离子交换剂平衡课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 离子交换平衡,一、离子交换反应,离子交换树脂功能团上的可交换离子（即反离子）由于热运动的结果，它们可在树脂网状结构空间内自由运动（但由于功能团上固定离子的相反电荷的静电引力的束缚，运动只限于网状结构空间内），当溶液中的离子与树脂的可交换离子所带电荷符号相同，并且扩散到树脂内部时，两者便会发生交换反应，而树脂的骨架及固定离子基团在交换反应中不发生变化。,1,、离子交换反应发生的原理,2,、离子交换反应的表示方法,R,SO,3,H+,NaCl,=R,SO,3,Na+,HCl,R,NOH+,NaCl,=R,NCl,+,NaOH,在反应式中各种离子交换树脂的表示方法,磺酸型阳离子交换树脂：,R,SO,3,H,羧酸型阳离子交换树脂：,R,COOH,季铵型阴离子交换树脂：,R,NCl,叔胺型阴离子交换树脂：,R,N,HCl,仲胺型阴离子交换树脂：,R,NH,HCl,伯胺型阴离子交换树脂：,R,NH,2,HCl,二、离子交换柱内离子的吸附交换过程,欲交换的离子流经离子交换柱时，树脂对溶液中离子的吸附（或交换）是自上而下逐渐进行的。以氨型磺酸阳离子交换树脂吸附溶液中的,Me,n+,离子为例说明柱内吸附过程。,I,II,III,料液,0,1,C/C,0,I,区：该区域树脂已全部被,Me,n+,所饱和，在该区域溶液中,Me,的浓度,C,等于初始浓度,C,0,，称为,饱和带,。,II,区：该区域树脂只吸附了部分,Me,n+,离子，正在继续吸附自上而下流入的,Me,n+,离子。树脂上同时含有,NH,4,+,和,Me,n+,离子，但各点的交换程度不同，自上而下吸附的,Me,n+,离子浓度逐渐减小，该区域称为,交换带（或交换层）,。,III,区：该区域的树脂还没有与,Me,n+,离子进行交换，仍保留原来的,NH,4,+,型，该区域溶液中的,Me,n+,离子浓度等于,0,，该区域称为,空白带。,1,、交换带、饱和带及空白带,2,、流出曲线,流出曲线的形成过程,C/C,0,流出曲线,：当料液不断流入交换柱时，交换带将不断向下移动，但是从交后液中,Me,n+,的浓度一直为零。当交换带移动到柱底时，则交后液中开始检测到有,Me,出现，称为“,漏穿点,”。随后交后液中,Me,n+,浓度逐渐增大，一直增大到原始浓度,C,0,。如果以交后液体积,V,或流出时间,t,为横坐标，以交后液中,Me,n+,浓度与料液中,Me,n+,浓度之比,c/c,0,为纵坐标作图，所得曲线称为“流出曲线”。,a,b,c,d,e,f,在流出曲线中，曲线,bfe,左边区域的,abfecd,面积与吸附于树脂上的,Me,离子的量相对应，右边区域的面积则与流入交后液中的,Me,离子的量相对应。,b,漏穿点；,abcd,与树脂的穿透交换容量相对应；,abfed,与树脂的饱和交换容量相对应；,3,、影响流出曲线的因素：,流出曲线的“,波形（斜率变化）、宽度（漏穿点至饱和点）、漏穿点出现的位置,”三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线，它反映了“交换体系”、“设备结构”、“操作条件”、“交换平衡”、“传质动力学”的综合影响。,影响流出曲线或贯穿参量的因素,：,（,1,）树脂对交换离子的亲和力,亲和力越大，则交换带（,）高度越小，故流出曲线斜率变化大，波形陡峭，漏穿点出现晚，漏穿容量越大，柱利用率也越高。,（,2,）树脂粒度,（,3,）树脂交联度,（,4,）树脂容量,（,5,）操作流速,（,6,）料液浓度,降低料液浓度有利于提高柱效率，而在扩散控制的情况下增加料液浓度有利于提高交换速度,（,7,）操作温度,（,8,）柱形、柱高,H/D,大可改善柱内的树脂填充状态、改善液流分布有利于交换,总之，越利于反应快速进行、越有利于反应进行完全的因素，越有利于交换带宽度变窄、斜率变大、穿透点出现变晚。,4,、交换带高度的计算,浓度剖面线：,假设把交换柱水平放置，柱底在右柱顶在左。把树脂床分为许多极薄的层，以每一层中所含溶液该离子的平均浓度为纵坐标，以树脂床高为横坐标作图，所得曲线即为浓度剖面线。,浓度剖面线与流出曲线在垂直方向互为镜像对称。,浓度剖面线反映了交换柱状态，但是它难以测定，但是可以通过测定流出曲线获得交换柱的工作状态。,交换带高度,H,J,=(V,S,-V,B,)/A,V,S,树脂饱和时流过料液的体积,V,B,漏穿时流过料液的体积,A,交换柱的横截面积,5,、从流出曲线计算交换柱工作参数,1,）树脂负载率,由漏穿点,V,B,至饱和点,V,S,之间交换区内树脂由溶液中吸附的离子量（摩尔数）为,:,等于图中阴影面积,V,B,SB,而交换区内树脂的理论吸附量,Qz,（摩尔数）为：,Qz,Co,（,V,S,V,B,），等于图中矩形面积,V,B,V,S,SB,。,交换区内已经交换的树脂分数,f,为：,S,S,Vo,2,）交换柱的树脂负载率,3,）交换区的流出时间,交换区从穿透到流出柱外的流出时间,t,J,相当于料液充满交换区的时间,t,J,=,（,H,J,A,）,/Q,L,Q,L,为流出液的体积流速，如,M,3,/h,等；,A,为交换柱横截面积。,4,）交换区的形成时间,交换区从料液开始进入树脂床，到完全形成交换区的时间,t,F,，可以由交换区的树脂负载率估计：,t,F,=,（,1-f,J,）,t,J,5,）交换区的高度与柱高的关系,V,J,交换区体积,H,C,树脂床高,在实际应用中，为保证较高的树脂利用率，树脂床必须足够高，以保证远大于交换区高度。,在做实验时，交换柱的直径也不能过小，一般至少应为树脂粒径的,25,倍，以减少壁效应。,6,）由流出曲线计算树脂交换容量,任意给定的流出液体积,Vi,下，树脂交换容量,M,为,M=C,0,（面积,V,0,V,B,i I A/V,0,V,i,I A,）,/,树脂量,S,Vo,V,i,i,I,A,三、离子交换平衡,1,、选择系数,离子交换树脂对离子选择型的大小，或者各种离子对树脂亲和力的大小，常用离子交换选择系数来表示。,1,）对于,1,价离子：,RA+B=RB+A,平衡时：,K,A,B,A,型树脂对,B,的选择性系数,AA,离子在水溶液的中浓度,BA,离子在水溶液的中浓度,RAA,离子在树脂相的浓度,RBB,离子在树脂相的浓度,如果,K,A,B,1,，则,A,型树脂对,B,的选择性高,如果,K,A,B,R,E,3+,Cu,2+,H,+,在常温下的稀溶液中（,0.1mol/L,以下），离子价数相同时，离子对树脂亲和力随离子水合半径的减小而增大，如：,阳离子,Tl,+,Ag,+,Cs,+,Rb,+,K,+,NH,4,+,Na,+,H,+,Li,+,Ba,2+,Pb,2+,Sr,2+,Ca,2+,Ni,2+,Cd,2+,Cu,2+,Co,2+,Mg,2+,UO,2,2+,La,3+,Ce,3+,Pr,3+,Nd,3+,Sm,3+,Eu,3+,Gd,3+,Tb,3+,Dy,3+,Ho,3+,Tm,3+,Yb,3+,Lu,3+,阴离子：,SO,4,2-,C,2,O,4,2-,I,-,NO,3,-,CrO,4,2-,Br,-,SCN,-,Cl,-,OH,-,CH,3,COO,-,F,-,H+,对弱酸性阳离子交换树脂的亲和力较大，酸性越弱，,H,+,的亲和力越大，甚至大于,Tl,+,；,OH,-,对弱碱性阴离子交换树脂的亲和力较大，碱性越弱，,OH,-,的亲和力越大。,离子与溶液中电荷相反的离子或络合剂形成络合物的作用越强，则该离子树脂的亲和力越小。,2,、分配比,D,分配比：交换反应达到平衡时离子,Me,在树脂相浓度,B,与水相浓度,B,的比值,3,、分离系数,它表示了溶液中两种离子的分离难易程度，它等于该条件下两离子的分配比的比值。,A/B,=D,A,/D,B,当离子,A,、,B,同为,1,价离子时，,A/B,=K,B,A,显然，,A/B,=1,则表明该树脂对,A,、,B,两离子无分离效果。相反，,A/B,偏离,1,越远，表明,A,、,B,离子越容易分离,。,4,、离子交换平衡等温线,恒定温度下，测定不同浓度下一种离子与一定形式的某种树脂的交换平衡，以树脂相和平衡水相中该离子的浓度,C,R,、,C,S,分别为纵坐标和横坐标作图，即得离子交换平衡等温线。,C/C,0,q/Q,有时以,q/Q,为纵坐标，,C/C,0,为横坐标。,q-,平衡时离子在树脂相的浓度，如,mol/g,Q-,树脂的总交换容量，如,mol/g,C-,平衡时离子在溶液中的浓度，如,mol/L,C,0,-,溶液的原始浓度，如,mol/L,曲线上任意一点的切线的斜率即为此浓度下的分配比。分配比并非为恒定值，随操作条件的不同而改变。曲线的起始阶段斜率较大，分配比较大。但是随着树脂相中离子浓度的提高，交换趋势下降，曲线斜率即分配比逐渐降低，最终树脂上离子达到饱和。,平衡时，交换反应主导向右的叫做有利平衡，如图中线,1,（分配比大于,1,）；,平衡时，交换反应主导向左的叫做不利平衡，如图中线,3,（分配比小于,1,）；,平衡时，正、逆反应相等的叫做有利平衡，如图中线,2,（分配比等于,1,）；,根据平衡曲线的形状，就可判断树脂优先吸附哪种离子。,离子交换反应为一种可逆反应：,如：,nR,H+Me,n+,R,n,Me+,nH,+,树脂对离子的选择性直接受交换反应的可逆倾向程度支配。各种离子的可逆倾向有很大差别，可以归纳为三类：,四、阳离子树脂的交换反应,1,、不同酸性功能团的比较,酸性对树脂性能的影响,阳离子交换树脂常用功能基：,磺酸,(SO,3,H),膦酸,(P(O)(OH),2,)/,亚膦酸,(P(O)OH),羧酸,(COOH),酚基,(,phOH,),pKa,2 3 5-6 10,pKa,越小,H,+,越易电离，,H,+,越易被其他离子交换,。,交换平衡常数越大，交换反应越能在较高的,H,+,浓度下进行：,磺酸型树脂在,2Mol/L,的盐酸中仍有交换能力；膦酸和亚膦酸要在,pH,高于,3,之 后才具有较强的交换能力；酚羟基要在,pH10,以上才能发生交换。,在应用中，酸性树脂常以钠型或其他离子形式进行交换，这样可以不受溶液,pH,值的影响,。,2,、影响阳离子交换能力的因素,水合半径,就是包括内外层配位水分子的离子半径,水合离子与功能基之间的作用力是静电吸引，因此,同价离子对树脂的亲和力，随水合半径的增加而下降,。,Cs,+,Rb,+,K,+,Na,+,Li,+,水合半径,/nm 0.505 0.509 0.53 0.79 1.0,离子半径,/nm 0.165 0.149 0.133 0.098 0.068,水合离子负载到树脂微孔中的功能基上，能使微孔中的压力升高，产生较高的压强，称作,溶胀压,，结果使树脂胀大。,强酸性树脂由钠型转换为氢型，体积约膨胀,5%,，产生很大的溶胀压，这个压力反过来对树脂的选择性产生了影响，使水合半径小的离子具有较大的亲和力。,离子电荷,离子电荷增加，离子对树脂的亲和力增大。,虽然水合半径与离子电荷可能同时增大，但是电荷增加的比例往往大于水合半径。因而在较强的酸性溶液中，高价离子对树脂的亲和力一般高于低价离子。另外，在酸性较弱时，高价离子易水解而解离出,H,+,，从而使水合离子的电荷下降，交换势随之降低，可能引起交换顺序的变化。,溶液浓度,离子在溶液中真正起作用的是它们的活度，而活度与溶液的总浓度密切相关，而且高价离子的活度受浓度影响远大于低价离子。因此在高浓度溶液中可能引起交换顺序的变化。比如：,Na,+,离子在总浓度高至每升几个摩尔之后，可以将一些高价的离子从树脂上交换下来。,温度,升高温度，加剧离子在溶液中的运动，使水合数下降，从而改变离子的水合半径顺序，可能导致交换顺序发生变化。,五、阴离子树脂的交换反应,1,、强碱性树脂,强碱性树脂类型,季铵,I,型：,N(CH,3,),3,X,季铵,II,型：,NCH,2,CH,2,OH(C