反映了交换柱状态，
但是它难以测定，但是可以通过测 定流出曲线获得交换柱的工作状态。
交换带高度HJ=(VS-VB)/A
VS—树脂饱和时流过料液 的体积 VB —漏穿时流过料液的体 积
5、从流出曲线计算交换柱工作参数 1）树脂负载率
由漏穿点VB至饱和点VS之间交 换区内树脂由溶液中吸附的离
0
C/C0
1 该区域溶液中的Men+离子浓度等于0， 该区域称为空白带。
2、流出曲线
流出曲线的形成过程
C/C0d a
ce f
b
流出曲线：当料液不断流入交换柱时，交换带将不断向下移动，但是从 交后液中Men+的浓度一直为零。当交换带移动到柱底时 ，则交后液中开 始检测到有Me出现，称为“漏穿点”。随后交后液中Men+浓度逐渐增大， 一直增大到原始浓度C0。如果以交后液体积V或流出时间t为横坐标，以交 后液中Men+浓度与料液中Men+浓度之比c/c0为纵坐标作图，所得曲线称为 “流出曲线”。
一、离子交换反应
1、离子交换反应发生的原理
离子交换树脂功能团上的可交换离子（即反离子）由于热运动的结 果，它们可在树脂网状结构空间内自由运动（但由于功能团上固定 离子的相反电荷的静电引力的束缚，运动只限于网状结构空间内）， 当溶液中的离子与树脂的可交换离子所带电荷符号相同，并且扩散 到树脂内部时，两者便会发生交换反应，而树脂的骨架及固定离子 基团在交换反应中不发生变化。
◆在流出曲线中，曲线bfe左边区域的abfecd面积与吸附于树脂上的Me 离子的量相对应，右边区域的面积则与流入交后液中的Me离子的量相对 应。
◆b—漏穿点；
◆abcd—与树脂的穿透交换容量相对应；
◆abfed—与树脂的饱和交换容量相对应；
3、影响流出曲线的因素：
流出曲线的“波形（斜率变化）、宽度（漏穿点至饱和点）、漏穿点 出现的位置”三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线 是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线，它反映了“交换体 系”、“设备结构”、“操作条件”、“交换平衡”、“传质动力学” 的综合影响。
H/D大可改善柱内的树脂填充状态、改善液流分布有利于交换
总之，越利于反 应快速进行、越 有利于反应进行 完全的因素，越 有利于交换带宽 度变窄、斜率变 大、穿透点出现 变晚。
4、交换带高度的计算
浓度剖面线：假设把交换柱水平放 置，柱底在右柱顶在左。把树脂床 分为许多极薄的层，以每一层中所 含溶液该离子的平均浓度为纵坐标， 以树脂床高为横坐标作图，所得曲 线即为浓度剖面线。
fc
面积V0 VB PC 0 面积V0 VSPC 0
交换区从穿透到流出柱外的流出时间 tJ 相当于料液充满交换区的时间
tJ=（HJ×A）/QL
QL为流出液的体积流速，如M3/h等；A为交换柱横截面积。 4）交换区的形成时间
交换区从料液开始进入树脂床，到完全形成交换区的时间tF，可以由 交换区的树脂负载率估计：
子量q（z 摩 尔VV SB数(C）o 为C:)dV
等于图中阴影面积VBSB
而交换区内树脂的理论吸附量Qz
（摩尔数）为：Qz＝Co（VS－V
B交）换，区等内于已图经中交矩换形的面树积脂VB分VS数SB。 Vo
S
f
为：
f
qz Qz
面积VB SB 面积VBVST SB
2）交换柱的树脂负载率
3）交换区的流出时间
二、离子交换柱内离子的吸附交换过程
欲交换的离子流经离子交换柱时，树脂对溶液中离子的吸附（或交换） 是自上而下逐渐进行的。以氨型磺酸阳离子交换树脂吸附溶液中的Men+ 离子为例说明柱内吸附过程。 1、交换带、饱和带及空白带
料液
I ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱI III
I 区：该区域树脂已全部被Men+所饱
和，在该区域溶液中Me的浓度C等于初
KAB—A型树脂对B的选择性系数 [RA]—A离子在树脂相的浓度 [A]—A离子在水溶液的中浓度
[RB]—B离子在树脂相的浓度 [B]—A离子在水溶液的中浓度
如果KAB>1，则A型树脂对B的选择性高 如果KAB<1，则B型树脂对A的选择性高
影响流出曲线或贯穿参量的因素：
（1）树脂对交换离子的亲和力 亲和力越大，则交换带（Ⅱ）高度越小，故流出曲线斜率变化大，
波形陡峭，漏穿点出现晚，漏穿容量越大，柱利用率也越高。 （2）树脂粒度 （3）树脂交联度 （4）树脂容量 （5）操作流速 （6）料液浓度
降低料液浓度有利于提高柱效率，而在扩散控制的情况下增加料 液浓度有利于提高交换速度 （7）操作温度 （8）柱形、柱高
始II浓区度：C0该，区称域为树饱脂和只带吸。附了部分Men+ 离子，正在继续吸附自上而下流入的M
en+离子。树脂上同时含有NH4+和Men+离 子，但各点的交换程度不同，自上而
下II吸I区附：的该Me区n+域离的子树浓脂度还逐没渐有减与小M，en该+离
区子域进称行为交交换换，带仍（保或留交原换来层的）NH。4+型，
2、离子交换反应的表示方法
R—SO3H + NaCl = R—SO3Na + HCl
R—NOH + NaCl = R—NCl + NaOH
在反应式中各种离子交换树脂的表示方法
磺酸型阳离子交换树脂： R—SO3H 羧酸型阳离子交换树脂： R—COOH 季铵型阴离子交换树脂： R NCl
叔胺型阴离子交换树脂： R N·HCl 仲胺型阴离子交换树脂： R NH·HCl 伯胺型阴离子交换树脂： R—NH2·HCl
tF=（1-fJ）tJ
5）交换区的高度与柱高的关系
HJ
HC
VJ V BVJ
fJ
A
VJ—交换区体积 HC —树脂床高
6）由流出曲线计算树脂交换容量
任意给定的流出液体积Vi下，树脂交换容量M为 Vo
M=C0×（面积V0VBi I A / V0Vi I A）/ 树脂量
I
i
Vi
S
◆在实际应用中，为保证较高的树脂利用率，树脂床必须足够高，以保
证远大于交换区高度。
◆ 在做实验时，交换柱的直径也不能过小，一般至少应为树脂粒径的25
倍，以减少壁效应。
三、离子交换平衡
1、选择系数 离子交换树脂对离子选择型的大小，或者各种离子对树脂亲和力的大小， 常用离子交换选择系数来表示。
1）对于1价离子：
RA + B = RB + A
平衡时：
K
B A
[RB][A] [B][RA]
◆浓度剖面线与流出曲线在垂直方
向互为镜像对称。
◆浓度剖面线反映了交换柱状态，
但是它难以测定，但是可以通过测 定流出曲线获得交换柱的工作状态。
交换带高度HJ=(VS-VB)/A
VS—树脂饱和时流过料液 的体积 VB —漏穿时流过料液的体 积
5、从流出曲线计算交换柱工作参数 1）树脂负载率
由漏穿点VB至饱和点VS之间交 换区内树脂由溶液中吸附的离
0
C/C0
1 该区域溶液中的Men+离子浓度等于0， 该区域称为空白带。
2、流出曲线
流出曲线的形成过程
C/C0d a
ce f
b
流出曲线：当料液不断流入交换柱时，交换带将不断向下移动，但是从 交后液中Men+的浓度一直为零。当交换带移动到柱底时 ，则交后液中开 始检测到有Me出现，称为“漏穿点”。随后交后液中Men+浓度逐渐增大， 一直增大到原始浓度C0。如果以交后液体积V或流出时间t为横坐标，以交 后液中Men+浓度与料液中Men+浓度之比c/c0为纵坐标作图，所得曲线称为 “流出曲线”。