离子交换剂平衡

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—SO3H+NaCl=R—SO3Na+HClR—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—SO3H羧酸型阳离子交换树脂：R—COOH季铵型阴离子交换树脂：RNCl叔胺型阴离子交换树脂：RN·HCl仲胺型阴离子交换树脂：RNH·HCl伯胺型阴离子交换树脂：R—NH2·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Men+离子为例说明柱内吸附过程。IIIIII料液01C/C0I区：该区域树脂已全部被Men+所饱和，在该区域溶液中Me的浓度C等于初始浓度C0，称为饱和带。II区：该区域树脂只吸附了部分Men+离子，正在继续吸附自上而下流入的Men+离子。树脂上同时含有NH4+和Men+离子，但各点的交换程度不同，自上而下吸附的Men+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Men+离子进行交换，仍保留原来的NH4+型，该区域溶液中的Men+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/C0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Men+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Men+浓度逐渐增大，一直增大到原始浓度C0。如果以交后液体积V或流出时间t为横坐标，以交后液中Men+浓度与料液中Men+浓度之比c/c0为纵坐标作图，所得曲线称为“流出曲线”。abcdef◆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（Ⅱ）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、交披换带巧高度既的计耐算浓度悼剖面终线：假设翠把交奖换柱留水平据放置幼，柱巨底在户右柱推顶在纱左。证把树患脂床时分为裤许多东极薄语的层合，以妻每一饶层中给所含科溶液窝该离猫子的吵平均魔浓度猪为纵旬坐标补，以挨树脂启床高典为横址坐标庙作图浓，所石得曲廊线即能为浓束度剖话面线委。◆浓度威剖面孤线与付流出渔曲线猎在垂沟直方慈向互忧为镜鼓像对夸称。◆浓度背剖面偿线反烦映了美交换臂柱状进态，侍但是让它难表以测厌定，酷但是斯可以术通过升测定球流出撕曲线熔获得收交换喝柱的注工作岩状态弱。交换文带高薄度HJ=(出VS-VB)/质AVS—树脂恢饱和等时流话过料迫液的雀体积VB—漏穿倍时流跳过料组液的蹦体积A—交换混柱的摸横截员面积5、从搜流出熄曲线控计算盟交换恒柱工液作参讯数1）树俊脂负煌载率由漏东穿点VB至饱邻和点VS之间丝式交换摊区内锄树脂愚由溶西液中寒吸附晨的离画子量该（摩进尔数悔）为:等于年图中芽阴影派面积VBSB而交奇换区讨内树颜脂的深理论象吸附饭量Qz（摩苗尔数节）为虎：Qz＝Co（VS－VB），犯等于置图中登矩形删面积VBVSSB。交换裁区内扫已经冈交换栋的树厚脂分金数f为：SSVo2）交仙换柱端的树雅脂负赤载率3）交常换区刻的流目出时昆间交换敢区从吴穿透并到流害出柱遥外的假流出叙时间tJ相当荷于料锡液充沟满交航换区稍的时稀间tJ=（HJ×A）/QLQL为流楚出液能的体奇积流词速，胡如M3/h等；A为交婚换柱来横截轻面积窝。4）交都换区棍的形症成时乡丰间交换阅区从律料液奇开始杯进入施树脂秒床，蕉到完乞全形甜成交受换区厕的时游间tF，可启以由控交换广区的酷树脂刷负载脾率估剩计：tF=（1-散fJ）tJ5）交惑换区飞的高诞度与绸柱高励的关惕系VJ—交换盯区体拦积HC—树脂神床高◆在实东际应览用中待，为花保证赚较高钥的树挤脂利裂用率电，树掘脂床仿必须集足够火高，幼以保统证远总大于错交换追区高朴度。◆在做倘实验刚时，恢交换韵柱的现直径科也不留能过镇小，去一般泄至少借应为预树脂亲粒径孟的25倍，节以减笨少壁桃效应撞。6）由弯流出斜曲线枯计算就树脂洽交换县容量任意版给定馅的流鸟出液鹊体积Vi下，炮树脂鬼交换趋容量M为M=旨C0×（面习积V0VBi傅I强A龙/瓜V0ViI冠A）/树脂部量SVoViiIA三、字离子起交换缎平衡1、选制择系篮数离子彩交换融树脂宗对离锹子选稼择型都的大罪小，去或者剧各种购离子焰对树甲脂亲恢和力添的大微小，插常用偿离子摄交换导选择括系数轿来表掀示。1）对娱于1价离馋子：RA+B=RB+A平衡这时：KAB—A型树仿脂对B的选腔择性张系数[A马]—境A离子贩在水日溶液铲的中里浓度[B轨]—饲A离子方在水柏溶液驶的中北浓度[RA]—A离子在树脂相的浓度[RB]—B离子在树脂相的浓度如果KAB>1，则A型树假脂对B的选忙择性箱高如果KAB<1，则B型树蛋脂对A的选弟择性柱高如果KAB=1，则A、B离子悲的选沃择性际相同孕，不锁能用内该树炒脂分委离二结者2）对技于n价离薯子：nRA+Bn=RnB+nA平衡英时：为便坦于比姨较不粪同电果荷离着子的尤选择谎性系炎数的拜大小避，一斑般把欺上式鼻改为档：RA+1/nBn=1/nRnB+A显然英：RA中，湿树脂衫上的花反离看子A可以撑是阳嚷离子H+、Li+、Na+、NH4+等，虑或者抬是阴赖离子Cl-、OH-、SO42-等。尘显然怒所选庄用的乓参考搜离子跌不同捐，选艘择系飘数的默值夜宪不同谎。因旨此在掩比较峡不同校离子密的选烈择系辛数时葬一定眠要指亩明参驼考离代子A。对吃于阳敏离子涌，一赖般以H+或Li+为参铁考离净子，猴对于楚阴离洲子，竖一般之以Cl-或OH-为参事考离叶子假设A对反霞离子C的选乎择性输系数瓦为KCA，B对C的选暮择性乎系数时为KCB，则垄：KBA=KCA/KCB例如仍：KLiCs=3仿.2腐5，KLiNa=1投.9幻玉8，则KNaCs=3共.2纷5/踏1.啄98钱=1异.6鹿4KLiCa跃/2=5欲.1弯6，KLiNa=1岂.9求8，则KNaCa检/2=5氧.1货6/逃1.辈98兰=2继.6风1，KNaCa=(信2.掘61包)23）不课同离朝子对传树脂驻亲和摔力大宏小的第经验车规律◆在常克温下圣的稀眉溶液筑中（0.你1m蛛ol帜/L以下腔），炼离子验对树拿脂亲麻和力盘随离彼子价丈数的凉增大低而增源大，急如：Th4+>RE3+>C煤u2+>H+◆在常召温下舞的稀组溶液慎中（0.出1m再ol茶/L以下柿），扯离子砍价数扑相同狭时，裙离子元对树插脂亲辈和力杏随离乌子水女合半磨径的猫减小劣而增纱大，戒如：阳离安子Tl+>A也g+>C赵s+>Rb+>K+>N阵H4+>N翁a+>H+>L挠i+Ba2+>P迅b2+>S辩r2+>C开a2+>N淋i2+>C晃d2+>C奴u2+>C殖o2+>M普g2+>U词O22+La3+>C偶e3+>P斤r3+>N拥d3+>S荐m3+>E碰u3+>G艳d3+>T皱b3+>D展y3+>H厚o3+>T藏m3+>Y葱b3+>L陷u3+阴离驴子：SO42->C2O42->I->N罚O3->C椒rO42->B自r->S课CN->Cl->O码H->C靠H3CO岂O->F-◆H+对弱章酸性筑阳离继子交坐换树戒脂的健亲和帮力较协大，辽酸性罩越弱弱，H+的亲逐和力鄙越大挑，甚磨至大味于Tl+；OH-对弱炕碱性在阴离磨子交冲换树准脂的茎亲和姓力较围大，城碱性只越弱丢，OH-的亲滚和力革越大棋。◆离子侨与溶辅液中护电荷层相反冻的离港子或炒络合岂剂形者成络羞合物宵的作港用越围强，湾则该腿离子碧树脂田的亲助和力烂越小蚊。2、分倡配比D分配掉比：监交换冰反应挪达到维平衡习时离蚊子Me在树仪脂相祖浓度[B奋]与水童相浓冒度[B酒]的比丸值3、分喜离系鱼数β它表买示了饲溶液翠中两膨种离污子的宅分离岗难易捞程度配，它举等于设该条矩件下捧两离构子的霉分配束比的伞比值我。βA/椅B=DA/DB当离结子A、B同为1价离比子时添，βA/薯B=KBA显然叔，βA/努B=1穴,则表轻明该坑树脂瓣对A、B两离伍子无博分离啦效果蓄。相戚反，βA/帮B偏离1越远债，表皮明A、B离子生越容栗易分课离。4、离富子交巡寿换平缴衡等堡温线恒定州温度老下，扒测定训不同后浓度搏下一吹种离租子与号一定栗形式深的某略种树且脂的较交换培平衡泻，以章树脂毕相和勉平衡乱水相汇中该思离子行的浓晒度CR、CS分别扭为纵未坐标树和横姥坐标尤作图型，即似得离输子交优换平手衡等液温线狐。C/C0q/Q有时以q/Q为纵坐标，C/C0为横坐标。q-平衡时离子在树脂相的浓度，如mol/gQ-树脂的总交换容量，如mol/gC-平衡时离子在溶液中的浓度，如mol/LC0-溶液的原始浓度，如mol/L曲线使上任呀意一震点的额切线西的斜鹊率即惩为此饿浓度头下的垄分配局比。怨分配记比并氧非为升恒定网值，抄随操矩作条剧件的撞不同烈而改膨变。到曲线货的起赵始阶春段斜凯率较川大，糖分配栗比较芦大。块但是盐随着拆树脂基相中戒离子阔浓度疗的提恢高，赢交换机趋势波下降律，曲炸线斜服率即逃分配及比逐计渐降忽低，止最终古树脂城上离光子达严到饱胃和。◆取平衡嚼时，紧交换赛反应舰主导姿向右左的叫池做有永利平安衡，逃如图陕中线1（分央配比环大于1）；◆宾平衡兔时，吵交换沙反应治主导巨向左津的叫锦做不胀利平版衡，怎如图招中线3（分妙配比腰小于1）；◆附平衡做时，被正、乐逆反内应相辱等的炉叫做惑有利汁平衡免，驾如立图中匹线2（分骆配比艇等于1）；根据排平衡兼曲线觉的形平状，置就可抵判断亮树脂弦优先遍吸附赴哪种劳离子锁。离子交换反应为一种可逆反应：如：nR—H+Men+Rn—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、谦阳离耳子树岂脂的捎交换高反应1、不洒同酸蒸性功迟能团郑的比祥较◆酸性会对树震脂性睡能的脑影响阳离船子交寨换树雕脂常兄用功铁能基遣：磺酸(—SO3H)膦酸(—P(O)(OH)2)/亚膦酸(—P(O)OH)羧酸(—COOH)酚基(phOH)pKa235-610

pK阁a越小H+越易腿电离参，H+越易料被其宝他离眼子交锅换。

交换偶平衡播常数责越大网，交刻换反秆应越小能在洒较高福的H+浓度岗下进榜行：磺酸壶型树敏脂在2M残ol冶/L的盐谁酸中冒仍有窄交换危能力栋；膦蜓酸和漆亚膦东酸要蒜在pH高于3之住后才代具有泪较强独的交距换能态力；使酚羟中基要贝在pH换10以上纹才能效发生妻交换老。

在应嚷用中眨，酸帝性树虫脂常慈以钠普型或不其他奇离子伏形式洋进行捕交换榨，这峰样可廉以不纲受溶乔液pH值的猪影响。2、影欺响阳住离子做交换毙能力比的因钉素◆水合蠢半径—就是以包括堵内外讽层配勉位水口分子饭的离茅子半收径

水合剥离子免与功雕能基桨之间妻的作而用力猫是静损电吸狂引，秃因此同价恒离子姑对树饭脂的案亲和决力，婆随水灵合半倾径的届增加软而下五降。Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+水合半径/nm0.5050.5090.530.791.0离子半径/nm0.1650.1490.1330.0980.068

水合目离子府负载狼到树阶脂微喇孔中令的功评能基潜上，状能使挥微孔芽中的真压力将升高只，产湖生较先高的耻压强恶，称袋作溶胀湿压，结遣果使若树脂版胀大刺。

强酸诊性树虎脂由置钠型沿转换旗为氢劲型，至体积关约膨更胀5%，产习生很蝴大的纯溶胀荐压，介这个跑压力少反过天来对咸树脂票的选下择性撤产生岩了影戏响，护使水宁合半荷径小宴的离建子具弯有较拥大的激亲和腹力。◆离子渡电荷

离子税电荷茎增加闯，离物子对逗树脂勿的亲搞和力胡增大惠。虽然案水合梁半径外与离敲子电吐荷可估能同小时增块大，麻但是嘱电荷特增加失的比厦例往唱往大孝于水胳合半矩径。原因而歇在较昨强的福酸性盗溶液枝中，笨高价恳离子跟对树袄脂的须亲和允力一钞般高怠于低颗价离腐子。伞另外迅，在眼酸性著较弱牢时，舱高价炼离子料易水殿解而趴解离携出H+，从奔而使并水合伐离子功的电志荷下些降，餐交换袜势随旗之降俘低，宾可能茫引起件交换缘瑞顺序花的变动化。◆溶液烫浓度离子辫在溶要液中黄真正课起作悠用的逢是它嘉们的琴活度凝，而叼活度田与溶神液的是总浓吸度密肃切相欢关，鞭而且她高价烘离子碎的活释度受喝浓度戚影响愚远大周于低盗价离蜡子。荐因此弊在高份浓度奋溶液缘瑞中可灯能引约起交激换顺籍序的挡变化竟。比律如：Na+离子施在总低浓度凝高至观每升载几个叼摩尔轰之后朋，可落以将遇一些毫高价骗的离系子从权树脂煌上交阔换下撑来。◆温度升高短温度冤，加采剧离榆子在鱼溶液震中的臂运动驾，使退水合笛数下蚁降，醉从而骂改变念离子委的水膜合半甩径顺班序，肿可能肢导致桂交换特顺序平发生粪变化馋。五、锄阴离臭子树猫脂的申交换笼反应1、强兵碱性逝树脂◆强碱押性树潜脂类爽型季铵I型：—N阿(C状H3)3X季铵II型：—N主CH2CH2OH快(C昼H3)2X◆强碱券性树笨脂的浩选择湿性

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