离子交换原理

关于离子交换原理第1页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三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的应用主要内容第2页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三第3页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三（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，设备尺寸大，所以离子交换不适宜处理较浓的工艺溶液。离子交换第4页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三（二）发展1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象；1876年Lemberg揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系；1935年人工合成了离子交换树脂；1940年应用于工业生产；1951年我国开始合成树脂。第5页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三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。第6页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三

(一)组成离子交换树脂母体(骨架）活性基团固定离子可交换离子苯乙烯(单体)+二乙烯苯(交联剂)母体共聚H2SO4功能基反应R—SO3H固定离子可交换离子母体第7页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三

(二)分类按结构离子交换树脂凝胶型孔大，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。大孔型离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂(伯、仲、叔胺基)强碱性阴离子交换树脂(季铵基团)弱酸性阳离子交换树脂(羧酸基团)强酸性阳离子交换树脂(磺酸基团)聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；按选择性按主要成分第8页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三凝胶型树脂大孔型树脂第9页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三凝胶型树脂

交换容量大、离子交换速度快和耐热性能较好等优点。

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，通常称为显微孔。湿润树脂的平均孔径为2~4nm(2×10-6~4×10-6mm)。

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，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。第10页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三大孔型树脂

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）。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。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。第11页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三12b.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

(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）第12页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三13c.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）第13页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三14①粒度（珠状颗粒型）：0.315-1.2mm②含水量（凝胶树脂）：30%-80%③交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换离子相当于

一价离子的物质的量④离子交换选择性：,mmol/g或者⑤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第14页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三几类树脂性能的比较

类型性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强酸性弱酸性活性基团磺酸羧酸季胺伯胺、仲胺pH的影响无酸性交换力小无碱性交换力小再生剂用量3～5倍1.5～2倍3～5倍1.2～2倍交换速率快慢快慢第15页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三离子交换机理

离子交换机理B+A+树脂离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；液膜第16页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三脱盐工作原理

在离子交换过程中，水中的阳离子（如Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Fe3+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，而树脂上的H+交换到水中。

水中的阴离子（如Cl-、HCO3-等）与阴离子交换树脂上的OH-进行交换，水中阴离子被转移到树脂上，而树脂上的OH-交换到水中。而H+与OH-相结合生成水，从而达到脱盐的目的(见下页图)。

第17页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三H2O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H+Na+OH-Cl-NaClH2O离子交换原理示意图第18页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三离子交换动力学当溶液中的A与树脂内离子B发生交换反应时，整个反应历将经历五个阶段：（1）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

A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（4）B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

第19页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三影响扩散速度的因素1树脂颗粒大小——颗粒越小、内扩散距离短、内扩散速度快2树脂交联度——交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢3温度——温度升高、有利于提高扩散速度4交换离子的大小———交联度愈大，树脂网孔减小，扩散速度愈慢5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。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第20页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三按照操作方式分类操作方式有静态(与动态交换交换设备两种

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离子交换装置第21页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三静态交换设备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，过滤将液固分离。为了提高交换效果，需进行多次静态交换，又称间歇式交换。费时，效率低，实用价值小。柱式离子交换罐剖视图第22页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三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）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、多床之分第23页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三料液处理液

单床式料液处理液

多床式料液处理液

复床式料液处理液

混合床式固定床设备第24页，讲稿共26页，2023年5月2日，星期三下图为三