分离工程3.ppt

主讲钟坚专业 化学工艺学号 07043020122008年5月21日 离子交换分离技术 一 离子交换技术概述二 离子交换原理三 离子交换技术的应用 一 离子交换技术概述 20世纪初人们开始使用天然沸石和合成沸石软化水 1935年英国人Adams和Holmas首先合成以酚醛树脂为骨架的离子交换树脂 60年代出现大孔结构的离子交换树脂 它有离子交换性能又有吸附功能 为离子交换树脂的应用开辟了新的前景 今天离子交换技术离子交换技术得到迅速发展 广泛应用于化工 医药 食品和环保等领域 1 1离子交换树脂 定义离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分子化合物 它由不溶性的三维空间网状骨架 连接在骨架上的功能基团和功能基团上带有相反电荷的可交换离子三部分构成 苯乙烯系阳离子交换树脂阴离子交换树脂阳离子交换树脂 1 2离子交换树脂结构与分类 1 2 1离子交换树脂结构 骨架 可交换离子 固定离子 水 阳离子交换树脂结构模型示意图 1 2 2离子交换树脂分类有机合成离子交换树脂根据树脂所含有的活性基团的不同 树脂的分类如下 根据离子交换树脂的孔型分类 凝胶型树脂具有均相高分子凝胶结构 孔径极小 一般在300nm以下 只能通过直径很小的离子 直径较大的分子容易堵塞孔道 影响交换能力 大孔型树脂具有大量的毛细孔和凝胶孔 孔径从几百到几十万纳米 可以通过较大的分子 吸附能力强 但交换能力比凝胶型树脂低 1 3离子交换树脂性能 1 3 1选择性选择性是指离子交换剂对不同离子的亲和力 强酸性离子交换树脂的选择性顺序 Fe3 Al3 Ca2 Mg2 K Na H 在低浓度的水溶液中和室温条件下 多价离子比单价离子优先交换 等价离子的选择性随着原子序数的增加而增加在高浓度溶液中 多价离子的选择性随着浓度的提高而减小 1 3 2离子交换容量离子交换树脂在交换反应中可交换离子的数目用交换容量表示 单位mmol g干树脂 二 离子交换原理 2 1离子交换反应离子交换分离法是通过试样离子在离子交换剂 固相 和淋洗液 液相 之间的分配 离子交换 而达到分离的方法 分配过程是一离子交换反应过程 阳离子交换反应 Resin SO3H Na Resin SO3Na H Resin SO3Na H Resin SO3H Na 阴离子交换反应 Resin N CH3 3OH Cl N CH3 3Cl OH Resin N CH3 3Cl OH N CH3 3OH Cl 选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M 的亲和力的大小 它与树脂的类型 离子的性质以及溶液的组成有关 2 2离子交换平衡和选择性系数 如果让离子交换树脂与溶液离子的交换达到平衡 选择性系数 对于强酸型阳离子交换树脂 当与金属离子M 接触时 2 3离子交换动力学 M 与溶剂萃取相比 离子交换是在固相与液相之间完成 交换速度比较慢 对分离效率的影响较大 一般的离子交换过程有五个步骤 溶液离子向树脂表面扩散 膜扩散 离子通过树脂表面向内部扩散 颗粒扩散 慢 树脂内进行离子交换 交换反应 已交换离子从树脂内部向外扩散 颗粒扩散 慢 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散 膜扩散 R SO3H柱 RN CH3 3OH柱 过滤 混合柱 RN CH3 3OH柱 3 1去离子水的制备实验室用去离子水及锅炉用水的软化 采用串联的阳离子交换柱和阴离子交换柱 三 离子交换技术的应用 由于交换容量不同 实验中通常采用一根阳离子交换柱和二根阴离子交换柱 混合柱也应按等交换容量比例混合 混合柱的作用 由于离子交换是可逆反应 经过阳离子交换柱和阴离子交换柱处理的去离子水 还存在着微量未交换的离子 若让它再通过混合柱 由于两种交换过程同时进行 离子交换后生成的H 和OH 结合成水而除去 进一步提高了水的质量 实验室精制去离子水可 5cm 100cm混合柱处理一次去离子水 3 2含氰废水的处理 氰化水中多种金属氰化络合物对阴离子交换树脂有很强的亲和力 用R OH代表处理的阴离子交换树脂交换反应过程如下 R OH CN RCN OH 2R OH Zn CN 42 R2Zn CN 4 2OH 2R OH Cu CN 32 R2Cu CN 3 2OH 4R OH Fe CN 64 R4Fe CN 6 4OH 处理流程如下 在强碱性阴离子交换树脂上 含氰废水中几种阴离子的吸附能力为 Zn CN 42 Cu CN 32 SCN CN SO42 Pb CN 42 Ni CN 42 Au CN 2 Ag CN 2 等吸附与上述类似 再选取合适的酸度和解吸剂 将其分别解吸 就可达到回收的目的 大大降低含氰废水的危害 离子交换法在废水处理中的广泛应用体现了其独特的优点 反应为非均相 反应后易分离耐酸 耐碱 耐化学腐蚀设备简单 操作容易能耗低可以再生但也暴露了它的不足之处 还存在再生废水问题 树脂中毒和老化问题等 从目前掌握的离子交换法应用的实践以及当前技术发展考虑 离子交换树脂法处理废水的发展方向在于 选择并开发具有高选择性 易于解吸 耐磨率高 不易污染的新型功能树脂或复合树脂在选择离子交换树脂时 应考虑各种树脂的优点及适用范围 必要时采