(完整版)现代分离方法与技术-离子交换分离法
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现代分离方法与技术
Separation by precipitation
淮北师范大学 化学与材料科学学院
陈高礼
第Io4n章-exc离ha子ng交e 换分离法
Separation
(1)
教学重点和难点：
离子交换分离法的概念及分离原理；离子交换分离法的基本操 作技术。
教学要求：
掌握离子交换剂的分类，离子交换树脂的结构和作用、性质及 合成等，了解离子交换树脂的种类，掌握离子交换分离法的原 理、基本操作技术及应用。
教学主要内容：
4.1 概述 4.2 离子交换剂 4.3 离子交换分离法的基本原理 4.4 离子交换分离法的基本操作技术 4.5 离子交换分离法的应用
4.1 概 述
4.1.1 离子交换分离法 4.1.2 离子交换法的特点 4.1.3 离子交换法的发展史
4.1.1 离子交换分离法
4.1 概 述
利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反 应进行分离的方法。
4.1.2 离子交换分离法的特点
1、分离效率高，设备简单，操作不复杂，树脂又具 有再 生能力，可反复使用。
2、选择性高。 3、适应性强，应用广泛。 4、多相操作，分离容易。 5、分离周期长，耗时过多。
6
实验室中：交换柱或滴定管
4.1 概 述
7
4.1.3离子交换法的发展史
4.1 概 述
1850年前后，英国人汤姆森和韦系统的报告了土壤中 钙、镁离子与水中钾、铵离子的交 换现象。 发现天然泡沸石
真密度（ Dw） 树溶 脂胀 所后 排树 除脂 水重 的量 体（ 积（m）V）（g/mL)
一般离子交换树脂的 表观密度为：0.6 ~ 0.9 g/mL;
真密度为：1.2 ~ 1.4 g/mL.
4.2 离 子 交 换 剂
(5) 交联度
？
交联度就是指树脂的交联程度，通常用加入树脂中交 联剂的百分含量表示。
交联度
交联剂重量 反应混合物重量
100 %
例如：强酸性阳离子交换树脂001× 7，表示这种 树脂是由7%的二乙烯苯和93%的苯乙烯共聚物 制备的。一般称这种树脂的交联度为7%。
4.2 离 子 交 换 剂
交联度对树脂性质的影响：
① 树脂的交联度大，网间孔隙小。树脂对离子 的选择性增加，机械性能好。但网间孔隙过小， 降低了离子交换反应的速度，降低了树脂的有效 交换容量。
应用最为广泛的是离子交换树脂，其化学结构、类型、性 质及其应用本章将作重点介绍。
4.2 离 子 交 换 剂
4.2.1 离子交换树脂的结构、作用和性能 4.2.2 离子交换树脂的种类 4.2.3 离子交换树脂的名称、牌号及命名
4.2 离 子 交 换 剂
4.2.1 离子交换树脂的结构、作用和性能
1、离子交换树脂的化学结构
1) 骨架 是立体网状结构的高分子聚合物，化学性质稳定，对
酸、碱和一般的溶剂都不起作用。
2) 活性基团(交换基团 ) 连接在骨架上可以电离的、可被交换的基团。它对
离子交换剂的交换性质起着决定性作用，可与溶液中的 离子进行离子交换反应。
11
4.2 离 子 交 换 剂
聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂
是聚苯乙烯与二乙烯苯的共聚所得的聚合物，再 经浓H2SO4磺化而制得强酸性阳离子交换树脂
4.2 离 子 交 换 剂
离子交换剂： 具有离子交换能力的所有物质，通常指固体离子交换剂
，固体离子交换剂又称为吸着离子交换剂。
无机离子交换剂： 由天然的(粘土、沸石类矿物)和合成的(合成沸石、分
子筛、水合金属氧化物、多价金属酸性盐类、杂多酸盐等) 化合物构成。
有机离子交换剂 ： 人工合成的带有离子交换功能团的高分子聚合物．其中
离子交换树脂可简写为：R-H
3、树脂的性质
4.2 离 子 交 换 剂
外型、含水量、 溶胀性、密度、交联度 交换容量、允许pH范围和允许温度范围
（1）外型
颜色：白、黄、黑和褐。 形状：大多为球形。 粒度：通常用树脂在水中膨
胀后通过筛的大小表示。
（2）含水量
将树脂颗粒放在水中，使其吸收水分达到平衡， 然后用离心法在规定的转速和时间内除去外部水分，得 到含平衡水的湿树脂。然后在105℃烘干，比较烘干前后 的质量，即得到平衡水含量占湿树脂的质量分数，这就 是树脂的含水量。
12
4.2 离 子 交 换 剂
聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂
波形线条代表 树脂的骨架
活性基团 磺酸基（—SO3H）
固定离子
平衡离 子
4.2 离 子 交 换 剂
2、离子交换树脂的作用
R代表树脂的骨架，与Na+发生交换 交换过程：
RSROS3OH3H NNaa洗洗交交 脱脱换换或或过 过再再程生程生RRSOS3ONa3NaH H
② 树脂的交联度小，网间孔隙大，交换反应速度 快，交换的选择性差，树脂的机械强度、化学稳 定性差。
树脂的交联度一般在4~14%之间。
分析用的树脂的交联度一般为8%，也有用12%。
4.2 离 子 交 换 剂
（6）交换容量 总交换容量：单位重量干树脂或单位体积湿树脂 中，所有交换基Biblioteka Baidu的总数。单位mol/g、mmol/g、 mol/L、mmol/mL
各种阴离子对强碱性阴离子交换树脂膨胀度的影响顺序： F-＞Ac-＞OH-＞C6H5O-＞Cl≈NO2-＞Br-＞I-
4.2 离 子 交 换 剂
（4）密度 表观密度：指树脂在交换柱中的装填密度。
表观密度（ Da） 树脂溶在胀水后中树的脂表重观量体（积m（）V）（g/mL)
真密度：指树脂颗粒本身密度。
1903年，哈姆斯和吕普勒报道了硅酸 铝盐离子交换剂的 合成。 合成人工泡沸石，并用于水处理中。
1933年~1935年，英国科学家亚当斯和霍姆斯 用人工方 法合成酚醛类型的阳、阴离 子交换树脂。 合成出离子交换树脂
1945年，美国人迪阿莱里坞发表了关于聚苯乙烯型强酸 性阳离子交换树脂及聚丙烯酸型弱酸性阳离 子交 换树脂的制备方法。
树脂的含水量是树脂的固有性质
含水量的变化也反映着树脂内在质量的变化
16
4.2 离 子 交 换 剂
（3）溶胀性 离子交换树脂在水中会发生体积的膨胀。
影响膨胀度的因素： ① 交联度增大，膨胀度减少。
② 树脂的膨胀度同交换基团的数量和离子的类型有关。
各种阳离子对强酸性阳离子交换树脂膨胀度的影响顺序： H+＞Li+＞Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+＞Ag+
Separation by precipitation
淮北师范大学 化学与材料科学学院
陈高礼
第Io4n章-exc离ha子ng交e 换分离法
Separation
(1)
教学重点和难点：
离子交换分离法的概念及分离原理；离子交换分离法的基本操 作技术。
教学要求：
掌握离子交换剂的分类，离子交换树脂的结构和作用、性质及 合成等，了解离子交换树脂的种类，掌握离子交换分离法的原 理、基本操作技术及应用。
教学主要内容：
4.1 概述 4.2 离子交换剂 4.3 离子交换分离法的基本原理 4.4 离子交换分离法的基本操作技术 4.5 离子交换分离法的应用
4.1 概 述
4.1.1 离子交换分离法 4.1.2 离子交换法的特点 4.1.3 离子交换法的发展史
4.1.1 离子交换分离法
4.1 概 述
利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反 应进行分离的方法。
4.1.2 离子交换分离法的特点
1、分离效率高，设备简单，操作不复杂，树脂又具 有再 生能力，可反复使用。
2、选择性高。 3、适应性强，应用广泛。 4、多相操作，分离容易。 5、分离周期长，耗时过多。
6
实验室中：交换柱或滴定管
4.1 概 述
7
4.1.3离子交换法的发展史
4.1 概 述
1850年前后，英国人汤姆森和韦系统的报告了土壤中 钙、镁离子与水中钾、铵离子的交 换现象。 发现天然泡沸石
真密度（ Dw） 树溶 脂胀 所后 排树 除脂 水重 的量 体（ 积（m）V）（g/mL)
一般离子交换树脂的 表观密度为：0.6 ~ 0.9 g/mL;
真密度为：1.2 ~ 1.4 g/mL.
4.2 离 子 交 换 剂
(5) 交联度
？
交联度就是指树脂的交联程度，通常用加入树脂中交 联剂的百分含量表示。
交联度
交联剂重量 反应混合物重量
100 %
例如：强酸性阳离子交换树脂001× 7，表示这种 树脂是由7%的二乙烯苯和93%的苯乙烯共聚物 制备的。一般称这种树脂的交联度为7%。
4.2 离 子 交 换 剂
交联度对树脂性质的影响：
① 树脂的交联度大，网间孔隙小。树脂对离子 的选择性增加，机械性能好。但网间孔隙过小， 降低了离子交换反应的速度，降低了树脂的有效 交换容量。
应用最为广泛的是离子交换树脂，其化学结构、类型、性 质及其应用本章将作重点介绍。
4.2 离 子 交 换 剂
4.2.1 离子交换树脂的结构、作用和性能 4.2.2 离子交换树脂的种类 4.2.3 离子交换树脂的名称、牌号及命名
4.2 离 子 交 换 剂
4.2.1 离子交换树脂的结构、作用和性能
1、离子交换树脂的化学结构
1) 骨架 是立体网状结构的高分子聚合物，化学性质稳定，对
酸、碱和一般的溶剂都不起作用。
2) 活性基团(交换基团 ) 连接在骨架上可以电离的、可被交换的基团。它对
离子交换剂的交换性质起着决定性作用，可与溶液中的 离子进行离子交换反应。
11
4.2 离 子 交 换 剂
聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂
是聚苯乙烯与二乙烯苯的共聚所得的聚合物，再 经浓H2SO4磺化而制得强酸性阳离子交换树脂
4.2 离 子 交 换 剂
离子交换剂： 具有离子交换能力的所有物质，通常指固体离子交换剂
，固体离子交换剂又称为吸着离子交换剂。
无机离子交换剂： 由天然的(粘土、沸石类矿物)和合成的(合成沸石、分
子筛、水合金属氧化物、多价金属酸性盐类、杂多酸盐等) 化合物构成。
有机离子交换剂 ： 人工合成的带有离子交换功能团的高分子聚合物．其中
离子交换树脂可简写为：R-H
3、树脂的性质
4.2 离 子 交 换 剂
外型、含水量、 溶胀性、密度、交联度 交换容量、允许pH范围和允许温度范围
（1）外型
颜色：白、黄、黑和褐。 形状：大多为球形。 粒度：通常用树脂在水中膨
胀后通过筛的大小表示。
（2）含水量
将树脂颗粒放在水中，使其吸收水分达到平衡， 然后用离心法在规定的转速和时间内除去外部水分，得 到含平衡水的湿树脂。然后在105℃烘干，比较烘干前后 的质量，即得到平衡水含量占湿树脂的质量分数，这就 是树脂的含水量。
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4.2 离 子 交 换 剂
聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂
波形线条代表 树脂的骨架
活性基团 磺酸基（—SO3H）
固定离子
平衡离 子
4.2 离 子 交 换 剂
2、离子交换树脂的作用
R代表树脂的骨架，与Na+发生交换 交换过程：
RSROS3OH3H NNaa洗洗交交 脱脱换换或或过 过再再程生程生RRSOS3ONa3NaH H
② 树脂的交联度小，网间孔隙大，交换反应速度 快，交换的选择性差，树脂的机械强度、化学稳 定性差。
树脂的交联度一般在4~14%之间。
分析用的树脂的交联度一般为8%，也有用12%。
4.2 离 子 交 换 剂
（6）交换容量 总交换容量：单位重量干树脂或单位体积湿树脂 中，所有交换基Biblioteka Baidu的总数。单位mol/g、mmol/g、 mol/L、mmol/mL
各种阴离子对强碱性阴离子交换树脂膨胀度的影响顺序： F-＞Ac-＞OH-＞C6H5O-＞Cl≈NO2-＞Br-＞I-
4.2 离 子 交 换 剂
（4）密度 表观密度：指树脂在交换柱中的装填密度。
表观密度（ Da） 树脂溶在胀水后中树的脂表重观量体（积m（）V）（g/mL)
真密度：指树脂颗粒本身密度。
1903年，哈姆斯和吕普勒报道了硅酸 铝盐离子交换剂的 合成。 合成人工泡沸石，并用于水处理中。
1933年~1935年，英国科学家亚当斯和霍姆斯 用人工方 法合成酚醛类型的阳、阴离 子交换树脂。 合成出离子交换树脂
1945年，美国人迪阿莱里坞发表了关于聚苯乙烯型强酸 性阳离子交换树脂及聚丙烯酸型弱酸性阳离 子交 换树脂的制备方法。
树脂的含水量是树脂的固有性质
含水量的变化也反映着树脂内在质量的变化
16
4.2 离 子 交 换 剂
（3）溶胀性 离子交换树脂在水中会发生体积的膨胀。
影响膨胀度的因素： ① 交联度增大，膨胀度减少。
② 树脂的膨胀度同交换基团的数量和离子的类型有关。
各种阳离子对强酸性阳离子交换树脂膨胀度的影响顺序： H+＞Li+＞Na+＞Mg2+＞Ca2+＞K+＞Ag+