水处理-离子交换分离
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(4) H+对强酸性离子交换树脂的亲和力在Na+与Li+之间，离 子交换树脂的酸性越弱， H+与其亲和力越大； (5) OH-对强碱性离子交换树脂的亲和力在Ac-与F-之间，离 子交换树脂的碱性越弱， OH-与其亲和力越大；
KP
cRM cM n
分配系数KP反映了离子与树脂的亲和力大小。
不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律：
(1) 稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大； (2) 相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大；
2020/8/17
15
(3) 多元素阴离子亲和力的顺序为： SO42->C2O42- >I->NO3-> CrO42- > Br-> SCN-> Cl-> Ac->F-
第三章 离子交换分离
(ion exchange)
3.1 离子交换基本原理 3.2 离子交换剂 3.3 离子交换分离过程 3.4 离子交换应用
❖ 离子交换分离是利用离子交换剂与溶液中欲分 离的离子之间发生交换反应而实现分离的方法， 是在固液两相中进行的单元操作。
❖ 阳离子交换反应： Resin-SO3H + Na+ = Resin-SO3Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3H + Na +
交联度
８％
１２％
1.00
1.00
1.27
1.47
1.98
2.37
2.55
3.34
2.90
4.50
3.16
4.62
3.25
4.66
8.51
22.9
1.24
28.5
wk.baidu.com
2.45
3.34
阳离子
Mg 2+ Zn 2+ Co 2+ Cu 2+ Cd 2+ Ni 2+ Ca 2+ Sr 2+ Pb 2+ Ba 2+
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二、 离子交换平衡
2020/8/17
离子交换反应的界面过程
10
二、 离子交换平衡
❖ 由于离子交换反应是可逆的，进行的方向主要取 决于树脂相和溶液相中各种离子的相对浓度。
❖ 树脂相和溶液相中离子浓度差作为推动力，推动 着交换反应的进行。当反应进行到一定程度时， 就达到了离子交换平衡状态。此时，每一种物质 在树脂相中的化学势与在溶液相中的化学势相等， 即：
5
一、道南理论(Donnan Theory)——膜平衡理论
几点假设：
a. 把树脂看作是凝胶吸 水溶涨；
b.树脂颗粒和外部溶液之间
的界面看作是一种半透膜， 膜的一边是树脂相，另一 边是溶液相；
c.树脂上的可交换离子和外
部溶液中的离子，可通过 半透膜相互扩散；树脂骨 架上的固定离子不能扩散
d.当膜内外同类型离子扩散透过半透膜的速率相等时，
[H+]内=[Cl-]内+[R-] 将[H+]外[H+]内代入质量作用定律，得
[Cl-] 外2 =[Cl-]内*[[Cl-]内+[R-]] ❖ 由于膜内有较多的固定离子存在,因此[R-]很大，则
[Cl-] 外>> [Cl-]内, [H+]内>>[H+]外
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二、 离子交换平衡 ❖ 离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中
电解质之间的化学置换反应。其反应一般是可逆 的。
阳离子交换：R-A+ + B+ = R-B+ + A+
阴离子交换：R+C- + D- = R+D- + C-
❖ 如：树脂上有可交换离子Na+，溶液中有Ca2+ Ca2+与树脂上的Na+交换 Na+进入溶液。
当溶液Na+ 浓度很高时 Na+又置换树脂上的Ca2+
B A
A 外 B 内 A 内 B 外
应该用离子的活
度来表示，但在稀溶液中，离子的活度系数非常接近于1，
可近似的用浓度来代替。
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某些离子在阳离子树脂上的选择系数：
阳离子
Li+ H+ Na + NH4 + K+ Rb + Cs + Ag + Tl +
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UO2 2+
去除效率高； 适用性强，应用范围广(无机、有机及高纯物的
制备）；
交换剂可反复使用； 操作简便，分离容易
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3.1 离子交换的基本理论
3.1 离子交换机理
❖ 离子交换热力学——平衡问题，反应的 方向和限度
❖ 离子交换动力学——速率问题，反应的 历程和达到平衡的时间
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交联度
８％
１２％
3.29
3.51
3.47
3.78
3.74
3.81
3.85
4.46
3.88
4.95
3.93
4.99
5.16
7.27
6.51
10.1
9.91
18.0
14
11.5
20.8
二、离子交换亲和力与选择性系数
离子交换中的分配系数是某种离子在树脂上的浓度与在溶 液中的浓度之比，对阳离子Mn+，分配系数KP为：
❖ 根据唐南原则，阳离子只能交换阳离子, 不能交换 阴离子; 阴离子也只能交换阴离子,不能交换阳离 子。
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一、道南理论 (Donnan Theory)
❖ 离子交换过程也适用质量作用定律
[H+]内[Cl-]内=[H+]外[Cl-]外 由于膜两边电荷呈中性，即 [H+]外=[Cl-]外，
(Gi0 RT ln i )树脂 (Gi0 RT ln i )溶液
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二、 离子交换平衡
离子交换平衡可用平衡常数来表示。
例如：将树脂R-A浸入含有B＋的溶液中，B+与A+能通过半
透膜进行交换： RA+内+ B+外= RB+内+ A+外
达到平衡后，平衡常数
K
B A
A 外 B 内 A 内 B 外
如果 KAB > 1，表示B+比较牢固地结合在树脂上；
如果 KAB < 1，则表示A+比较牢固的结合在树脂上。
∴ KAB的数值说明了离子交换树脂对A+ 、 B+ 两种离子的选 择性，因此称为选择性系数。 KAB越大，离子交换树脂对B+ 的选择性越大。
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❖
严格来说，平衡常数
K
2020/离8/17子交换过程达到平衡。
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一、道南理论(Donnan Theory)
以H型阳离子交换树脂为例：
❖ 道南原则：将H型阳离子交换树脂浸入盐酸（HCl） 溶液，则树脂上的H+可以进入外部溶液，而外部 溶液中的H+和 Cl- 也可以进入内部溶液。当膜内 外H+和Cl-扩散通过半透膜的速度相等时，交换达 到了平衡。
❖ 阴离子交换反应： Resin-N(CH3)3OH+Cl- =Resin-N(CH3)3Cl+ OHResin-N(CH3)3Cl+OH- =Resin-N(CH3)3OH+Cl–
离子交换反应是一可逆反应。
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离子交换过程的特点：
选择性高：主要去除离子化的物质，并进行等 物质的量交换；
KP
cRM cM n
分配系数KP反映了离子与树脂的亲和力大小。
不同离子对树脂的亲和力大小具有如下规律：
(1) 稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大； (2) 相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大；
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(3) 多元素阴离子亲和力的顺序为： SO42->C2O42- >I->NO3-> CrO42- > Br-> SCN-> Cl-> Ac->F-
第三章 离子交换分离
(ion exchange)
3.1 离子交换基本原理 3.2 离子交换剂 3.3 离子交换分离过程 3.4 离子交换应用
❖ 离子交换分离是利用离子交换剂与溶液中欲分 离的离子之间发生交换反应而实现分离的方法， 是在固液两相中进行的单元操作。
❖ 阳离子交换反应： Resin-SO3H + Na+ = Resin-SO3Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3H + Na +
交联度
８％
１２％
1.00
1.00
1.27
1.47
1.98
2.37
2.55
3.34
2.90
4.50
3.16
4.62
3.25
4.66
8.51
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1.24
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阳离子
Mg 2+ Zn 2+ Co 2+ Cu 2+ Cd 2+ Ni 2+ Ca 2+ Sr 2+ Pb 2+ Ba 2+
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二、 离子交换平衡
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离子交换反应的界面过程
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二、 离子交换平衡
❖ 由于离子交换反应是可逆的，进行的方向主要取 决于树脂相和溶液相中各种离子的相对浓度。
❖ 树脂相和溶液相中离子浓度差作为推动力，推动 着交换反应的进行。当反应进行到一定程度时， 就达到了离子交换平衡状态。此时，每一种物质 在树脂相中的化学势与在溶液相中的化学势相等， 即：
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一、道南理论(Donnan Theory)——膜平衡理论
几点假设：
a. 把树脂看作是凝胶吸 水溶涨；
b.树脂颗粒和外部溶液之间
的界面看作是一种半透膜， 膜的一边是树脂相，另一 边是溶液相；
c.树脂上的可交换离子和外
部溶液中的离子，可通过 半透膜相互扩散；树脂骨 架上的固定离子不能扩散
d.当膜内外同类型离子扩散透过半透膜的速率相等时，
[H+]内=[Cl-]内+[R-] 将[H+]外[H+]内代入质量作用定律，得
[Cl-] 外2 =[Cl-]内*[[Cl-]内+[R-]] ❖ 由于膜内有较多的固定离子存在,因此[R-]很大，则
[Cl-] 外>> [Cl-]内, [H+]内>>[H+]外
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二、 离子交换平衡 ❖ 离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中
电解质之间的化学置换反应。其反应一般是可逆 的。
阳离子交换：R-A+ + B+ = R-B+ + A+
阴离子交换：R+C- + D- = R+D- + C-
❖ 如：树脂上有可交换离子Na+，溶液中有Ca2+ Ca2+与树脂上的Na+交换 Na+进入溶液。
当溶液Na+ 浓度很高时 Na+又置换树脂上的Ca2+
B A
A 外 B 内 A 内 B 外
应该用离子的活
度来表示，但在稀溶液中，离子的活度系数非常接近于1，
可近似的用浓度来代替。
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某些离子在阳离子树脂上的选择系数：
阳离子
Li+ H+ Na + NH4 + K+ Rb + Cs + Ag + Tl +
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UO2 2+
去除效率高； 适用性强，应用范围广(无机、有机及高纯物的
制备）；
交换剂可反复使用； 操作简便，分离容易
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3.1 离子交换的基本理论
3.1 离子交换机理
❖ 离子交换热力学——平衡问题，反应的 方向和限度
❖ 离子交换动力学——速率问题，反应的 历程和达到平衡的时间
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交联度
８％
１２％
3.29
3.51
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6.51
10.1
9.91
18.0
14
11.5
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二、离子交换亲和力与选择性系数
离子交换中的分配系数是某种离子在树脂上的浓度与在溶 液中的浓度之比，对阳离子Mn+，分配系数KP为：
❖ 根据唐南原则，阳离子只能交换阳离子, 不能交换 阴离子; 阴离子也只能交换阴离子,不能交换阳离 子。
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一、道南理论 (Donnan Theory)
❖ 离子交换过程也适用质量作用定律
[H+]内[Cl-]内=[H+]外[Cl-]外 由于膜两边电荷呈中性，即 [H+]外=[Cl-]外，
(Gi0 RT ln i )树脂 (Gi0 RT ln i )溶液
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二、 离子交换平衡
离子交换平衡可用平衡常数来表示。
例如：将树脂R-A浸入含有B＋的溶液中，B+与A+能通过半
透膜进行交换： RA+内+ B+外= RB+内+ A+外
达到平衡后，平衡常数
K
B A
A 外 B 内 A 内 B 外
如果 KAB > 1，表示B+比较牢固地结合在树脂上；
如果 KAB < 1，则表示A+比较牢固的结合在树脂上。
∴ KAB的数值说明了离子交换树脂对A+ 、 B+ 两种离子的选 择性，因此称为选择性系数。 KAB越大，离子交换树脂对B+ 的选择性越大。
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❖
严格来说，平衡常数
K
2020/离8/17子交换过程达到平衡。
6
一、道南理论(Donnan Theory)
以H型阳离子交换树脂为例：
❖ 道南原则：将H型阳离子交换树脂浸入盐酸（HCl） 溶液，则树脂上的H+可以进入外部溶液，而外部 溶液中的H+和 Cl- 也可以进入内部溶液。当膜内 外H+和Cl-扩散通过半透膜的速度相等时，交换达 到了平衡。
❖ 阴离子交换反应： Resin-N(CH3)3OH+Cl- =Resin-N(CH3)3Cl+ OHResin-N(CH3)3Cl+OH- =Resin-N(CH3)3OH+Cl–
离子交换反应是一可逆反应。
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离子交换过程的特点：
选择性高：主要去除离子化的物质，并进行等 物质的量交换；