--离子交换树脂的选择性--课件

第六节第六节 离子交换亲和力离子交换亲和力离子交换反应和其他化学反应一样离子交换反应和其他化学反应一样,完全服从质量完全服从质量作用定律。作用定律。离子交换亲和力，就是离子交换树脂离子交换亲和力，就是离子交换树脂对离子的吸着能力。对离子的吸着能力。树脂对离子亲合力的大小，与离子的水合离树脂对离子亲合力的大小，与离子的水合离子半径大小和带电荷的多少有关。离子的水化程子半径大小和带电荷的多少有关。离子的水化程度直接正比于离子的电荷或价态，反比于离子的度直接正比于离子的电荷或价态，反比于离子的半径。所以半径。所以离子交换亲和力正比于离子所带电离子交换亲和力正比于离子所带电荷，而反比于水和离子的半径。荷，而反比于水和离子的半径。经实验证明，在经实验证明，在低浓度、常温下，离子交换树脂对不同离子的亲低浓度、常温下，离子交换树脂对不同离子的亲合力顺序有下列规律。合力顺序有下列规律。1PPT课件 1.不同价态的离子，电荷越高亲合力越大不同价态的离子，电荷越高亲合力越大 Th4+A13+Ca2+Na+2.相同价态离子的亲合力顺序相同价态离子的亲合力顺序 Ag+Cs+Rb+K+NH4+Na+H+Li+Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+UO22+La3+Ce3+Pr3+Eu3+Y3+Se3+A13+(一一)强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂2PPT课件(二二)弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂 与强酸性阳离子交换树脂相同，只是对于与强酸性阳离子交换树脂相同，只是对于H+亲亲 合力大于其他阳离子。合力大于其他阳离子。(三三)强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 Cr2O72-SO42-I-NO3-CrO42-Br-CN-C1-OH-F-Ac-(四四)弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 OH-SO42-CrO42-NO3-AsO43-PO43-Ac-I-Br-C1-F-3PPT课件第七节第七节 离子交换动力学离子交换动力学离子交换过程分为五个步骤：离子交换过程分为五个步骤：1 被交换的离子从溶液中扩散到离子交换树脂被交换的离子从溶液中扩散到离子交换树脂颗粒的表面（外扩散）颗粒的表面（外扩散）2 被交换的离子，穿过树脂颗粒表面的薄膜而被交换的离子，穿过树脂颗粒表面的薄膜而进入树脂颗粒内部，并在树脂颗粒内部扩散，进入树脂颗粒内部，并在树脂颗粒内部扩散，到达交换位置（内扩散）到达交换位置（内扩散）3 被交换的离子与树脂上活泼基团中的可交换被交换的离子与树脂上活泼基团中的可交换离子进行离子交换（离子交换）离子进行离子交换（离子交换）4PPT课件离子交换过程分为五个步骤：离子交换过程分为五个步骤：4被交换下来的离子由树脂颗粒的内部向颗粒被交换下来的离子由树脂颗粒的内部向颗粒表面扩散（内扩散）表面扩散（内扩散）5 被交换下来的离子，穿过树脂表面的薄膜而被交换下来的离子，穿过树脂表面的薄膜而进入溶液，并在溶液中进行扩散（外扩散）进入溶液，并在溶液中进行扩散（外扩散）一、一、影响外扩散速度的因素影响外扩散速度的因素1 浓度浓度2 搅拌速度搅拌速度3 温度温度5PPT课件二二 影响内扩散速度的因素影响内扩散速度的因素1 浓度浓度2 温度温度3 扩散离子的电荷和大小扩散离子的电荷和大小4 树脂的交联度树脂的交联度5 交换容量交换容量6 树脂颗粒大小树脂颗粒大小7 树脂的活泼基团树脂的活泼基团6PPT课件强酸性和弱酸性阳离子交换树脂交换速度的比较强酸性和弱酸性阳离子交换树脂交换速度的比较平衡平衡达到达到90%平衡所需的平衡所需的时间时间RSO3H+KOH2分钟分钟RCOOH+KOH7天天RSO3Na+CaCl22分钟分钟RCOONa+CaCl22分钟分钟7PPT课件第八节第八节 离子交换的技术离子交换的技术一、树脂的选择一、树脂的选择 在化学分析中应用最多的为强酸性阳离子交换树脂和强碱在化学分析中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。生产上出厂的交换树脂颗粒大小往往不性阴离子交换树脂。生产上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。可以用水泡胀后用筛在水中选取大小一定的颗粒备用。1 树脂的种类树脂的种类 2 树脂的型式树脂的型式3 树脂的粒度树脂的粒度 4 树脂的交联度树脂的交联度 在在分分析析工工作作中中，为为了了分分离离或或富富集集某某种种离离子子。一一般般采采用用动动态态交交换换。这这种种交交换换方方法法在在交交换换柱柱中中进进行行，其其操操作过程如下作过程如下。8PPT课件二、树脂的处理二、树脂的处理 一般商品树脂仍含有一定量的杂质，所以在使用前必一般商品树脂仍含有一定量的杂质，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，通常用脂，通常用4mol/LHCl溶液浸泡溶液浸泡1-2天，以溶解各种杂天，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上含有可被交换的H+或或Cl-的氢型阳离子交换树脂或氯型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。处理氢型阳离子交换树脂。先浸泡在水中先浸泡在水中溶胀后溶胀后盐酸浸泡盐酸浸泡洗至中性洗至中性9PPT课件 进进行行离离子子交交换换通通常常在在离离子子交交换换柱柱中中进进行行。离离子子交交换换柱柱一一般般用用玻玻璃璃制制成成，装装置置交交换换柱柱时时，先先在在交交换换柱柱的的下下端端铺铺上上一一层层玻玻璃璃丝丝，灌灌入入少少量量水水，然然后后倾倾入入带带水水的的树树脂脂，树树脂脂就就下下沉沉而而形形成成交交换换层层。装装柱柱时时应应防防止止树树脂脂层层中中存存留留气气泡泡，以以免免交交换换时时试试液液与与树树脂脂无无法法充充分分接接触触。树树脂脂高高度度一一般般约约为为柱柱高高的的90%。为为防防止止加加试试液液时时树树脂脂被被冲冲起起，在在柱柱的的上上端端亦亦应应铺铺一一层层玻玻璃璃纤纤维维。交交换换柱柱装装好好后后，再再用用蒸蒸馏馏水水洗洗涤涤，关关上上活活塞塞，以以备备使使用用。应应当当注注意意不不能能使使树树脂脂露露出出水水面面，因因为为树树脂脂露露于于空空气气中中，当当加加入入溶溶液液时时，树树脂脂间间隙隙中中会会产产生生气气泡泡，而而使使交交换换不不完完全。全。交换柱也可以用滴定管代替。交换柱也可以用滴定管代替。三、仪器装置与装柱三、仪器装置与装柱10PPT课件三、仪器装置三、仪器装置11PPT课件四、柱上操作四、柱上操作装柱装柱交换交换洗涤洗涤洗脱（再生）洗脱（再生）测定测定12PPT课件 将试液加到交换柱上，用活塞控制一定的流速进将试液加到交换柱上，用活塞控制一定的流速进行交换。经过一段时间之后，上层树脂全部被交换、行交换。经过一段时间之后，上层树脂全部被交换、下下层层未未被被交交换换，中中间间则则部部分分被被交交换换，这这一一段段称称为为“交交界界层层”。随随着着交交换换的的进进行行，交交界界层层逐逐渐渐下下移移，至至流流出出液液中中开始出现交换离子时，称为开始出现交换离子时，称为始漏点始漏点(或称穿漏点或称穿漏点)，此，此时交换柱上被交换离子的物质的量数称为时交换柱上被交换离子的物质的量数称为始漏量始漏量。在。在到达始漏点时，交界层的下端刚到达交换柱的底部，到达始漏点时，交界层的下端刚到达交换柱的底部，而交换层中尚有未被交换的树脂存在，所以始漏量总而交换层中尚有未被交换的树脂存在，所以始漏量总是小于总交换量。是小于总交换量。五、柱上离子交换的情况五、柱上离子交换的情况13PPT课件五、柱上离子交换的情况五、柱上离子交换的情况14PPT课件始漏曲线中各项始漏曲线中各项代表的物理意义：代表的物理意义：ne为为始漏点始漏点na代表待交换离代表待交换离子的子的始漏量始漏量nb代表离子交换代表离子交换树脂层的树脂层的 总交换容量总交换容量15PPT课件影响始漏量大小的因素：影响始漏量大小的因素：1.交换树脂颗粒的大小交换树脂颗粒的大小2.交换柱的形状交换柱的形状3.溶液的流速溶液的流速4.温度温度5.溶液的酸度溶液的酸度常用的工作条件：树脂粒度为常用的工作条件：树脂粒度为80-120目，柱高目，柱高为为20-40cm，柱内径为，柱内径为0.8-1.5cm，流速为，流速为2-5mL/min，在常温下进行交换反应。，在常温下进行交换反应。16PPT课件 当交换完毕之后，一般用蒸馏水洗去残存溶当交换完毕之后，一般用蒸馏水洗去残存溶液，然后用适当的洗脱液进行洗脱。在洗脱过液，然后用适当的洗脱液进行洗脱。在洗脱过程中、上层被交换的离子先被洗脱下来，经过程中、上层被交换的离子先被洗脱下来，经过下层未被交换的树脂时，又可以再度被交换。下层未被交换的树脂时，又可以再度被交换。因此最初洗脱液中被交换离子的浓度等于零，因此最初洗脱液中被交换离子的浓度等于零，随着洗脱的进行，洗出液离子浓度逐渐增大，随着洗脱的进行，洗出液离子浓度逐渐增大，达到最大值之后又逐渐减小，至完全洗脱之达到最大值之后又逐渐减小，至完全洗脱之后，被洗出的离子浓度又等于零。后，被洗出的离子浓度又等于零。五、离子交换的洗脱过程五、离子交换的洗脱过程17PPT课件 对于阳离子交换树脂常采用对于阳离子交换树脂常采用HCl溶液溶液作为洗脱液，经过洗脱之后树脂转为氢作为洗脱液，经过洗脱之后树脂转为氢型；阴离子交换树脂常采用型；阴离子交换树脂常采用NaCl或或NaOH溶液作为洗脱液，经过洗脱之溶液作为洗脱液，经过洗脱之后后，树脂转为氯型或氢氧型。因此洗脱树脂转为氯型或氢氧型。因此洗脱之后的树脂已得到再生，用蒸馏水洗涤之后的树脂已得到再生，用蒸馏水洗涤干净即可再次使用。干净即可再次使用。18PPT课件五、离子交换的洗脱过程五、离子交换的洗脱过程19PPT课件1.洗脱剂浓度洗脱剂浓度2.流速流速影响洗脱过程的因素：影响洗脱过程的因素：20PPT课件第九节第九节 离子交换分离法的应用离子交换分离法的应用(一一)纯水的制备纯水的制备21PPT课件 天天然然水水中中常常含含一一些些无无机机盐盐类类，为为了了除除去去这这些些无无机机盐盐类类以以便便将将水水净净化化，可可将将水水通通过过氢氢型型强强酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂，除除去去各各种种阳阳离离子子。如如以以CaCl2代表水中的杂质，则交换反应为：代表水中的杂质，则交换反应为：2R-SO3H+Ca2+(R-SO3)2Ca+2H+再再通通过过氢氢氧氧型型强强碱碱性性阴阴离离子子树树脂脂,除除各各种种阴阴离离子子:RN(CH3)3OH+C1-RN(CH3)3Cl+OH-交交换换下下来来的的H+和和OH-结结合合成成H2O，这这样样就就可可以以得得到到相相当当纯纯净净的的所所谓谓“去去离离子子水水”，可可以以代代替替蒸蒸馏馏水使用。水使用。22PPT课件(二二)试剂的制备与提纯试剂的制备与提纯 如试剂级的亚硝酸钾，只含如试剂级的亚硝酸钾，只含KNO294%，而其中大量的杂质是而其中大量的杂质是KNO3，使用结晶法不能，使用结晶法不能除去除去KNO3。将试剂级的亚硝酸钾溶液。将试剂级的亚硝酸钾溶液1mol/L通过通过NO2-式的阴离子交换树脂柱，由于式的阴离子交换树脂柱，由于NO2-的的离子交换亲和力比离子交换亲和力比NO3-小，小，NO3-完全定量地完全定量地交换到树脂上，并将树脂上的交换到树脂上，并将树脂上的NO2-交换下来，交换下来，流出液中流出液中KNO2的纯度最少达的纯度最少达99.9%。交换柱。交换柱可用纯可用纯NaNO2再生后重复使用。再生后重复使用。23PPT课件 1.干扰阳离子的分离干扰阳离子的分离 在在分分析析测测定定过过程程中中，其其他他离离子子的的存存在在常常有有干干扰扰。对对不不同同电电荷荷的的离离子子，用用离离子子交交换换分分离离的的方方法法排排除除干干扰扰最最为为方方便便。例例如如用用BaSO4重重量量沉沉淀淀法法测测定定黄黄铁铁矿矿中中硫硫的的含含量量时时，由由于于大大量量Fe3+、Ca2+的的存存在在，造造成成BaSO4沉沉淀淀的的不不纯纯，因因此此可可先先将将试试液液通通过过氢氢型型强强酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂除除去去干干扰扰离离子子，然然后后再再将将流流出出液液中中的的SO42-沉沉淀淀为为BaSO4进进行行硫硫的测定，这样便可以大大提高测定的准确度。的测定，这样便可以大大提高测定的准确度。(三三)干扰组分的除去干扰组分的除去24PPT课件 如果要使几种阳离子或几种阴离子分离如果要使几种阳离子或几种阴离子分离开开,可以根据各种离子对树脂的亲和力不同可以根据各种离子对树脂的亲和力不同,将它们彼此分离。例如欲分离将它们彼此分离。例如欲分离Li+、Na+、K+三种离子三种离子,将试液通过阳离子树脂交换柱将试液通过阳离子树脂交换柱,则三种离子均被交换在树脂上则三种离子均被交换在树脂上,然后用稀然后用稀HCl洗脱洗脱,交换能力最小的交换能力最小的Li+先流出柱外先流出柱外,其次其次是是Na+，而交换能力最大的，而交换能力最大的K+最后流出来。最后流出来。(三三)干扰组分的除去干扰组分的除去2.同性电荷离子的分离同性电荷离子的分离25PPT课件 阴离子交换树脂一般是使用阴离子交换树脂一般是使用Cl-式或式或NO3-式，式，为了防止阳离子在柱内的水解，使用为了防止阳离子在柱内的水解，使用OH-式的阴式的阴离子交换树脂是不合适的。如许多阳离子用重量离子交换树脂是不合适的。如许多阳离子用重量法、配位滴定法或原子吸收分光光度法测定时，法、配位滴定法或原子吸收分光光度法测定时，PO43-都将发生干扰，为了消除都将发生干扰，为了消除PO43-对对EDTA滴滴定定Ca2+、Mg2+的干扰可以在滴定前将试液通过的干扰可以在滴定前将试液通过阴离子交换柱，即可把它除去。阴离子交换柱，即可把它除去。(三三)干扰组分的除去干扰组分的除去3.干扰阴离子的分离干扰阴离子的分离26PPT课件 由由于于铂铂、钯钯在在矿矿石石中中的的含含量量一一般般为为10-5-10-6，即即使使称称取取10克克试试样样进进行行分分析析，也也只只含含铂铂、钯钯0.1微微克克左左右右。因因此此，必必须须经经过过富富集集之之后后才才能能进进行行测测定定。富富集集的的方方法法是是：称称取取10-20克克试试样样，在在700灼灼烧烧之之后后用用王王水水溶溶解解，加加浓浓HCl蒸蒸发发，铂铂、钯钯形形成成PtCl62-和和PdCl42-络络阴阴离离子子。稀稀释释之之后后，通通过过强强碱碱性性阴阴离离子子交交换换，即即可可将将铂铂和钯富集在交换柱上。和钯富集在交换柱上。(四四)微量组分的富集微量组分的富集1.测定矿石中的铂、钯测定矿石中的铂、钯27PPT课件1.测定矿石中的铂、钯测定矿石中的铂、钯 用稀用稀HCl将树脂洗净，取出树脂移入瓷钳将树脂洗净，取出树脂移入瓷钳锅中，在锅中，在700灰化，用王水溶解残渣，加盐灰化，用王水溶解残渣，加盐酸蒸发。然后在酸蒸发。然后在8mol/L HCl介质中，钯介质中，钯(II)与双十二烷基二硫代乙二酰胺与双十二烷基二硫代乙二酰胺(DDO)生成黄色生成黄色络合物，用石油醚络合物，用石油醚-三氯甲烷混合溶剂萃取，三氯甲烷混合溶剂萃取，用比色法测定钯。铂用比色法测定钯。铂(IV)用二氯化锡还原为铂用二氯化锡还原为铂(II)，与，与DDO生成樱红色螯合物可进行比色法生成樱红色螯合物可进行比色法测定测定。28PPT课件 若测定湖水中微量若测定湖水中微量Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-和和SO42-。为了富集这些元素，可。为了富集这些元素，可将将1-5升左右的湖水以大约升左右的湖水以大约5升升/时的流速先时的流速先通过装有通过装有30mL强酸性阳离子交换树脂的交换强酸性阳离子交换树脂的交换柱，再以同样的流速通过装有柱，再以同样的流速通过装有30mL强碱性阴强碱性阴离子交换树脂的交换柱，然后用离子交换树脂的交换柱，然后用100mL 2.5mol/L HCl溶液从阳离子交换柱中把阳离溶液从阳离子交换柱中把阳离子缓慢地洗脱下来。子缓慢地洗脱下来。(四四)微量组分的富集微量组分的富集2 微量元素的富集微量元素的富集29PPT课件以类似的方法，用以类似的方法，用100mL0.5mol/L氨水从阴离子交换柱中把阴离子洗脱氨水从阴离子交换柱中把阴离子洗脱下来。经过这样富集以后的微量物下来。经过这样富集以后的微量物质，就可用普通的方法分别测定它们。质，就可用普通的方法分别测定它们。30PPT课件 如果试液中含有如果试液中含有(NH4)2SO4、NaNO3和和NaCl，并且需要测定它的总，并且需要测定它的总盐量的话，可以先个别的测定每一个盐量的话，可以先个别的测定每一个阳离子阳离子(或阴离子或阴离子)，然后计算盐的总摩，然后计算盐的总摩尔浓度。但是，一种更简单和准确的尔浓度。但是，一种更简单和准确的方法，是将试样通过方法，是将试样通过H+式强酸性阳离式强酸性阳离子交换树脂柱，用水洗涤并滴定流出子交换树脂柱，用水洗涤并滴定流出液中的酸。液中的酸。(五五)总盐量的测定总盐量的测定31PPT课件如果试样中含有酸，那么这部分酸必须如果试样中含有酸，那么这部分酸必须在试样通过交换柱处理之前进行滴定，在试样通过交换柱处理之前进行滴定，并在结果计算时作为空白校正。如果试并在结果计算时作为空白校正。如果试样中含有碱，由于碱将被样中含有碱，由于碱将被H+式阳离子式阳离子交换树脂交换下来的交换树脂交换下来的H+所中和，而不所中和，而不需要进行校正。需要进行校正。32PPT课件 从理论上说，用从理论上说，用OH-或强碱式阴离子或强碱式阴离子交换树脂处理试样，并用标准酸液滴定流交换树脂处理试样，并用标准酸液滴定流出液，然后算出盐的总摩尔浓度，也是可出液，然后算出盐的总摩尔浓度，也是可以的。以的。33PPT课件不采用强碱性阴离子交换树脂处理的原因：不采用强碱性阴离子交换树脂处理的原因：(1)OH-离子对强碱性阴离子交换树脂的亲和力离子对强碱性阴离子交换树脂的亲和力很小，再生树脂是更加昂贵的，而且比强很小，再生树脂是更加昂贵的，而且比强酸性阳离子交换树脂的情况要花费较多的酸性阳离子交换树脂的情况要花费较多的时间；时间；(2)要防止碱性流出液从空气中吸收要防止碱性流出液从空气中吸收CO2;(3)如试样中含有能产生氢氧化物沉淀的阳离如试样中含有能产生氢氧化物沉淀的阳离子，那么这种方法将失败；子，那么这种方法将失败；(4)如试样中含有较大量的铵盐，由于氨的挥如试样中含有较大量的铵盐，由于氨的挥发而导致结果的误差，除非流出液流入过发而导致结果的误差，除非流出液流入过量的标准酸中。量的标准酸中。34PPT课件一一 概述概述二二 分类分类第十节第十节 离子交换膜离子交换膜按离子交换膜结构分类按离子交换膜结构分类异相膜异相膜均相膜均相膜半均相膜半均相膜按膜的作用分类按膜的作用分类阳离子交换膜阳离子交换膜阴离子交换膜阴离子交换膜其它类型膜其它类型膜按离子交换膜的应用分类按离子交换膜的应用分类电渗析浓缩用膜电渗析浓缩用膜电渗析脱盐用膜电渗析脱盐用膜电解隔膜电解隔膜选择透过性膜选择透过性膜扩散渗析用膜扩散渗析用膜35PPT课件三三 应用应用1 电渗析方面的应用电渗析方面的应用（1）脱盐及淡化）脱盐及淡化 将阴、阳两种膜交替排列在两个电将阴、阳两种膜交替排列在两个电极之间，两膜间用特制隔板隔开，组成极之间，两膜间用特制隔板隔开，组成脱盐（淡）和浓缩（浓）两个系统，两脱盐（淡）和浓缩（浓）两个系统，两端各设电极室，即成多层电渗析器。稀端各设电极室，即成多层电渗析器。稀释液经电渗析后即可脱盐又可浓缩。释液经电渗析后即可脱盐又可浓缩。高纯水的制备高纯水的制备36PPT课件（2）离子分离）离子分离（3）利用复分解反应制备化学药品）利用复分解反应制备化学药品 可以从廉价的氯化钠和碳酸钾制备可以从廉价的氯化钠和碳酸钾制备价值较高的氯化钾及碳酸钠。使用电价值较高的氯化钾及碳酸钠。使用电渗析法使产品分离是重要手段。渗析法使产品分离是重要手段。（4）电渗析水解制备酸和碱）电渗析水解制备酸和碱（5）药物精制及食品工业）药物精制及食品工业（6）环境保护）环境保护37PPT课件2 作为电极反应的隔膜作为电极反应的隔膜3 电池方面的应用电池方面的应用38PPT课件