离子交换原理

1、 离子交换离子交换原理及设备原理及设备 离子交换的定义及发展离子交换的定义及发展 离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂及其分离原理 离子交换树脂的分类 离子交换树脂的理化性能 离子交换机理及动力学 离子交换装置及再生离子交换装置及再生 离子交换的应用离子交换的应用 主要内容主要内容 （一）定义（一）定义 利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用，使欲提取的利用离子交换剂与溶液中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单元操作组分与其它组分进行分离的单元操作 离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取离子交换是一种新型的化学分离过程，是从水溶液中提取 有用组分的基本单元操

2、作。有用组分的基本单元操作。 树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多，树脂容量有限，若溶液中离子浓度太高，则树脂用量多， 设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。 离子交换离子交换 （二）发展（二）发展 1805年英国科学家发现了土壤中年英国科学家发现了土壤中Ca2+和和NH4+的交的交 换现象；换现象； 1876年年Lemberg 揭示了离子交换的可逆性和化学揭示了离子交换的可逆性和化学 计量关系；计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂；年人工合成了离子交换树脂； 1940年应用于工业生产；年应用于工业生产； 195

3、1年我国开始合成树脂。年我国开始合成树脂。 离子交换树脂离子交换树脂 离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料，在溶液中离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料，在溶液中 它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。 结构：离子交换树脂是一类带有结构：离子交换树脂是一类带有功能基功能基的的网状结构网状结构的高分子化合的高分子化合 物，它由不溶性的物，它由不溶性的三维空间网状骨架三维空间网状骨架、连接在骨架上的、连接在骨架上的功能基团功能基团和和 功能基团上带有功能基团上带有相反电荷的可交换离子相反电荷的可交换离子三部分构成。三部分构成。

4、(一) 组成 离子交离子交 换树脂换树脂 母体母体(骨架骨架） 活性基团活性基团 固固 定定 离离 子子 可交换离子可交换离子 苯乙烯苯乙烯( (单体单体) ) + + 二乙烯苯二乙烯苯( (交联剂交联剂) ) 母体母体 共聚共聚 H2SO4 功功 能能 基基 反反 应应 R SO3 H 固定离子固定离子可交换离子可交换离子 母体母体 (二) 分类 按结构 离子交离子交 换树脂换树脂 凝胶型凝胶型 孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。孔大，溶胀度小，交换速度高，抗污染能力强。 孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。孔隙小、少，溶胀度较大，水溶胀后呈凝胶状。 大孔型大孔型 离子交离子交

5、 换树脂换树脂 阳离子交换树脂阳离子交换树脂 阴离子交换树脂阴离子交换树脂 弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 (伯、仲、叔胺基伯、仲、叔胺基) 强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂(季铵基团季铵基团) 弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂 (羧酸基团羧酸基团) 强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂 (磺酸基团磺酸基团) 聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型醛型 树脂等；树脂等； 按选择性 按主要成分 凝胶型树脂凝胶型树脂 大孔型树脂大孔型树脂 凝胶型树脂凝胶型树脂 交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。交换容量大、离子交换速度

6、快和耐热性能较好等优点。 这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀这类树脂表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔。在水中会溶胀 成凝胶状，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微成凝胶状，在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微 孔。湿润树脂的平均孔径为孔。湿润树脂的平均孔径为24nm(210-6410-6mm)。 在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小， 无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下无机小分子无法通过。所以，这类离子交换树脂在干燥条件下 或油类中将丧失离子交换功能。或油类中将丧失

7、离子交换功能。 大孔型树脂大孔型树脂 针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树针对凝胶型离子交换树脂的缺点，研制了大孔型离子交换树 脂。脂。 大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶大孔型离子交换树脂外观不透明，表面粗糙，为非均相凝胶 结构。内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，孔径结构。内部的孔隙又多又大，表面积很大，活性中心多，孔径 一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米一般为几纳米至几百纳米，比表面积可达每克树脂几百平方米 因此因此其吸附功能十分显著。离子交换反应的速度快，约比凝胶型其吸附功能十分显著。离子交换反应的速度快，约比凝胶型 树脂快

8、约十倍。而且能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容树脂快约十倍。而且能抗有机物的污染（因为被截留的有机物容 易在再生时通过这些孔道除去）。易在再生时通过这些孔道除去）。即使在干燥状态，内部也存在即使在干燥状态，内部也存在 不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。不同尺寸的毛细孔，因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用。 大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和大孔型树脂的缺点是交换容量较低，再生时酸、碱的用量较大和 售价较贵等。售价较贵等。 12 b. 丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂 a. 苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂 CH2 H C COOH CH2 H C

9、CHCH2 (三) 常用离子交换树脂的化学结构 732阳离子交换树脂（钠型，苯乙烯与二乙烯苯共聚基体上带有磺酸基的离子交换树脂） CH2 H CCH2 H C SO3H C H CH2 13 c. 苯乙烯系强碱性阴离子交换树脂 d. 苯乙烯系弱碱性阴离子交换树脂 CH2CHCH2 H C C H CH2 HO(CH3)3NCH2 717阴离子交换树脂（氯型、乙烯苯基-N,N,N-三甲基氯化铵与二乙烯苯的聚合物） CH2CHCH2 H C C H CH2 HO(CH3)2NHCH2 14 粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm 含水量（凝胶树脂）：30%-80% 交换容量：单位质量干树脂或单

10、位体积湿树脂所能交换离子相当于 一价离子的物质的量 离子交换选择性： , mmol/g 或者 对不同离子的选择性，例： (四) 离子交换树脂的性能 苯乙烯强酸阳离子型（对阳离子的选择性） Fe3+ Ca2+ Na+ 依价数高优先 Ba2+ Pb2+ Ca2+ 同价位时，依半径大优先， 因为水化半径小，与固定离子的静电引力越大 热稳定性，最高使用温度，如 苯乙烯强酸阳离子 120 丙烯酸弱酸阳离子 200 mmol/mL 几类树脂性能的比较 类型类型 性能性能 阳离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂 强酸性强酸性弱酸性弱酸性强酸性强酸性弱酸性弱酸性 活性基团活性基团磺酸磺酸羧酸

11、羧酸季胺季胺伯胺、仲胺伯胺、仲胺 pH的影响的影响无无酸性交换力小酸性交换力小无无碱性交换力小碱性交换力小 再生剂用量再生剂用量 35倍倍1.52倍倍35倍倍1.22倍倍 交换速率交换速率快快慢慢快快慢慢 离子交换机理 离子交换机理 B+A+ BRARBA 树脂 离子交换过程包括离子交换过程包括5步：步： 1. A+自溶液扩散到树脂表面；自溶液扩散到树脂表面； 2. A+从树脂表面扩散到树脂内部从树脂表面扩散到树脂内部 的活性中心；的活性中心； 3. A+在活性中心发生交换反应；在活性中心发生交换反应； 4. 解吸离子解吸离子B+自树脂内部的活性自树脂内部的活性 中心扩散到树脂表面；中心扩散到

12、树脂表面； 5. B+从树脂表面扩散到溶液；从树脂表面扩散到溶液； 液膜 脱盐工作原理脱盐工作原理 在离子交换过程中，水中的在离子交换过程中，水中的阳离子阳离子（如（如Na+、Ca2+、 K+、 Mg2+、Fe3+ 等）与阳离子交换树脂上的等）与阳离子交换树脂上的H+ 进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而进行交换，水中阳离子被转移到树脂上，而 树脂上的树脂上的H+交换到水中。交换到水中。 水中的水中的阴离子阴离子（如（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的等）与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，进行交换， 水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-

13、交换到水中。而交换到水中。而H+ 与与OH- 相结合生成水，从而达到脱盐的目的相结合生成水，从而达到脱盐的目的(见下页图见下页图) 。 H2 O 阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂阳离子交换树脂 阴离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂阴离子交换树脂 H+ Na+ OH - Cl- NaCl H2O 离子交换原理示意图离子交换原理示意图 离子交换动力学离子交换动力学 当溶液中的当溶液中的A与树脂内离子与树脂内离子B发生交换反应时，整个反应历发生交换反应时，整个反应历 将经历五个阶段：将经历五个阶段： （1）膜扩散过程）膜扩散过程 在树脂微粒周围包围着一层静止的液膜，离子必须通在树脂微

14、粒周围包围着一层静止的液膜，离子必须通 过这个膜方能到达树脂表面，这叫膜扩散过程过这个膜方能到达树脂表面，这叫膜扩散过程 （2）粒扩散过程）粒扩散过程 A离子由表面进入树脂内部，进入交换位置离子由表面进入树脂内部，进入交换位置 （3）化学交换反应过程）化学交换反应过程 （4）B离子由树脂内部进入到树脂表面离子由树脂内部进入到树脂表面 （5）B离子从表面通过液膜进入外界溶液离子从表面通过液膜进入外界溶液 影响扩散速度的因素影响扩散速度的因素 1 树脂颗粒大小树脂颗粒大小颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快 2 树脂交联度树脂交联度交联度愈大，树脂网孔减小，扩散

15、速度愈慢交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢 3 温度温度温度升高、有利于提高扩散速度温度升高、有利于提高扩散速度 4交换离子的大小交换离子的大小交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢 5溶液浓度溶液浓度稀溶液中决定的是膜扩散速度、加大浓度、扩散速度加快。稀溶液中决定的是膜扩散速度、加大浓度、扩散速度加快。 浓度过高后，粒扩散速度成为反应速度决定阶段。最后反应趋向于已极限值浓度过高后，粒扩散速度成为反应速度决定阶段。最后反应趋向于已极限值 按照操作方式分类按照操作方式分类 操作方式有操作方式有静态静态(与与动态动态交换交换设备两种交换交换设备两种 静态设

16、备为一带有搅拌器的反应罐，目前已较少使用静态设备为一带有搅拌器的反应罐，目前已较少使用 动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类 离子交换装置 静态交换设备 交换液与树脂一同放入容器内，搅拌或交换液与树脂一同放入容器内，搅拌或 鼓入空气，充分接触，交换达到平衡时，鼓入空气，充分接触，交换达到平衡时， 过滤将液固分离。过滤将液固分离。 为了提高交换效果，需进行多次静态交为了提高交换效果，需进行多次静态交 换，又称间歇式交换。换，又称间歇式交换。 费时，效率低，实用价值小。费时，效率低，实用价值小。 柱式离子交换罐剖视图柱式离子交换罐

17、剖视图 动态交换设备 动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类动态设备分为间歇操作的固定床和连续操作的流动床两大类 固定床有单床（单柱或单罐操作）、多床（多柱或多罐串联）、复床固定床有单床（单柱或单罐操作）、多床（多柱或多罐串联）、复床 （阴柱、阳柱）、混合床（阴、阳树脂混合在一个柱或罐中）（阴柱、阳柱）、混合床（阴、阳树脂混合在一个柱或罐中） 连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均连续不断流入和离开交换设备，连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均连续不断流入和离开交换设备， 一般也有单床、多床之分一般也有单床、多床之分 料液料液 处理液处理液 单床式单床式 料液料液 处理液处理液 多床式多床式 料液料液 处理液处理液 复床式复床式 料液料液 处理液处理液 混合床式混合床式 固定床设备 下图为三塔式移动床，由交换塔、再生塔和清洗塔组成。