《离子交换法》课件

第 五 节 离 子 交 换 法 3.5.1离 子 交 换 法 的 定 义离 子 交 换 法 是 一 种 借 助 于 离 子 交 换 剂 上的 离 子 和 水 中 的 离 子 进 行 交 换 反 应 而除 去 水 中 有 害 离 子 的 方 法 。 3.5.2 离 子 交 换 的 基 本 原 理阳 离 子 交 换 树 脂 大 都 含 有 磺 酸 基 （ SO3H） 、 羧 基 （ COOH） 或苯 酚 基 （ C6H4OH） 等 酸 性 基 团 ， 其 中 的 H+能 与 溶 液 中 的 金 属离 子 或 其 他 阳 离 子 进 行 交 换 。 例 如 苯 乙 烯 和 二 乙 烯 苯 的 高 聚 物经 磺 化 处 理 得 到 强 酸 性 阳 离 子 交 换 树 脂 ， 其 结 构 式 可 简 单 表 示为 RSO3H， 式 中 R代 表 树 脂 母 体 ， 其 交 换 原 理 为 : 2RSO3H Ca2 （ RSO3） 2Ca 2H阴 离 子 交 换 树 脂 含 有 季 胺 基 -N（ CH 3） 3OH、 胺 基 （ NH2） 或 亚胺 基 （ NR H） 等 碱 性 基 团 。 它 们 在 水 中 能 生 成 OH-离 子 ， 可与 各 种 阴 离 子 起 交 换 作 用 ， 其 交 换 原 理 为 RN（ CH3） 3OH Cl- RN（ CH3） 3Cl OH- 1、 离 子 交 换 ： 指 固 体 离 子 交 换 剂 与 液 体之 间 的 界 面 上 发 生 的 离 子 交 换 过 程 。2、 是 一 种 特 殊 的 吸 附 过 程 。3、 离 子 交 换 剂 是 由 分 子 骨 架 和 交 换 基 团所 组 成 ， 交 换 基 团 在 溶 液 中 能 电 离 出能 自 由 移 动 的 可 交 换 离 子 ， 可 与 溶 液中 相 应 的 其 他 同 类 型 离 子 进 行 离 子 交换 交 换 反 应 。4、 离 子 交 换 反 应 为 平 衡 可 逆 反 应 ， 反 向进 行 时 称 为 再 生 反 应 。 3.5.3离 子 交 换 动 力 学离 子 交 换 过 程 分 五 个 阶 段 ： 电 解 质 离 子 由 溶 液 扩 散 到 离 子 交 换 剂 表 面 。 （ 膜扩 散 过 程 ） 电 解 质 离 子 通 过 离 子 交 换 剂 和 溶 液 的 界 面 或 膜 扩散 到 离 子 交 换 剂 的 结 构 内 部 。 （ 孔 道 扩 散 过 程 ） 被 交 换 离 子 与 交 换 剂 上 可 交 换 离 子 进 行 离 子 交 换反 应 。 交 换 后 的 离 子 从 交 换 剂 内 部 向 外 扩 散 。 （ 孔 道 扩散 过 程 ） 交 换 后 的 离 子 扩 散 到 溶 液 中 。 （ 膜 扩 散 过 程 ） 3.5.4离 子 交 换 剂一 、 离 子 交 换 剂 的 分 类 、 组 成 和 结 构1、 根 据 母 体 材 料 不 同 ， 可 分 为 ： 无 机 离 子 交 换 剂 ： 天 然 沸 石 、 合 成 沸 石 。 有 机 离 子 交 换 剂 ： 磺 化 煤 、 离 子 交 换 树 脂 、 离 子 交 换 纤 维 等2、 根 据 功 能 基 团 化 学 性 质 的 不 同 ， 可 分 为 ： 强 碱 型 ： Cl型 、 OH型 （ 不 受 PH值 影 响 ） 阴 离 子 交 换 剂 ： 弱 碱 型 ： （ 在 酸 性 溶 液 中 有 较 高 的 交 换 容 量 ） 强 酸 型 ： H +型 、 Na+型 （ 不 受 PH值 影 响 ） 阳 离 子 交 换 剂 ： 弱 酸 型 ： H+型 、 Na+型 （ 在 碱 性 溶 液 中 有 较 高 的 交 换 容 量 ） 两 性 离 子 交 换 剂 ： 螯 合 型 离 子 交 换 剂 ： 二 、 离 子 交 换 树 脂1、 离 子 交 换 树 脂 的 分 类p 按 离 子 交 换 树 脂 物 理 结 构 的 不 同 ， 离 子 交 换 树 脂 分 为 ：a.凝 胶 型 树 脂 ： 30埃 以 下 ， 孔 径 极 小 ， 它 只 通 过 直 径 很 小 的 离 子 ;直 径 较 大 的 分 子 通 过 时 容 易 堵 塞 孔 道 而 影 响 树 脂 的 交 换 能 力 。b.大 孔 型 树 脂 ： 孔 径 从 几 十 到 上 万 埃 ， 可 以 使 直 径 较 大 的 分 子 通行 无 阻 ， 所 以 用 它 去 除 水 中 高 分 子 有 机 物 具 有 良 好 的 效 果 。 缺点 ： 离 子 交 换 基 团 含 量 相 应 减 少 ， 交 换 能 力 比 凝 胶 型 树 脂 低 ；大 孔 型 树 脂 的 吸 附 能 力 强 ， 与 交 换 的 离 子 结 合 较 牢 固 ， 不 容 易充 分 恢 复 其 交 换 能 力 。c.载 体 型 树 脂 ： 以 球 形 硅 胶 或 玻 璃 球 等 非 活 性 材 料 作 为 载 体 ， 把它 作 为 中 心 核 ， 在 其 表 面 覆 盖 离 子 交 换 树 脂 薄 层 ， 从 而 得 到 载 体 型 离 子 交 换 树 脂 。 p离子交换树脂一般呈现多孔状或颗粒状，其大小约为0.11mm，依其交换能力特征可分：a. 强 酸 型 阳 离 子 交 换 树 脂 ： 主 要 含 有 强 酸 性 的 反 应 基 如 磺 酸 基（ SO3H） ， 此 离 子 交 换 树 脂 可 以 交 换 所 有 的 阳 离 子 。b. 弱 酸 型 阳 离 子 交 换 树 脂 ： 具 有 较 弱 的 反 应 基 如 羧 基 （ COOH基 ） ， 此 离 子 交 换 树 脂 仅 可 交 换 部 分 阳 离 子 ；c. 强 碱 型 阴 离 子 交 换 树 脂 ： 主 要 是 含 有 较 强 的 反 应 基 ， 如 季 胺基 N+(CH3)3， 在 氢 氧 形 式 下 ， N+(CH3)3OH-中 的 氢 氧 离 子 可以 迅 速 释 出 ， 以 进 行 交 换 ， 强 碱 型 阴 离 子 交 换 树 脂 可 以 和 所有 的 阴 离 子 进 行 交 换 去 除 。d. 弱 碱 型 阴 离 子 交 换 树 脂 ： 具 有 较 弱 的 反 应 基 如 氨 基 ， 仅 能 去除 强 酸 中 的 阴 离 子 如 SO 42-， Cl 或 NO3 ， 对 于 HCO3 ， CO32 或SiO42 则 无 法 去 除 2、 离 子 交 换 树 脂 的 组 成 不 溶 性 树 脂 母 体 ： 有 机 化 合 物 和 交 联 剂 组 成 的 高 分 子 共 聚 物 。 活 性 基 团 ： 由 起 交 换 作 用 的 离 子 与 树 脂 母 体 联 结 的 固 定 离 子 组成 。交 联 度 ： 交 联 剂 与 单 体 的 重 量 比 。 3、 离 子 交 换 树 脂 的 物 理 性 能 外 观 ： 颜 色 。 离 子 交 换 树 脂 是 一 种 透 明 或 半 透 明 的 物 质 ，依 其 组 成 的 不 同 ， 呈 现 的 颜 色 也 各 异 ， 苯 乙 烯 系 均 呈 黄 色 ， 其他 也 有 黑 色 及 赤 褐 色 的 。 形 状 。 离 子 交 换 树 脂 一 般 均 呈 球形 。 树 脂 呈 球 状 颗 粒 数 占 颗 粒 总 数 的 百 分 率 ， 称 为 圆 球 率 。 对于 交 换 柱 水 处 理 工 艺 来 说 ， 圆 球 率 愈 大 愈 好 ， 它 一 般 应 达 90%以 上 。 粒 度 ： 树 脂 颗 粒 的 大 小 对 水 处 理 的 工 艺 过 程 有 较 大 的 影 响 。 颗粒 大 ， 交 换 速 度 就 慢 ； 颗 粒 小 ， 水 通 过 树 脂 层 的 压 力 损 失 就 大 。如 果 各 个 颗 粒 的 大 小 相 差 很 大 ， 则 对 水 处 理 的 工 艺 过 程 是 不 利的 。 这 首 先 是 因 为 小 颗 粒 堵 塞 了 大 颗 粒 间 的 孔 隙 ， 水 流 不 匀 和阻 力 增 大 ； 其 次 ， 在 反 洗 时 流 速 过 大 会 冲 走 小 颗 粒 树 脂 ， 而 流速 过 小 ， 又 不 能 松 动 大 颗 粒 。 用 于 水 处 理 的 树 脂 颗 粒 粒 径 一 般为 0. 1mm。 密 度 ： （ 1） 干 真 密 度 ： 即 在 干 燥 状 态 下 树 脂 本 身 的 密 度 ；（ 2） 湿 真 密 度 ： 是 指 树 脂 在 水 中 经 过 充 分 膨 胀 后 ， 树 脂 颗 粒的 密 度 ： （ 3） 湿 视 密 度 . 是 指 树 脂 在 水 中 充 分 膨 胀 后 的 堆 积密 度 ， 湿 视 密 度 用 来 计 算 交 换 器 中 装 载 时 所 需 湿 树 脂 的 质 量 。 含 水 率 ： 指 在 水 中 充 分 膨 胀 的 湿 树 脂 中 所 含 水 分 的 百 分 数 。 树脂 的 含 水 率 愈 大 ， 表 示 它 的 孔 隙 率 愈 大 ， 交 联 度 愈 小 。 溶 胀 性 ： 当 将 干 的 离 子 交 换 树 脂 浸 入 水 中 时 ,其 体 积 常 常 要 变大 ,这 种 现 象 称 为 溶 胀 。 一 般 ， 强 酸 性 阳 离 子 交 换 树 脂 由 Na转变 成 H型 ， 强 碱 性 阴 离 子 交 换 树 脂 由 Cl型 转 变 成 OH型 ， 其 体 积均 增 加 约 5%。 由 于 离 子 交 换 树 脂 具 有 这 样 的 性 能 ， 因 而 在 其 交换 和 再 生 的 过 程 中 会 发 生 胀 缩 现 象 ， 多 次 的 胀 缩 就 容 易 促 使 树脂 颗 粒 碎 裂 。 机 械 强 度 ： 树 脂 应 具 备 足 够 的 强 度 ， 保 证 每 年 树 脂 的 损 耗 量 不超 过 3%-7%。 耐 热 性 ： 通 常 控 制 树 脂 的 贮 藏 和 使 用 温 度 在 540 OC。 孔 结 构 ： 树 脂 的 交 换 容 量 、 交 换 速 度 等 性 能 均 与 孔 结 构 有 关 。 4、 离 子 交 换 树 脂 的 化 学 性 能 离 子 交 换 反 应 的 可 逆 性 离 子 交 换 反 应 是 可 逆 的 ， 例 如 当 以 有 硬 度 的 水 通 过 H型 离 子 交换 树 脂 时 ， 其 反 就 如 下 式 ： 2RH Ca2 R2Ca 2H 当 反 应 进 行 到 失 效 后 ， 为 了 恢 复 离 子 交 换 树 脂 的 交 换 能 力 ，就 可 以 利 用 离 子 交 换 反 应 的 可 逆 性 ， 用 硫 酸 或 盐 酸 溶 液 通 过 此失 效 的 离 子 交 换 树 脂 ， 以 恢 复 其 交 换 能 力 ， 其 反 应 如 下 ： R2Ca 2H 2RH Ca2 这 两 种 反 应 ， 实 质 上 就 是 可 逆 反 应 式 化 学 平 衡 的 移 动 。 当 水中 Ca 2 和 H型 离 子 交 换 树 脂 多 时 ， 反 应 正 向 进 行 ， 反 之 ， 则 逆向 进 行 。 2RH Ca2 R2Ca 2H 离 子 交 换 反 应 的 可 逆 性 ， 是 离 子 交 换 树 脂 可 以 反 复 使 用 的 重要 性 质 。 酸 、 碱 性 H 型 阳 离 子 交 换 树 脂 和 OH型 阴 离 子 交 换 树 脂 的 性 能 与 电 解 质 酸 、碱 相 同 ， 在 水 中 有 电 离 出 H 和 OH 的 能 力 。 因 此 ， 根 据 此 能 力的 大 小 可 以 有 强 弱 之 分 。 强 酸 性 H 型 （ 或 强 碱 性 OH型 ） 交 换 树 脂 在 水 中 电 离 出 H （ 或OH-） 的 能 力 较 大 ， 所 以 它 很 容 易 和 水 中 其 他 各 种 阳 离 子 （ 或阴 离 子 ） 进 行 交 换 反 应 ， 故 强 酸 性 阳 离 子 （ 或 强 碱 性 阴 离 子 ）树 脂 的 交 换 能 力 不 受 溶 液 PH值 影 响 ； 弱 酸 性 H 型 （ 或 弱 碱 性 OH型 ） 交 换 树 脂 在 水 中 电 离 出 的 H （ 或 OH-） 能 力 较 小 ， 故 只 能 在 碱 性 （ 或 酸 性 ） 溶 液 中 才 有 较高 的 交 换 能 力 。 选 择 性 离 子 交 换 树 脂 吸 着 各 种 离 子 的 能 力 不 一 ， 有 些 离 子 易 被 交 换树 脂 吸 着 ， 但 吸 着 后 要 把 它 置 换 下 来 就 比 较 困 难 ； 而 另 一 些 离子 很 难 被 吸 着 ， 但 被 置 换 下 来 却 比 较 容 易 ， 这 种 性 能 称 为 离 子交 换 的 选 择 性 。 选 择 性 会 影 响 到 离 子 交 换 树 脂 的 交 换 和 再 生 过 程 。 影 响 离 子 交 换 树 脂 选 择 性 的 因 素 很 多 ， 例 如 交 换 离 子 的 种 类 、树 脂 的 本 质 、 溶 液 的 浓 度 等 。 离 子 交 换 的 选 择 性 实 际 上 是 离 子交 换 平 衡 的 一 种 表 现 。 选 择 规 律 ： 一 般 情 况 ， 离 子 交 换 树 脂 优 先 交 换 那 些 化 合 价 数 高 的离 子 ， 在 同 价 离 子 中 优 先 交 换 原 子 序 数 大 的 离 子 。如 ： 强 酸 性 阳 离 子 交 换 树 脂 ： Fe3+ AL3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ H+弱 酸 性 阳 离 子 交 换 树 脂 ： H+ Fe3+ AL3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+强 碱 性 阴 离 子 交 换 树 脂 ： SO42- NO3- CL- OH- F- HCO3- HSIO3- 弱 碱 性 阴 离 子 交 换 树 脂 ： OH- SO 42- NO3- CL- HCO3- HSIO3- 交 换 容 量 ：离 子 交 换 树 脂 的 交 换 容 量 表 示 其 可 交 换 离 子 量 的 多 少 。（ 1） 总 交 换 容 量 ： 此 指 标 表 示 离 子 交 换 树 脂 中 所 有 活 性 基 团 的总 量 ， 即 将 树 脂 中 所 有 活 性 基 团 全 部 再 生 成 某 种 可 交 换 的 离 子 ，然 后 测 定 其 全 部 交 换 下 来 的 量 。 对 于 同 一 种 离 子 交 换 树 脂 来 说 ，它 是 常 数 。 市 售 的 商 品 树 脂 所 标 的 交 换 容 量 是 总 交 换 容 量 。 （ 2） 工 作 交 换 容 量 ： 指 在 给 定 的 条 件 下 树 脂 的 实 际 交 换 容 量 。（ 3） 再 生 交 换 容 量 三 、 离 子 交 换 纤 维 （ 略 ）四 、 离 子 交 换 速 率1、 交 换 速 率 （ 即 动 力 学 反 应 速 度 ） ： 指 离 子 交 换 反 应 达 到 平 衡的 快 慢 。2、 交 换 速 率 主 要 取 决 于 液 固 两 相 间 的 扩 散 传 质 速 率 。3、 交 换 速 率 通 常 用 半 交 换 期 t1/2表 示 ， 即 交 换 一 半 所 用 的 时 间 。4、 离 子 交 换 纤 维 的 交 换 速 率 一 般 比 颗 粒 状 的 离 子 交 换 树 脂 快 。五 、 离 子 交 换 剂 剂 的 作 用 及 应 用1、 离 子 交 换 作 用 ： 水 的 软 化 ， 脱 盐 、 高 纯 水 制 备 、 废 水 处 理 、食 品 脱 色 、 去 味 、 吸 附 农 药 残 留 物 、 分 离 提 取 等 。2、 螯 合 吸 附 作 用 ： 贵 重 金 属 富 集 回 收 、 稀 土 元 素 分 离 、 特 种 行业 废 水 处 理 。 3、 催 化 作 用 ：4、 氧 化 还 原 、 脱 水 除 湿 等 作 用 。 谢 谢 大 家 ！