冶金设备基础 第8章 离子交换.ppt

1,Faculty of Materials and Metallurgical Engineering Kunming University of Science and Technology,多媒体教学课程：冶金设备基础,昆明理工大学材料与冶金工程学院,任课教师：徐瑞东,第8章 离子交换 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。 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,(1)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，使欲提取的组分与其它组分进行分离的工艺过程。,天然沸石 人造沸石的磺化煤 离子交换树脂,(2)选用原料：,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,(3)应用领域：,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。 缺点：工艺过程周期长，操作比较复杂。,(4)特 点：,8.1离子交换剂的结构和性质,高分子网状骨架(母体) 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,7.1.1离子交换剂结构,7.1.2离子交换树脂的分类,(1)泡 胀 性：树脂活性基团上的离子遇水而膨胀。 (2)密度和含水量：表观密度、结合水分。 (3)粒 度：0.31.2mm。 (4)交 联 度： 414%。 (5)交换容量：36mmol/g或12mmol/ml。,8.1.3离子交换树脂的性质,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。,表观密度: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。常用树脂的表观密度在0.60.9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联度有关。商品树脂大约含有50%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。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。,交换容量： 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。,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,8.2 离子交换的基本原理,8.2.1离子交换反应过程,强酸性阳离子交换树脂,强碱性阴离子交换树脂,1.在树脂颗粒表面进行 2.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 离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置 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 离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中,7.2.2离子交换势及规律,1.离子交换势的定义 树脂对预交换离子的吸着(交换)能力，把这种吸着能力称为“势”。,2.离子交换势的规律,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。,Th4+Al3+Ca2+Na+ Rb+K+Na+Li+ Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+,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： 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Ag+）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。,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Ag+ 、 Ba2+和Ni2+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NO3- 、C6H5O73-、C2O42-和三种离子的交换顺利及交换反应。,7.2.3选择系数 (1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换,(2) 树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：,E1时，交换反应向右进行。 E1时，交换反应向左进行。,离子交换平衡方程式,凸形：离子交换反应能向右进行， 有利于交换，且被交换离子 价数越高，曲线形状越凸； 凹形：交换反应向左进行。 交换势的大小决定了平衡曲线的形状。,等价离子交换平衡曲线,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 1.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 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 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。 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。,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。 带有-SO3H基强酸性树脂吸附重金属阳离子 强酸性树脂-弱碱性树脂-强酸性、强碱性混合树脂的联合床净化水 螯合树脂吸附从碱金属离子中除去的过渡金属离子。,8.3. 离子交换工艺及设备,常 见 规 律,选 择 原 则,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。达到交换平衡时，用过滤、离心等方法将液体排放,从而达到液固分离的操作。,2.离子交换的操作方式,静态交换,周期式,动态交换,连续式,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。,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，洗脱后的新树脂同时又连续进入交换部位。树脂的运动靠活塞的运动完成。,交换 反洗 再生 正洗 洗净,固定床,移动床,8.3.2离子交换设备,设备特性及操作方式不同,固定床设备 连续床设备,设备主体结构类型,罐 型 槽 型 塔 型,移动床 流化床,(1) 固定床离子交换设备 上、中和下三个布液装置:保证溶液沿交换柱截面的分布均匀，并能阻止树脂被带出, 柱内树脂层不超过2/3。 树脂层上空约1.5m高，该空间通空气或充以水，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。,(2)移动床连续交换设备,(3)流化床离子交换设备,三种离子交换设备的特点对比,8.4离子交换的应用,1.除去杂质,纯净的去离子水,去除工业盐酸中微量的Fe3+,2.离子转换,硬水软化处理,3.废水处理,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。,4.分离或富集微量 有价值金属,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： R-H+Na+ R- Na+H+ R-OH+Cl- R- Cl +OH- H+ OH- H2O,思考题：写出纯净去离子水的制备原理。,8.5离子交换膜的应用,1. 离子交换膜原理 离子交换膜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膜达到分离的目的。 阳离子交换膜-能阻止阴离子渗过而选择性透过阳离子的膜。 阴离子交换膜-能阻止阳离子渗过而选择性透过阴离子的膜。,2.两性离子与非两性离子分离,ZnSO4与Na2SO4溶液的电渗分离,阳离子交换膜,阴离子交换膜,(1)制备浓溶液和稀溶液,加两种膜的电渗,一、离子交换过程的基本知识,本章小结,离子交换定义 选用原料 应用领域 特 点,二、离子交换剂的结构和性质,1.离子交换剂结构,高分子网状骨架(母体) 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,泡 胀 性 密度和含水量 粒 度 交 联 度 交换容量,2.离子交换剂性质,三、离子交换的基本原理,1.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 离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置 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 离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中,在树脂表面进行 在树脂内部进行,2. 离子交换势及规律,离子交换势的定义,离子交换势的规律,选择系数,(2) 树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：,(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换,四、离子交换工艺及设备 1.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 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 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。 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。,2.离子交换的操作方式,