1、第8章 离子交换 学习目的与要求学习目的与要求掌握离子交换的概念，离子交换剂的结构，离子交换树脂掌握离子交换的概念，离子交换剂的结构，离子交换树脂的分类及性质、离子交换反应过程、离子交换势及规律。的分类及性质、离子交换反应过程、离子交换势及规律。了解离子交换工艺及典型设备。了解离子交换工艺及典型设备。掌握离子交换的应用和离子交换膜的原理及应用。掌握离子交换的应用和离子交换膜的原理及应用。离子交换过程的基本知识离子交换过程的基本知识(1)(1)离子交换的定义离子交换的定义利用离子交换剂与溶液的离子发生交换作用，利用离子交换剂与溶液的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行分离的工艺使欲提取
2、的组分与其它组分进行分离的工艺过程。过程。天然沸石天然沸石人造沸石的磺化煤人造沸石的磺化煤离子交换树脂离子交换树脂(2)(2)选用原料：选用原料：用于除杂、废水处理、离子转换以及分离和富用于除杂、废水处理、离子转换以及分离和富集微量有价金属集微量有价金属(3)(3)应用领域：应用领域：优点：设备简单、分离效率高、所用的离子优点：设备简单、分离效率高、所用的离子交换树脂有再生能力，重复使用性能好。交换树脂有再生能力，重复使用性能好。缺点：工艺过程周期长，操作比较复杂。缺点：工艺过程周期长，操作比较复杂。(4)(4)特特 点：点：8.18.1离子交换剂的结构和性质离子交换剂的结构和性质高分子网状骨
3、架高分子网状骨架(母体母体)固定在骨架上不能自由移动的活性基团固定在骨架上不能自由移动的活性基团与活性基团相连，可以离解的离子与活性基团相连，可以离解的离子7.1.17.1.1离子交换剂结构离子交换剂结构7.1.27.1.2离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类按活性基团性质分按活性基团性质分强酸性：含强酸性：含-SO-SO3 3H H弱酸性：含弱酸性：含-COOH-COOH，-OH-OH-混合型：含混合型：含-SO-SO3 3H H及及-COOH-COOH或或-OH-OH-阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂特殊树脂特殊树脂强碱性：含强碱性：含-N(CH-N(CH3 3)3
4、 3或或N N+ClCl-弱碱性：含弱碱性：含-NH-NH2 2，=NH=NH，N N混合型：兼有上述两种活性基团混合型：兼有上述两种活性基团螯合树脂、蛇笼树脂、磁性树脂螯合树脂、蛇笼树脂、磁性树脂氧化还原树脂、萃淋树脂、粉状树脂氧化还原树脂、萃淋树脂、粉状树脂吸附树脂、碳化树脂、热再生树脂吸附树脂、碳化树脂、热再生树脂微孔型树脂，孔径：微孔型树脂，孔径：1010-9-9mmmm量级量级巨孔型树脂：孔径：巨孔型树脂：孔径：10-710-8mm量级量级按孔隙大小分类按孔隙大小分类按形态分类按形态分类粉状：粉状：0.31.2mm；粒状：；粒状：10um；膜状：；膜状：0.11mmHSOR3用于硬水
5、软化、纯水制备、湿法冶金、用于硬水软化、纯水制备、湿法冶金、稀有金属分离、抗生素提取。稀有金属分离、抗生素提取。用于纯水、高纯水制备、废水处理、生用于纯水、高纯水制备、废水处理、生化制品的提取。化制品的提取。(1)(1)泡泡 胀胀 性：树脂活性基团上的离子遇水而膨胀。性：树脂活性基团上的离子遇水而膨胀。(2)(2)密度和含水量：表观密度、结合水分。密度和含水量：表观密度、结合水分。(3)(3)粒粒 度：度：0.31.2mm。(4)(4)交交 联联 度：度：414%。(5)(5)交换容量：交换容量：36mmol/g或或12mmol/ml。8.1.38.1.3离子交换树脂的性质离子交换树脂的性质理
6、论交换容量：树脂所含反离子全部发生交换时的交换容量。理论交换容量：树脂所含反离子全部发生交换时的交换容量。工作交换容量：实际测得的交换容量。工作交换容量：实际测得的交换容量。表观密度表观密度:是指树脂在交换柱中的装填密度，数值上等于溶是指树脂在交换柱中的装填密度，数值上等于溶胀后树脂重量与这一重量树脂在水中表观体积的比值。常用胀后树脂重量与这一重量树脂在水中表观体积的比值。常用树脂的表观密度在树脂的表观密度在0.60.9之间。之间。含水量：树脂含有结合水分的含量，与树脂功能团性质和关含水量：树脂含有结合水分的含量，与树脂功能团性质和关联度有关。商品树脂大约含有联度有关。商品树脂大约含有50%水
7、分。水分。粒度：颗粒越小表面积越大，交换速度越快，分离效果越好。粒度：颗粒越小表面积越大，交换速度越快，分离效果越好。但溶液阻力增大，流速减慢。但溶液阻力增大，流速减慢。交联度：树脂合成时交联剂在原料总重量中所占的百分比。交联度：树脂合成时交联剂在原料总重量中所占的百分比。交换容量：交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂，所能交换的单位质量干树脂或单位体积湿树脂，所能交换的离子相当于一价离子物质的量。离子相当于一价离子物质的量。部分国外离子交换树脂的主要性能部分国外离子交换树脂的主要性能国产常用离子交换树脂的主要性能国产常用离子交换树脂的主要性能8.2 8.2 离子交换的基本原理离子交换的基
8、本原理8.2.18.2.1离子交换反应离子交换反应过程过程nHMSORMHSOnRnn)(33强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂nClXCHNRXClCHNnRnn)()(33331.1.在树脂颗粒表面进行在树脂颗粒表面进行 2.2.在树脂颗粒内部进行在树脂颗粒内部进行溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置进行交换反应进行交换反应交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液
9、中离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中7.2.27.2.2离子交换势及规律离子交换势及规律1.1.离子交换势的定义离子交换势的定义 树脂对预交换离子的吸着树脂对预交换离子的吸着(交换交换)能力，把这种吸着能力，把这种吸着能力称为能力称为“势势”。2.2.离子交换势的规律离子交换势的规律(1)(1)常温下稀溶液，阳离子交换势随离子电荷增高而增大；常温下稀溶液，阳离子交换势随离子电荷增高而增大；相同电荷同族元素离子交换势随离子半径增大而增大。相同电荷同族元素离子交换势随离子半径增大而增大。Th4+Al3+Ca2+Na+Rb+K+Na+Li+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+(2)强酸性阳离子交换树脂对
10、不同金属离子交换势顺序：强酸性阳离子交换树脂对不同金属离子交换势顺序：Ba2+Pb2+Ag+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Cs+Rb+UO22+K+NH4+Na+H+Li+(3)强碱性阴离子交换树脂对不同阴离子的交换势顺序：强碱性阴离子交换树脂对不同阴离子的交换势顺序：C6H5O73-SO42-C2O42-I-NO3-Br-Cl-CH3COO-OH-F-(4)在高温、高浓度或非水溶液中，上述各类交换势差别将减小，甚至在高温、高浓度或非水溶液中，上述各类交换势差别将减小，甚至相反。相反。(5)高分子量的有机离子、金属络阴离子、高极化度的离子（如高分子量的有机离子
11、、金属络阴离子、高极化度的离子（如Ag+）具有很高交换势。具有很高交换势。(6)在离子交换实践中，交换势高的离子易发生交换而被吸着，位于树在离子交换实践中，交换势高的离子易发生交换而被吸着，位于树脂层上部，交换势低的离子位于树脂的下部。离子交换势相差越大，脂层上部，交换势低的离子位于树脂的下部。离子交换势相差越大，它们在树脂相分层分布越明显。它们在树脂相分层分布越明显。思考题：选用一种强酸性阳离子交换树脂，写出它与稀溶液中稀溶液中Ag+、Ba2+和和Ni2+三种离子的交换顺利及交换反应。三种离子的交换顺利及交换反应。思考题：选用一种强碱性阴离子交换树脂，写出它与某稀溶液中稀溶液中NO3-、C6
12、H5O73-、C2O42-和三种离子的交换顺利及交换反应。和三种离子的交换顺利及交换反应。36FeCl7.2.37.2.3选择系数选择系数 (1)(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子氢型阳离子交换树脂与金属离子A A+进行的交换进行的交换RHRAAHHAAHEHRAARHARBBRAyyExxoryyExxBABBBABB-1-1-1-1(2)(2)树脂树脂RARA与溶液中的某离子与溶液中的某离子B B+进行交换：进行交换：RARBBAABBAEE1时，交换反应向右进行。时，交换反应向右进行。E1时，交换反应向左进行。时，交换反应向左进行。离子交换平衡方程式离子交换平衡方程式BABAqqqCCC
13、00树脂中离子浓度为：溶液中离子浓度为：yyExxyyExxqqqqCCCCqqqqCCCCEqqqCCCqqqCCCBABBBABBBBBBABBABABABABABA-1-1-1-1/-1/-1/-000000000000或或，树脂中离子浓度为：溶液中离子浓度为：凸形：离子交换反应能向右进行，凸形：离子交换反应能向右进行，有利于交换，且被交换离子有利于交换，且被交换离子 价数越高，曲线形状越凸；价数越高，曲线形状越凸；凹形：交换反应向左进行。凹形：交换反应向左进行。交换势的大小决定了平衡曲线交换势的大小决定了平衡曲线的形状。的形状。等价离子交换平衡曲线等价离子交换平衡曲线离子交换平衡曲线：
14、离子交换平衡曲线：一价、二价离子交换平衡曲线一价、二价离子交换平衡曲线8.3.1离子交换工艺离子交换工艺 1.1.树脂的选择原则树脂的选择原则 在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而 又大于小离子的直径。又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔 性树脂。性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。大孔径强碱性阴离
15、子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。选择交换容量大树脂。强酸性阳离子树脂吸附金属阳离子强酸性阳离子树脂吸附金属阳离子 强碱性阴离子树脂吸着金属络阴离子。强碱性阴离子树脂吸着金属络阴离子。带有带有-SO-SO3 3H H基强酸性树脂吸附重金属阳离子基强酸性树脂吸附重金属阳离子 强酸性树脂强酸性树脂-弱碱性树脂弱碱性树脂-强酸性、强碱性混合树脂的联合床净化水强酸性、强碱性混合树脂的联合床净化水 螯合树脂吸附从碱金属离子中除去的过渡金属离子。螯合树脂吸附从碱金属离子中除去的过渡金属离子。8.3.8.3.离子交换工艺及设备离子交换工艺及设备常常见见规规律律选选择择原原则则将交换液体与树
16、脂一同放入容器中，借搅拌等方式将交换液体与树脂一同放入容器中，借搅拌等方式使之充分接触，但两相不作相对运动。达到交换平使之充分接触，但两相不作相对运动。达到交换平衡时，用过滤、离心等方法将液体排放衡时，用过滤、离心等方法将液体排放,从而达到液从而达到液固分离的操作。固分离的操作。2.2.离子交换的操作方式离子交换的操作方式静态交换静态交换周期式周期式动态交换动态交换连续式连续式将树脂放在柱中不移动，交换液在柱中将树脂放在柱中不移动，交换液在柱中流经树脂层并发生交换。流经树脂层并发生交换。移动床的离子交换：把交换、转移、再生移动床的离子交换：把交换、转移、再生和洗净集为一体的过程，分别在柱的不同
17、和洗净集为一体的过程，分别在柱的不同部位同时进行。已饱和或失去交换能力的部位同时进行。已饱和或失去交换能力的树脂连续进入再生洗涤部分，洗脱后的新树脂连续进入再生洗涤部分，洗脱后的新树脂同时又连续进入交换部位。树脂的运树脂同时又连续进入交换部位。树脂的运动靠活塞的运动完成。动靠活塞的运动完成。交换交换反洗反洗再生再生正洗正洗洗净洗净固定床固定床移动床移动床移动床操作移动床操作脉冲转移脉冲转移交换交换再生洗脱段再生洗脱段反洗反洗8.3.28.3.2离子交换设备离子交换设备设备特性及操作方式不同设备特性及操作方式不同固定床设备固定床设备连续床设备连续床设备设备主体结构类型设备主体结构类型罐罐 型型槽
18、槽 型型塔塔 型型移动床移动床流化床流化床(1)(1)固定床离子交换设备固定床离子交换设备 上、中和下三个布液装置上、中和下三个布液装置:保证溶液沿交换保证溶液沿交换柱截面的分布均匀，并能阻止树脂被带出柱截面的分布均匀，并能阻止树脂被带出,柱内树脂层不超过柱内树脂层不超过2/32/3。树脂层上空约树脂层上空约1.5m1.5m高，该空间通空气或充以高，该空间通空气或充以水，用于树脂的松动、洗涤和分离。水，用于树脂的松动、洗涤和分离。加料可采用重力式或压力式完成。加料可采用重力式或压力式完成。(2)(2)移动床连续交换设备移动床连续交换设备(3)(3)流化床离子交换设备流化床离子交换设备悬浮床式离
19、子交换槽悬浮床式离子交换槽阻挡阻挡树脂树脂并使并使之与之与矿浆矿浆分离分离使料使料液沿液沿设备设备横断横断面分面分布均布均匀并匀并支撑支撑树脂树脂移动床操作移动床操作脉冲转移脉冲转移交换交换再生洗脱段再生洗脱段反洗反洗设备名称设备名称特点特点固定床离子交换设备固定床离子交换设备柱体结构简单，树脂磨损少，适应于处理清液。柱体结构简单，树脂磨损少，适应于处理清液。但由于吸附、洗脱、漂洗等操作均在同一柱中但由于吸附、洗脱、漂洗等操作均在同一柱中进行，管路复杂，阀门众多，树脂利用率低，进行，管路复杂，阀门众多，树脂利用率低，吸附速度较慢。吸附速度较慢。移动床连续交换设备移动床连续交换设备树脂用量少，为
20、固化床的树脂用量少，为固化床的1530%,树脂利用率树脂利用率高，设备生产能力大，操作速度快，适合处理高，设备生产能力大，操作速度快，适合处理低浓度的溶液。缺点是结构复杂、树脂易破损，低浓度的溶液。缺点是结构复杂、树脂易破损，不能用于悬浮液与矿浆的吸附。不能用于悬浮液与矿浆的吸附。流化床离子交换设备流化床离子交换设备结构简单、适应性强、树脂磨损少。吸附速度结构简单、适应性强、树脂磨损少。吸附速度度，操作周期长，树脂利用率低。度，操作周期长，树脂利用率低。三种离子交换设备的特点对比三种离子交换设备的特点对比8.48.4离子交换的应用离子交换的应用1.1.除去杂质除去杂质纯净的去离子水纯净的去离子
21、水去除工业盐酸中微量的去除工业盐酸中微量的Fe3+2.2.离子转换离子转换硬水软化处理硬水软化处理3.3.废水处理废水处理用含磷、胺类萃取剂的萃淋树脂，脱除湿法用含磷、胺类萃取剂的萃淋树脂，脱除湿法冶金废水中的铜、锌、钒、汞、铁、铀以及冶金废水中的铜、锌、钒、汞、铁、铀以及一些有机物质。具有深度净化、效率高以及一些有机物质。具有深度净化、效率高以及能综合回收等优点。能综合回收等优点。4.4.分离或富集微量分离或富集微量 有价值金属有价值金属利用离子交换层析法可有效分离性质相似利用离子交换层析法可有效分离性质相似金属离子。将待分离的离子全部交换到树金属离子。将待分离的离子全部交换到树脂层上，然后
22、用一种含有比树脂吸着力更脂层上，然后用一种含有比树脂吸着力更强的离子的淋洗液淋洗树脂，在洗脱过程强的离子的淋洗液淋洗树脂，在洗脱过程中，几种离子按交换选择性顺序而展开。中，几种离子按交换选择性顺序而展开。离子交换纯水制备原理：离子交换纯水制备原理：R-H+Na+R-Na+H+R-OH+Cl-R-Cl+OH-H+OH-H2O NoImageClFeClRFeClRCl336336思考题：写出纯净去离子水的制备原理思考题：写出纯净去离子水的制备原理。电厂、化工专用水处理设备 离子交换柱离子交换柱 8.58.5离子交换膜的应用离子交换膜的应用1.1.离子交换膜原理离子交换膜原理 离子交换膜离子交换膜
23、是将离子交换树脂制成很薄的膜，利用是将离子交换树脂制成很薄的膜，利用它对不同的离子具有选择性吸收，使离子选择性地透过它对不同的离子具有选择性吸收，使离子选择性地透过膜达到分离的目的。膜达到分离的目的。阳离子交换膜阳离子交换膜-能阻止阴离子渗过而选择性透过能阻止阴离子渗过而选择性透过阳离子的膜。阳离子的膜。阴离子交换膜阴离子交换膜-能阻止阳离子渗过而选择性透过能阻止阳离子渗过而选择性透过阴离子的膜。阴离子的膜。2.2.两性离子与非两性离子分离两性离子与非两性离子分离ZnSOZnSO4 4与与NaNa2 2SOSO4 4溶液的电渗分离溶液的电渗分离阳离子交换膜阳离子交换膜阴离子交换膜阴离子交换膜(
24、1)(1)制备浓溶液和稀溶液制备浓溶液和稀溶液加两种膜的电渗加两种膜的电渗一、离子交换过程的基本知识一、离子交换过程的基本知识本章小结本章小结离子交换定义离子交换定义选用原料选用原料应用领域应用领域特特 点点二、离子交换剂的结构和性质二、离子交换剂的结构和性质1.1.离子交换剂结构离子交换剂结构高分子网状骨架高分子网状骨架(母体母体)固定在骨架上不能自由移动的活性基团固定在骨架上不能自由移动的活性基团与活性基团相连，可以离解的离子与活性基团相连，可以离解的离子泡泡 胀胀 性性密度和含水量密度和含水量粒粒 度度交交 联联 度度交换容量交换容量2.2.离子交换剂性质离子交换剂性质三、离子交换的基本
25、原理三、离子交换的基本原理1.1.离子交换反应过程离子交换反应过程 溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置进行交换反应进行交换反应交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中在树脂表面进行在树脂表面进行 在树脂内部进行在树脂内部进行2.2.离子交换势及规律离子交换势及规律离子交换势的定义离子交换势的定义离子交换势的规律离子交换势的规律选择系数选择系数 RHRAAHHAAHE(2)(2
26、)树脂树脂RARA与溶液中的某离子与溶液中的某离子B B+进行交换：进行交换：RARBBAABBAE(1)(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子氢型阳离子交换树脂与金属离子A+A+进行的交换进行的交换四、离子交换工艺及设备四、离子交换工艺及设备 1.1.树脂的选择原则树脂的选择原则 在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而 又大于小离子的直径。又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔 性树脂。性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴
27、离子有良好的交换性能。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。选择交换容量大树脂。2.2.离子交换的操作方式离子交换的操作方式静态交换静态交换周期式周期式动态交换动态交换连续式连续式固定床固定床3.3.离子交换设备离子交换设备固定床离子交换设备固定床离子交换设备移动床连续交换设备移动床连续交换设备流化床离子交换设备流化床离子交换设备五、离子交换的应用五、离子交换的应用除去杂质除去杂质离子转换离子转换废水处理废水处理分离或富集微量有价值金属分离或富集微量有价值金属六、离子交换膜六、离子交换膜离子交换膜原理离子交换膜原理制备浓溶液和稀溶液制备浓溶液和稀溶液两性离子与非两性离子的分离两性离子与非两性离子的分离离子交换膜的应用离子交换膜的应用1.1.阐述离子交换反应过程，并举例说明离子交换反应的原理？阐述离子交换反应过程，并举例说明离子交换反应的原理？2.2.举例说明离子交换反应的应用？举例说明离子交换反应的应用？思考题
