离子交换PPT..

离子交换
2013-6-8
(5)搅拌速率：当液膜控制时，增加搅拌速率会使交换速度 增加。但增大到一定程度后再继续增加转速，对交换速度 影响就比较小。 (6)溶液浓度：
离 子 交 换 速 率
0.01M
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溶液浓度
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六 离子交换的选择性
离子交换树脂的选择性就是某种树脂对不同离 子交换亲和能力的差别，离子和树脂活性基的亲和力 越大，就越容易被该树脂所吸附。离子交换选择性集 中地反应在交换常数K值上。
[ R B] [ R A] K [ B]S [ A]S
B A
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式中，
B 为树脂上的A离子、B离子浓度比与溶液中A离 KA B ＞1表示树脂上B离子与A KA
子、B离子浓度比的比值。
离子的相对含量比溶液中高。即B离子对树脂的亲和力大
于A离子， K B 值越大，B离子越易被交换。
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(2)离子交换过程 将欲分离的试液缓慢注入交换柱内，并以 一定的流速由上向下流经柱子进行交换。 速率控制十分重要
I
始 漏 量
V0
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流出曲线
V
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始漏量：随着试液不断地流经柱子，交换了的树脂层 越来越厚，继续加试液于交换柱中，则流出液中开始出现 末被交换的离子．此时交换过程达到了“始漏点”，被交 换到柱上的离子的量(mmol)称为该交换柱在此条件下的 “始漏量”。 交换容量与始漏量：交换柱的总交换容量大于始漏量， 由于达到始漏点时，柱上还有未交换的树脂。
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一般商品树脂中含有一定量的杂质，所以在使用前必 须进行净化处理。对强碱性和强酸性阴阳离子交换树脂， 通常用4mol/LHCl溶液浸泡1-2天，以溶解各种杂质，然后 用蒸馏水洗涤至中性。这样就得到在活性基团上含有可被 交换的H+或Cl-的氢型阳离子交换树脂或氯型阴离子交换树 脂。如果需要钠型阳离子交换树脂，则用NaCl处理氢型阳 离子交换树脂。
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②弱碱性阴离子交换树脂 活性基团：伯胺基团（—NH2）、仲胺基团（—NHR）和叔 胺基团[—N(R)2]以及吡啶基团（C6H5N）。 特点：交换能力受溶液pH的变化影响很大，pH越低，交 换能力越高，反之则小，故在pH﹤7的溶液中使用。
Ⅲ其他类型的树脂
①大孔离子交换树脂
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H+ < Na+ < K+ < Ag+ Ag+
C
Na+
K+
t 淋洗曲线
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(4)再生 是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程。 对于阳离子交换树脂常采用HCl溶液将树脂转为氢型； 阴离子交换树脂常采用NaCl或NaOH溶液将树脂转为氯型或 氢氧型。 方式有：顺流再生和逆流再生
A
Leabharlann Baidu
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七 离子交换操作方法
1 树脂的选择 主要依据被分离物的性质和分离目的。 2 树脂的预处理 应用最多的为强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子 交换树脂。生产商出厂的交换树脂颗粒大小往往不够均匀， 故使用时应当先过筛以除去太大和太小的颗粒，也可以用 水泡胀后用筛在水中选取大小一定的颗粒备用。
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五 离子交换过程理论
1 离子交换速度 五个步骤： ① A+自溶液中扩散到树脂表面 ② A+从树脂表面进入树脂内部的活 性中心 ③ A+与RB在活性中心上发生复分解 反应 ④ 解吸附离子B+自树脂内部扩散至 树脂表面 ⑤ B+离子从树脂表面扩散到溶液中
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2 机械强度：将离子交换树脂先经过酸、减溶液处理后，将 一定量的树脂置于球磨机或振荡筛中撞击、磨损，一定时 间后取出过筛，以完好树脂的质量分数来表示。生物分离 中要求机械强度在95%以上。
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3 交换容量：单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树 脂(重量表示法)可发生交换的活性基团数量。 4 膨胀度：是指干树脂在水溶液中吸水后造成体积膨胀的程 度。膨胀的原因：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。 5 交联度：树脂中所含交联剂的质量百分率。树脂的交联度 一般4％一14％为宜。
活性基团：有磺酸基团（—SO3H）和次甲基磺酸基团（— CH2SO3H）。
特点：它们都是强酸性基团，其电离程度大且不受溶液pH 变化的影响，当pH在1-14范围内时，均能进行离子交换反 应。
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磺酸型阳离子交换树脂与钠离子的交换反应:
RSO RSO 3 H Na 3 Na H
④螯合树脂 树脂上含有具有螯合能力的基团，既可以形成离子键， 又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子。 ⑤多糖基离子交换树脂 亲水性强、交换空间大、对生物大分子无致变性作用。 可以分为离子交换纤维素和葡聚糖凝胶离子交换剂
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三、离子交换树脂的命名
1977年我国颁布的规范化命名法规定离子交换树脂的 型号由3位阿拉伯数字组成，第一个数字代表产品的分 类，第二个数字代表骨架，第三个数字为顺序号，用 以区别基团、交联度等。并用0-6七个数字表示。
外部扩散 一般来说， 外部扩散 和内部扩 散是控制 步骤。
① ② ③ ④ ⑤ 水 膜
内部扩散 离子交换反 应
树脂颗粒
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2 影响交换速度的因素 (1)颗粒大小 ：颗粒减小，有利于提高交换速度。 (2)交联度 ：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就越 容易。
(3)离子化合价：离子在树脂中扩散时，和树脂骨架间存在库 伦引力。离子的化合价越高，这种引力越大，因此扩散速率 就越小。 (4)离子的大小：小离子的交换速度比较快，大分子会和树脂 骨架碰撞，速度较慢。
交换过程


②弱酸性阳离子交换树脂 主要是羧酸型树脂和酚型树脂。 活性基团：有羧酸基团（—COOH）、氧酸基团（— OCH2COOH）、酚羟基团（—C6H5OH）及β-双酮基团（— COCH2COCH3）等。
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特点：其电离程度受pH的变化影响很大，在酸性溶液中几乎 不发生离子交换反应，其交换能力随溶液pH的下降而减小， 随pH的升高而递增。
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(3)洗脱 采用适当的洗脱液，将交换吸附在离子交换剂上的组 分离子逐次洗脱下来，以达到分离目的。 混合溶液中含有多种组分离子时，在洗脱过程中，按 组分离子与交换剂的亲和力由小到大的顺序先后洗出。亲 和力小的离子先洗出，亲和力最大的离子最后洗出。
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亲和力大小
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②两性树脂 同时含有酸、碱两种基团的树脂叫两性树脂，有强碱弱酸和弱碱-弱酸两种类型。如热再生树脂、蛇笼树脂。 ③均孔离子交换树脂 主要是阴离子交换树脂，与普通 凝胶型树脂相比，其骨架的交联度 比较均匀，孔径大小一致，机械强 度好，抗污染和再生能力强。
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离子交换法是利用溶液中各种带电粒子与离子交换剂之 间结合力的差异进行物质分离的操作方法。带电粒子与离 子交换剂间的作用力是静电力，他们的结合是可逆的，即
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在一定的条件下能够结合，条件改变后也可以被释放出来 的。 离子交换法广泛应用于脱色、转盐、脱盐以及制备软 水、无盐水等。随着新树脂的出现和应用技术的进步，离 子交换技术已经广泛渗透到水处理、金属冶炼、原子能科 学技术、海洋资源开发、化工生产、糖类精制、食品加工、 医药卫生、分析化学及环境保护等领域。
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离子交换
代号
分类名称 强酸性
骨架名称 苯乙烯系
D201
大孔型苯乙烯系 季铵Ⅰ型强碱性 阴离子交换树脂
0
1
2 3 4 5
弱酸性
强碱性 弱碱性 螯合性 两性
丙烯酸系
酚醛系 环氧系 乙烯哌啶系 脲醛系
6
离子交换
氧化还原
氯乙烯系
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四、离子交换树脂的理化性能
1 外观：多为球形，直径为0.2-1.2mm（16-70目），一般有 黄、白、黄褐及红棕等几种色泽，常选用浅色树脂。
凝胶型离子交换树脂
离子交换
顺序号 骨架代号
分类代号 大孔型号 大孔型离子交换树脂
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代号
分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性
骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系
001×7
凝胶型苯乙烯系强 酸阳性离子交换树 脂（交联度7%）
0 1 2
3
4 5 6
弱碱性
螯合性 两性 氧化还原
环氧系
乙烯哌啶系 脲醛系 氯乙烯系
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3 离子交换的操作过程
(1)装柱
装置交换柱时，先在交换柱的下端铺上一层玻璃丝，灌 入少量水，然后倾入带水的树脂，树脂就下沉而形成交换 层。装柱时应防止树脂层中存留气泡，以免交换时试液与 树脂无法充分接触。树脂高度一般约为柱高的90%。为防 止加试液时树脂被冲起，在柱的上端亦应铺一层玻璃纤维。 交换枝装好后，再用蒸馏水洗涤，关上活塞，以备使用。 应当注意不能使树脂露出水面，因为树脂露于空气中，当 加入溶液时，树脂间隙中会产生气泡，而使交换不完全。
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二、离子交换树脂及其分类
(一)、离子交换树脂 固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子 交换特性的有机高分子聚电解质。
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当树脂处在溶液中时，活性离子可以与 溶液中的同性离子，按与树脂的固定离 子（功能基）的化学亲和力不同产生交 1离子交换树脂组成 换过程 母体(骨架R)：不能自由移动 离子交 换树脂 活性基团（功能基团）：不能移动 活性离子（平衡离子）：可自由迁移 如：聚苯乙 烯型钠树脂
③中强酸性阳离子交换树脂
活性基团：
磷酸基团[—PO(OH)2]和次磷酸基团[—PHO(OH)]。
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Ⅱ阴离子交换树脂 如果活性基释放的活性离子是阴离子，则这种离子交换 树脂能交换能交换溶液中的阴离子，称为阴离子交换树脂。 ①强碱性阴离子交换树脂 活性基团：季铵基团，有三甲氨基团[RN+(CH3)3OH-](Ⅰ型) 和二甲基-β-羟基乙基氨基团[RN+(CH3)2(C2H4OH)OH-](Ⅱ 型)。 特点：不受溶液pH变化的影响。
普通凝胶树脂的空隙小于3nm， 而大孔树脂可达100mm，甚至 可达1000mm 大孔离子交换树脂特点： “永久孔”、大孔、不透明状、减少“有机污染”的现象。 由于大孔对光的 大 漫反射，从外观 大孔树脂在合成时由于加入惰性 孔 离 上看大孔树脂呈 的致孔剂，待网格骨架固化和链 子 不透明状。 结构单元形成后，用溶剂萃取或 交 换 水洗蒸馏将致孔剂去掉，留下了 树 不受外界条件影响的空隙。 脂 由于大孔树脂的 孔隙较大，因此 大分子的有机物 容易洗脱。
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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 分类名称 强酸性 骨架名称 苯乙烯系
1 2 3 4 5 6
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弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性 两性 氧化还原
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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国产离子交换树脂命名原则图 × D
交联度数字 连接符号 顺序号 骨架代号 分类代号
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一、离子交换的基本概念 二、离子交换树脂及其分类 三、离子交换树脂的命名 四、离子交换树脂的理化性能 五、离子交换过程理论 六、离子交换的选择性 七、离子交换操作方法
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一、离子交换的基本概念
离子交换法是应用合成的离子交换树脂作为吸附剂，将 溶液中的物质依靠库仑力吸附在树脂上，然后用合适的洗 脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯 的目的。
离子交换
R—SO3Na
母体 活性 基团
活性离 子
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聚 苯 乙 二乙烯苯交联 桥 烯 型 离 子 交 换 树 脂 固定阴离子 示 交换基 SO 意 等 图
3
聚乙烯链
可交换离子 等 水合水
Na

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根据活性基释放活 2 离子交换树脂分类 性离子的不同
根据酸、碱 性的强弱 强酸性阳离子交换树脂
阳离子交换树脂 离子交 换树脂
含酸性基团
弱酸性阳离子交换树脂
中强酸性阳离子交换树脂 强碱性阴离子交换树脂
阴离子交换树脂
含碱性基团
弱碱性阴离子交换树脂 中强碱性阴离子交换树脂
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离子交换
Ⅰ阳离子交换树脂
如果活性基释放的活性离子是阳离子，这种离子交换 树脂能和溶液中的其他阳离子发生交换，这类树脂称为阳 离子交换树脂。 ①强酸性阳离子交换树脂