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分离科学III-离子交换分离技术

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离子交换分离技术

离子交换分离技术
• • • • Ion exchange technology Purify Remove dissolved contaminants Potable water
Modern uses
• In recent decades, high performance synthetic ion exchange media was developed for purification of fluids used in the Nuclear Power, Petrochemical, Mining, Pharmaceutical, Chemical Processing, and Food & Beverage industries.
离子交换纤维素的优点
• 大分子物质能自由在骨架中扩散和交换， 亲水性强，表面积大，容易吸收分子，交 换基团稀疏但对大分子的实际交换容量大， 吸附力弱而使交换和洗脱条件缓和/不易引 起变性，分辨率强。
离子交换纤维素分类
• 阳离子和阴离子交换纤维素 • 强酸型、中强酸型、弱酸型 • 强碱型、中强碱型、弱碱型
• 向树脂中添加Y+，反应平衡向右移动，交换离子被 吸附到树脂上；向树脂中添加X+，反应平衡向左移 动，交换离子全部或大部分从树脂上释放出来。 • Adding Y+ to resin will shift the equilibrium to the right, and thus target ions are adsorbed to resin. Conversely, adding X+ will shift the equilibrium to the left, causing release of target ions from resin.

第六节 离子交换分离法

第六节 离子交换分离法

2. 磨碎与筛选
树脂粒度小，表面积大，分离效率 高，但阻力大，流速慢。要根据分离的 实际情况合理选择粒度大小。市售10～ 40目、50～100目或100～200目。分析 分离80～120目，离子色谱200～400目。 有干磨或湿磨，注意粒度范围不宜太宽。
3. 树脂的预处理
凝胶型树脂都需要经过浸泡后才能使
交换容量分为全交换容量和工作交换 容量。树脂所含可交换离子全部被交换， 称为全交换容量，它是树脂的特征常数， 不随实验条件变化。在一定操作条件下， 实际测得的交换容量，称为工作交换容量， 或有效交换容量，其大小与溶液中离子的 浓度、树脂床的高度、流速、树脂粒度的 大小以及交换基团的类型等因素有关。
1. 亲和力大小与离子性质的关系
亲和能力与水合离子的半径、电荷及 离子的极化程度有关。水合离子半径越小、 电荷越高、离子的极化程度越大，其亲和 力越大。
例如 Li+、Na+、K+ 水合离子的电荷相同， 但它们的水合离子半径依次减小，因此， 树脂对它们的亲和能力依次增强。实验证 明：在常温下，较稀的溶液（＜0.1mol/L） 中，树脂对不同离子的亲和力大致有如下 的顺序：
然后将流出液中的
SO
2 4
沉淀为BaSO4
进行测定。
2. 相同电荷离子的分离—离子交换色 谱分离法
如果有几种性质相近且带相同电荷的离子 同时被交换在柱上，可选择合适的洗脱剂， 将它们逐一洗脱并分离。这种方法称为离 子交换色谱分离法。所用的洗脱剂应该使 几种离子对树脂的亲和力有较显著的差异。 这些洗脱剂通常是络合剂或是用不同浓度 的酸或是两者同时使用。
无机离子交高 高 换价 价剂金 金属 属磷 水酸 合盐 氧 离子交换有剂机离子交大 凝 换孔 胶 剂型 型

离子交换分离法ppt课件

离子交换分离法ppt课件
纤维交换剂 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
萃淋树脂
有机高分子大孔结构与 萃取剂的共聚物型树脂
— SO 3H — COOH 或 — OH
1— 14 6— 14
季 铵 碱 — N (C H 3)+O H 伯胺、仲胺或叔胺
0— 12 0— 9
— C H 2— N (C H 2C O O H ） 2
含氧化或还原基团
1
一、离子交换剂的种类和性质 1、离子交换剂的种类 无机离子交换剂： （1）天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 （2）高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物 有机离子交换剂——即离子交换树脂 离子交换树脂：是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物， 网状结构的骨架部分一般很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。 在网的各处都有许多可被交换的活性基团。
La3+＞Ce3+＞Pr3+＞Nd3+＞Sm3+＞Eu3+＞Gd3+＞Tb3+＞Dy3+＞ Y3+＞Ho3+ ＞Er3+＞Tm3+ ＞Yb3+＞Lu3+＞Sc3+ 2、弱酸型阳离子交换树脂
解：干树脂（强酸型）与Na+交换，剩余NaOH用HCl滴定
(cV）NaOH(c 交换容量＝
V)HCl12050
m树脂(g)
0.11000.112.5100

25 5(mmo.gl1)
1
阳离子交换树脂： 交换容cN 量 aOVH ＝ NaOHcHCV lHCl
干树脂(g质 ) 量
练习：称取某OH-型阴离子交换树脂1.00 g置于锥形瓶中,加入
2
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3
有机离子交换剂分类
分类

离子交换分离技术

离子交换分离技术
②均一系数是指能通过60%体积树 脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂 的筛孔直径之比。均一系数越接近1，表 明树脂颗粒越均匀。在文献上常常见到 用筛目数表示树脂粒度。
2．含水量
定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到 平衡后用离心法在规定转速和时间内除 去外部水分，得到含平衡水的湿树脂， 然后105oC烘干，比较烘干前后的重量， 即得到平衡含量占湿树脂的重量百分数， 这就是含水量。
剂和其它化学试剂具有一定的稳定性。对热也较稳定。
有机离子交换剂
表 8—9 有机离子交换剂分类
分类
功能基团
使用 pH 范围
凝 阳 离 子 交 强酸性阳离子交换树脂
胶 换树脂
弱酸性阳离子交换树脂
型 阴 离 于 交 强碱性阴离子交换树脂
树 换树脂
弱碱性阴离子交换树脂
脂 螯合（离子交换）树脂
氧化还原（离子交换）树脂
弱酸—弱 碱
—
1— 14 6— 14 0— 12 0— 9
弱酸— 弱 碱
交换容量
（干） mmol/g
4— 5 9
2.5— 4 5— 9
4— 5 —9 3— 4 —5
凝胶树脂
• 遇水溶胀，水分子进入树脂的内部，产 生孔隙。
特殊作用的离子交 换剂
● 螯合树脂：含有特殊的活性基团，可以 有选择性地与某些金属离子进行交换。如： 国产 #401型是属于氨羧基［－N （CH2COOH）2］
● 大孔树脂：比一般的树脂有更多、更大 的孔道,比表面积大，离子容易迁移扩散, 富集速度快,耐氧化、耐磨、耐冷热变化 等,具有较高的稳定性。
称为交联剂。
交联度：交联剂在树脂单体总量中所占质量分数 称为交联度。一般交联度为4—14，常见为8。 其中交联度的影响有：

优选离子交换分离法演示ppt

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离子交换树脂的分类
阳离子交换树脂
交换基为酸性，H+与 阳离子交换
强酸型 弱酸型
依据活性基团分类
—SO3H
—COOH —OH
使用 pH 范围
pH > 2 pH > 6
pH >10
阴离子交换树脂
交换基为碱性，阴离子 发生交换
螯合树脂
强碱型 —N+(CH3)3Cl- pH <12
弱碱型
—N+H3 OH—N+H2R OH-
聚合
CH CH2 CH CH2 CH CH2
交联剂
CH=CH2
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
交联作用
CH2 CH CH2
磺化
H2SO4
CH CH2 CH CH2 CH CH2
SO3H CH CH2 CH CH2
Hale Waihona Puke SO3H CH CH2 CH
活性基团
SO3H
CH2 CH CH2
SO3H
第六页，共37页。
（2 ）比色法测定钢铁中的Al3+或铸铁中Mg2+： 大量Fe3+干扰测定。可将试样溶解于9M的HCl溶液中，
使Fe3+以FeCl42-形式存在，然后以阴离子交换树脂消除 Fe3+ 的干扰，测定流出液中Al3+和Mg2+ .
（3） 碱滴定法测定硼镁矿中的硼使用阳离子交换树脂消除矿 石中阳离子的干扰，测定流出液中H3BO3。
Ion exchange resins
离子交换树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
酚醛树脂
聚乙烯树脂
交联剂
活性基团 酸性基团

分离科学与技术第4章 离子交换分离法

分离科学与技术第4章 离子交换分离法

离子交换剂的分类 离子交换树脂的结构和作用 离子交换树脂的性质 离子交换树脂的合成 离子交换树脂的种类 离子交换树脂的名称、牌号、命名
第二节 离子交换树脂
一、离子交换剂的分类 离子交换剂：具有离子交换能力的所有物质，通常指 固体离子交换剂，固体离子交换剂又称为吸着离子交换
剂。
无机离子交换剂
有机离子交换剂
力学/化学性能差，交换速率快，交换容量大。
第二节 离子交换树脂
三、离子交换树脂的性质 6. 交换容量：总交换容量、操作交换容量 树脂的交换能力决定于树脂中活性基团的数目。交换 溶量表示交换能力的大小。 总交换容量：单位体积湿树脂或单位质量干树脂中，
所有交换基团的总数（注意：它是常数，不代表真实交
换能力）。
第二节 离子交换树脂
五、种类 2. 阴离子交换树脂 1) 强碱性阴离子交换树脂 特点：
• 淡黄色的球状颗粒；
• 对强酸根和弱酸根都能交换；
• 对酸、碱、氧化剂及某些有机溶剂都比较稳定；
• 在酸性、碱性溶液中都能使用，交换容量不受溶液中
pH 值影响。
第二节 离子交换树脂
五、种类 2. 阴离子交换树脂 2) 弱碱性阴离子交换树脂
第二节 离子交换树脂
五、种类
物理结构分：凝胶型、大孔型、载体型 原料单体分：苯乙烯型、丙烯酸型、酚醛型、环氧型、
乙烯吡啶型。
用途分：工业级、食品级、分析级、核等级、床层专
用、混合床专用等。
交换基团的类别分：
第二节 离子交换树脂
五、种类 按照交换基团的类别分： 阳离子交换树脂 强酸性阳离子交换树脂
树脂的分类（母体骨架）：酚醛树脂、苯乙烯树脂
第二节 离子交换树脂
四、离子交换树脂的合成 1. 酚醛树脂：苯酚甲醛聚合

第六章离子交换分离技术

第六章离子交换分离技术

第六章离子交换分离技术1.离子交换法是应用离子交换剂作为吸附剂通过静电引力吸附在离子交换器上，然后用洗脱剂洗脱下来从而达到分离、浓缩、纯化的目的。

现已广泛应用于生物分离过程在原料液脱色、除臭、目标产物的提取，浓缩和粗分离等方面发挥着重要作用。

2.离子交换法要使用离子交换剂，常用的离子交换剂有两种：使用人工高聚物作载体的离子交换树脂是使用多糖做载体的多糖基离子交换剂3.离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子聚合物。

4.离子交换树脂的构成：载体或骨架：功能基团；平衡离子或可交换离子5.离子交换反应是可逆的，符合质量作用定律6.离子交换树脂按照活性离子的分类树脂活性离子带正电荷，可与溶液中的阳离子发生交换，称为阳离子交换树脂树脂活性离子带负电荷，可以溶液中的阴离子发生交换，称为阴离子离子交换树脂7.离子交换树脂分离纯化物质主要通过选择性吸附（进行吸附时具有较强的结合力）和分步洗脱这两个过程来实现8.强酸性阳离子交换树脂洗脱顺序：酸性<中性<碱性9.离子交换树脂的分类方法有4种按树脂骨架的主要成分分：聚苯乙烯型树脂；聚苯烯酸型树脂；多乙烯多氨-环氧氯苯烷树脂；酚-醛型树脂；按骨架的物理结构来分：凝胶型树脂（微孔树脂，呈透明状态，高分子骨架）；大网格树脂（大树树脂，填充剂）；均孔树脂（等孔树脂）；按活性基团分类：阳离子交换树脂，对阳离子具有交换能力强酸性阳离子交换树脂：活性基团为硫酸基团（-SO3H）和次甲酸磺酸基团（-CH2SO3H）。

都是强酸性基团能在溶液中解离出H+。

弱酸性阳离子交换树脂：活性基团由羧基（-COOH）和酚羟基（-OH），交换能力差。

阴离子交换树脂：活性基团为碱性，对阴离子具有交换能力强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团（-NR3OH），能在水中解离出OH-而呈碱性弱碱性阴离子交换树脂：伯氨基（-NH2）仲氨基（-NHR）或叔氨基（-NR2），能在水中解离出OH-，但解离能力较弱，交换能力差以上4种树脂是树脂的基本类型，各种树脂的强弱最好用其活性基团的pK来表示11.大孔型离子交换树脂的特点载体骨架交联度高，有较好的化学和物理稳定性和机械强度孔径大表面积大，表面吸附强孔隙率大，密度小12.离子交换树脂的命名由3位阿拉伯数字组成：第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架，第三位数字微顺序号13.离子交换树脂的理化性能：交联度；交换容量；粒度和形状（色谱用50到100目树脂，一般提取纯化用20到60目树脂）；滴定曲线（是检验和测定离子交换树脂性能的重要数据）；稳定性；膨胀性（膨胀度）14.交换容量（名解）：是每克干燥的离子交换树脂或每毫升完全溶胀的离子交换树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数。

《离子交换分离法》ppt课件

《离子交换分离法》ppt课件
对象广，分别容易，运用设备简单、操作方便、 劳动条件较好等优点。 几乎一切无机离子以及许多构造复杂、性质类似的 有机化合物都适用。顺应工业消费大规模分别要 求，也适宜实验室超微量物质的分别。
1．定义及原理
① 定义 离子交换是经过一种称为离子交换树脂的物质来 进展的。 离子交换树脂遇水溶液时，可以从水溶液中吸着 某种(类)离子，而把本身所具有的另外一种一样 电荷符号的离子等摩尔量地交换到溶液中去，这 种景象称为离子交换。
分配层析：是指在一个有两相存在的系 统中，利用不同物质的分配系数不同而 使其分别的方法。
纸上层析的展开方式可分为三种： ⑴ 上升法〔上行法〕 ⑵ 下降法〔下行法〕 ⑶ 环行法〔程度法〕
柱层析
一、吸附柱层析 1. 原理
吸附柱层析是利用吸附剂对混合试样各组分的吸 附力不同而使各组分分别。
固 定 相 ： 固 体 吸 附 剂 流 动 相 ： 即 洗 脱 剂 。 三 种 ： 纯 溶 剂 或 原 试 样 或 吸 附 力 更 强 的 溶 液 。
=
LA LC
各种组分具有各自的分配系数K，同一物质， 温度不同时，K不同。
在分配的各组分中，某组分K↗，那么固定 相中浓度 C固 ↗，
C流↘，后出柱。
第五章、离子交换分别法
内容
〔一〕离子交换分别法概述 〔二〕离子交换剂 〔三〕离子交换树脂的物理性能 〔四〕离子交换树脂的化学特性 〔五〕 离子交换实验技术 〔六〕 运用
2. 挪动速率Rf Rf主要是用于比较各组分挪动速度的大小，即在同一 时间内，各组分挪动间隔的大小，作为定性之用。
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 速 率
R f 洗 脱 剂 上 层 液 面 移 动 速 率
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 距 离

2013第三章离子交换分离

2013第三章离子交换分离

弱酸型 —COOH —OH
阴离子交换树脂
交换基为碱性， 阴离子发生交换 螯合树脂
+(CH ) OH— N pH <12 3 3 强碱型 —N+H3 OH弱碱型 —N+H R OH- pH < 4 2 pOH>pKb —N+HR2 OH-
R-NH2 + H2O
R-N+H3 OH-
含有特殊螯合基团的树脂 电子交换树脂，含有氧化还原功能基团 手性基团，进行手性拆分 示意图
道南膜理论认为质量作用定律也适用于离子交换过 程： [H+]内 · [Cl－]内 ＝ [H+]外· [Cl－]外 由于膜两边的溶液为中性，所以：
膜外： [H+]外＝[Cl－]外
膜内：[H+]内＝ [Cl－]内 ＋[R－]
因此， [Cl－]2外＝ [Cl－]内· ([Cl－]内 +[R－] )
[Cl－]2外＝ [Cl－]内· （[Cl－]内 +[R－] ） 由于膜内有较多的固定阴离子存在，因此， [Cl－]外 ≥[Cl－]内 [H+]内 · [Cl－]内= [H+]外· [Cl－]外（质量作用定律） [H+]内 ≥ [H+]外= [Cl－]外 ≥[Cl－]内 这就是说，阳离子进入阳离子交换树脂进行交换，而 阴离子则没能进入阳离子树脂进行交换。 原因：树脂相中固定阴离子的排斥作用。
聚合
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
交联剂 交联作用
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH2 CH CH2
磺化
H2SO 4 CH SO 3H CH2 CH CH2 SO 3H CH CH2 CH

离子交换分离方法PPT优质课件

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2 强碱性 离子交换反应位置
样品溶液与树脂相发生相对移动。
固定离子（惰性离子） 离子交换分离法采用离子交换剂的一种分离技术。
离子交换反应的选择性主要由离子与树脂的亲合力大小决定
与载体牢固结合，不能自 由移动的离子。
反离子（可交换离子）
阳离子交换树脂结构模型
离子交换树脂的结构
离子交换H等强酸基团 三维网状空间结构，载体不参与离子交换反应。
离子交换树脂的物理性能
颜色 苯乙烯系—黄色；其他—赤褐色、黑色。
形状 球型颗粒，要求圆球率90％以上
粒度 分离用树脂粒径通常为数百微米；
要求粒径分布范围窄。
密度
湿视密度—单位视体积（树脂本身的体积与颗粒间隙 体积之和）内紧密无规排列的湿态离子交换树脂的质量。
湿真密度—单位真体积（仅包括树脂本身的体积）内 湿态离子交换树脂的质量。
后来又合成了性能良好的聚苯乙烯系和聚丙烯酸系的离 子交换树脂；
离子交换分离成为低能耗、高效率的分离技术。
5.1 离子交换分离法及其特点
(4) 20世纪60年代以后，离子交换树脂的合成与离子交换分 离技术取得了突飞猛进的发展
R.Kunin等合成了一系列大孔离子交换树脂，该类树脂的 多孔结构兼具离子交换和吸附两种功能。
合成了高分子材料聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交换树脂；
弱酸性>强酸性>弱碱性>强碱性 强碱性阴离子交换树脂的最高使用温度通常在40－60 C，稳定性最高的弱酸性树脂虽说在接近200 不宜超过100 C。 (3) 1945年，美国人 Alelio合成聚苯乙烯阳离子交换树脂 RNH2Cl ＋ H2O RNH2OH ＋ HCl 代号 分类名称
离子交换树脂的化学性能

《离子交换分离法》课件

《离子交换分离法》课件
将含有所需离子的化合物溶解在溶 剂中，再加入凝胶剂形成溶胶，经 过老化、凝胶化、干燥等步骤制备 成离子交换剂。
化学键合法
将具有特定功能的有机物通过化学 键合作用固定在载体上，制备成具 有特定功能的离子交换剂。
离子交换剂的性能指标
交换容量
指单位质量的离子交换剂所 能交换离子的量，是衡量离 子交换剂性能的重要指标之 一。
在食品工业中的应用
食品添加剂生产
离子交换分离法可用于生 产食品添加剂，如柠檬酸 、苹果酸等，提高产品质 量和纯度。
果汁和乳制品加工
在果汁和乳制品加工过程 中，离子交换分离法可用 于去除杂质离子，提高产 品的口感和品质。
食品包装材料处理
离子交换分离法可用于食 品包装材料的处理，去除 其中的有害物质，提高食 品安全。
《离子交换分离法 》ppt课件
目 录
• 离子交换分离法简介 • 离子交换剂 • 离子交换分离法的基本操作 • 离子交换分离法的应用实例 • 离子交换分离法的优缺点及发展前景
01
CATALOGUE
离子交换分离法简介
离子交换分离法的定义
离子交换分离法是一种利用离子交换 剂与溶液中的离子进行可逆交换，从 而实现离子或离子的混合物分离的方 法。
选择性
指离子交换剂对不同离子的 选择性差异，通常用某一离 子的交换容量与另一离子的 交换容量的比值来表示。
平衡速度
指离子交换剂与溶液中的离 子达到平衡状态所需的时间 ，是衡量离子交换剂性能的 重要指标之一。
再生性能
指离子交换剂在使用过程中 经过多次再生后性能的保持 能力，是衡量离子交换剂性 能的重要指标之一。
05
CATALOGUE
离子交换分离法的优缺点及发展前景

离子交换分离方法ppt

离子交换分离方法ppt
增强，随pH的升高而降 低。
强碱性阴离子交换树脂（强碱阴#717）
弱碱性阴离子交换树脂（弱碱阴#704 ） 混合型阴离子交换树脂（Pumutitu A）
交换树脂的 孔型差异
活泼基团的 碱性强弱
2.3 离子交换树脂的命名
1977年我国颁布的规范化命名法规定离子交换树脂的型号由3位阿拉伯数字组
成，第一个数字代表产品的分类，第二个数字代表骨架，第三个数字为顺序
孔径极小
比表面积大，化学稳 凝胶型树脂 定性和力学性能较好， 吸附容量大易再生
大孔型树脂
离 子 交 换 树 脂
电离程度大，不受 强酸性阳离子交换树脂（强酸阳 1号） 溶液pH变化的影 电离程度受 影响大， 弱酸性阳离子交换树脂（弱酸阳 101） 响。pH pH1~14 都能 交换能力随pH的下降而 进行离子交换。 混合型阳离子交换树脂（强酸 42号）
活性离子：功能基团所带的相反电荷的可交换离子（可自由移动）
离子交换树脂通过交换和再生可以反复使用。
2.2 离子交换树脂分类
活泼基团性质 的不同 阳离子交换树脂 （含酸性基团 —SO3H等） 阴离子交换树脂 （含碱性基团 季铵基团等） 活泼基团的酸 性强弱
电离程度大，不受 溶液pH变化的影 电离程度受 pH影响大，交 响。 pH1~14 都能 换能力随pH的下降而降低， 进行离子交换。 随pH的升高而增强。
离子交换
离子交换概念：
离子交换分离是利用带有可交换离子（阴离子或阳离子）的不溶性 使溶液得以分
离的单元操作。
例如: R—H + Na+ ↔ R—Na + H+ 或 R—OH + Cl- ↔ R—Cl + OH离子交换分离法：以合成的离子交换树脂作为离子交换剂，溶液中的

第五章离子交换分离法

第五章离子交换分离法

第五章离子交换分离法离子交换分离法是目前最重要和应用最广泛的化学分离方法之一，该法就其适用的分离对象而言，几乎可以用来分离所有的无机离子，同时也能用于许多结构复杂、性质相似的有机化合物的分离。

该法就其可适用的分离规模而言，它不仅能适应工业生产中大规模分离的要求，而且也可以用于实验室微量物质的分离和分析。

迄今为止，人们从自然界或者通过人工合成，已经找到了许多物质可以作为离子交换剂，按性质可以分为两大类：一为无机化合物，称为无机离子交换剂，自然界中存在的粘土、沸石，人工制备的某些金属氧化物或难溶盐类等；另一类是有机化合物，即称为有机离子交换剂，其中应用最为广泛的是离子交换树脂，他们是人工合成的带有离子交换功能团的有机高分子聚合物。

离子交换分离中最常用的是柱上色谱分离法。

该法是将颗粒状的离子交换树脂或无机离子交换剂装柱后使用。

此外，也可以加工成离子交换膜、离子交换纸、离子交换纤维等形式，以纸上色谱法、薄层色谱法、或者作为电渗析的隔膜等，用于化学分离和分析或纯化等过程。

离子交换是自然界中广泛存在的现象，人类在长时期中都在自觉不自觉中应用着这一过程，但真正确认离子交换现象的，通常都认为是两位英国农业科学家Tompson和Way。

1850年他们报道，用硫酸铵或碳酸铵处理土壤时，铵离子被吸收而析出钙，土壤即为有显著离子交换效应的离子交换剂。

其他无机离子交换剂如硅酸盐等到上一世纪初已经在水的软化、糖的净化等许多方面有了工业规模的应用。

但无机离子交换剂往往不能在酸性条件下使用。

1935年Adams和Holmes研究合成了具有离子交换功能的高分子材料聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交换树脂，为人类获得性质优良的离子交换剂开辟了新的途径，这一成就被认为是离子交换发展进程中最重要的事件。

1945年美国人Alelio成功地合成了聚苯乙烯系阳离子交换树脂，此后又合成了其他性能良好的聚苯乙烯系、聚苯烯酸系树脂，使离子交换成为在许多方面表现出优势的低能耗、高效率的分离技术。

离子交换分离技术

离子交换分离技术
1、命名
2、型号 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成，第一位数字代表产 品的分类，第二位数字代表骨架的差异，第三位数字为顺序号用以区别 基因、交联剂等的差异。
根据离子交换树脂的功能基的性质，将其分为强酸(0)、弱酸(1)、强碱(2)、 弱碱(3)、螯合(4)、两性(5)和氧化还原(6)七类(各类后面的数字为其分类代号)。
1.2 介绍
早在 1850年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象 , 但离
子交换作为一种现代分离手段,是在20世纪40年代人工合成了 离子交换树脂以后的事。离子交换操作的过程和设备，与吸 附基本相同，但离子交换的选择性较高，更适用于高纯度的 分离和净化。 的精制和脱色；从矿物浸出液中提取铀和稀有金属；从发酵 液中提取抗生素以及从工业废水中回收贵金属等。
二、离子交换树脂


2.1 简介
凡是能够进行离子交换的这类物质都称为离子交换剂。离子交换剂可 分为无机离子交换剂和有机离子交换剂(离子交换树脂)等两大类. 离子交换树脂是一类带有活性基团的网状结构高分子化合物。在它的 分子结构中，一部分为树脂的基体骨架，另一部分为由固定离子和可 交换离子组成的活性基团。离子交换树脂具有交换选择、吸附和催化 等功能，在工业高纯水制备、医药卫生、食品行业等领域都得到了广 泛的应用。近年来，离子交换树脂无论是从种类、结构还是性能上都 出现了很大的变化，其生产和应用也都得到了很大的发展。 我国自20世纪50年代以来开始生产和应用离子交换树脂。经过半个多 世纪的发展国内常规离子交换树脂的制造和应用技术已经较为成熟， 水平与国外相当。离子交换树脂主要用于电力、食品、医药、电子和 冶金等行业，随着锅炉给水、饮用水和电子用水等对离子交换出水的 纯度要求日益提高，促使常规的离子交换树脂生产和应用技术不断完 善，同时催生了许多新型的生产工艺不断涌现，使得离子交换树脂产 品升级和技术进步的步伐也日益加快。

(完整版)现代分离方法与技术-离子交换分离法

(完整版)现代分离方法与技术-离子交换分离法

4.2 离 子 交 换 剂
4、树脂的合成
离子交换树脂是一种具有网状结构的高分 子聚合物，高分子聚合物一般可分为： （1）线性高分子 （2) 支链型高分子 （3）体型高分子
离子交换树脂是由苯乙烯、甲醛、甲基丙烯酸和 苯酚等单体通过聚合反应或缩合反应生成的体型高分 子聚合物的骨架母体，然后引入活性基团而成。
注意 ！
① 它是常数，不代表真实交换能力。 ② 谈到交换容量时必须注明树脂的离子形态。
表示 ？
一般阳离子树脂的交换容量以氢型 树脂为准，阴离子树脂的交换容量以氢氧型 （或游离胺型）树脂为准。
4.2 离 子 交 换 剂
总交换容量：
单位重量干树脂或单位体积湿树脂中，所有交换基团的 总数。单位mol/g、mmol/g、mol/L、mmol/mL
①强碱型树脂: 活性基团为季胺碱(＃717)， 对强酸根和弱酸根都能交换， 遇酸、碱和有机溶剂稳定， 交换容量不受pH影响;
②弱碱型树脂: 活性基团为伯胺(＃701)或叔胺剂 弱碱型树脂不能在碱性溶液中使用，
受pH影响。
(3)特殊的离子交换树脂:
高选择性的树脂、大孔树脂、螯合树脂、两性 树脂、热再生树脂、光活性树脂、生物活性树 脂、萃淋树脂、氧化还原型树脂。
树脂的特点是选择性高。 交换容量低。 制备难度大，成本高。
氧化还原离子交换树脂
这类树脂含可逆的氧化还原基团，可与 溶液中离子发生电子转移反应，实现分 离富集的作用。
在树脂上进行氧化还原反应,而不引入杂 质，提高产品纯度。
4.3 离子交换分离法的基本原理
4.3.1 离子交换树脂的亲合能力 4.3.2 离子交换的理论 4.3.3 离子交换平衡 4.3.4 离子交换动力学
教学主要内容：
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1.1 离子交换树脂合成
• 反应槽上方是原料(如苯乙烯、二乙烯苯及助剂) • 反应槽下方是水
致孔剂： 甲苯、石油醚、 石蜡、正庚烷等
1.3 离子交换树脂分类（功能基团）
种类
1
强酸型
2
弱酸性
3
强碱性
活性基团
磺酸基（-SO3H） 磷酸基（-PO3H2）、羧酸基（-COOH） 季铵型：三甲胺基 （-N+(CH3)3)
螯合树脂： 聚异硫脲树脂 弱碱性，加合质子带正电荷。 不加合质子时，可以配位金 属离子交换； 加合质子时，以阴离子负载 金属配阴离子，如四氯合钯 阴离子。
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含氮杂环树脂
n
N S
N
N-甲基-2-硫-咪唑树脂
N-甲基-2-硫-咪唑树脂在13mol/L盐酸中对钯（II）有选 择性，容量可达247mg/g；
3-甲基咪唑树脂可从铜、锌、 硒等元素中分离出微量的铂、 铱、金；
胺基吡啶树脂在盐酸溶液中 可与金（III）、铂（IV）、 钯（II）发生交换。
3-甲基吡唑树脂 胺基吡唑树脂
4
1.5 离子交换树脂物化性能
交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量 或称表观交换容量（在某一条件下）；
• 单位质量的干离子交换剂 或单位体积的湿离子交换 剂所能吸附的一价离子的 物质的量(mmol)。
• 滴定曲线：以单位质量干 离子交换剂加入NaOH或 HCl的量（mmol）为横坐 标，以平衡值为纵坐标.
1.5 离子交换树脂物化性能
溶胀和含水量：
树脂碳氢主链憎水，但功能基团亲水； 当功能基团的离子由水化半径小的离子交换为水化半径
大的离子，也导致体积膨胀： 阳离子树脂，不同一价离子树脂溶胀率：
强酸性 强碱性
(CH 3 )3 N
(CH 3) 2NC 2H 4OH
工业用量 占总用量 的 95% 以 上！
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。 强酸性
弱酸性
3,5-二羟基苯甲酸
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
丙烯酸系离子交换树脂： 丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与二乙烯基苯共聚再水解
酸/碱等去除； 食品及添加剂提纯分离、脱色脱
盐等； 催化：酯的水解、糖水解、
Michael加成等；
应用 ： 脱盐、海水淡化； 废水处理，如重金属离子、有机
酸/碱等去除； 废水中酸碱或金属离子回收等； 能源：燃料电池、液流电池等；
1
一、离子交换树脂
含水状态下的离 子交换树脂内部溶 胀存在細孔，离子 就在其间扩散交换。
2014/12/17 什么是离子交换？
摩西带领以色列人经过一处 Marah的地方，到处是苦咸水， 摩西向上帝祷告，上帝赐给他 一棵“神树”，当他把“神树” 投进水里，水就变甜了。
-----《圣经》 “神树”能交换（吸附）Ca2+、Mg2+？
离子交换树脂&离子交换膜
应用 ： 水的软化、脱盐； 废水处理，如重金属离子、有机
阴/阳离子交换树脂
1.2 离子交换树脂微观形貌
凝胶型樹脂 比表面积：1m2/g； 体积交换容量大； 生产工艺简单成本低； 耐渗透强度差； 抗有机污染差；
大孔型樹脂 比表面积：100m2/g； 孔径：20-500nm； 耐渗透强度高； 抗有机污染 生产成本高； 再生费用高；
2014/12/17
H+>Na+>NH4+>K+>Ag+ Na+型转为H+型体积膨胀5% 阴离子树脂溶胀顺序： OH->HCO3->SO42->Cr2O72Cr2O72-转为OH-体积膨胀30%
2014/12/17 1.5 离子交换树脂物化性能
孔隙率、孔径、比表面积
孔隙率：孔的总体积与树脂体积的比值，也可用孔度表示， 即单位质量或体积的树脂所具有的孔体积，常用单位ml/g 或ml/ml；
到的表观平衡常数的比值
[RA][H + ]
A/ B
KA
/
KB
[RH][A ]
[RB][H + ]
[RA][B+ ] [RH][A ]
[RH][B ]
2014/12/17
1.6 离子交换平衡
平衡常数：
溶液中：
各项均为活度
而树脂相中确定活度系数非常困难，溶液中离子浓 度非常低，实际上计算时用浓度代替活度：
n
COOH N
COOH N
COOH
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含硫树脂
硫作为给体的配位基对贵金 属特别是汞有很强的亲和力；
巯基对金、银、汞离子有选 择性；
盐酸溶液中，负载金可达 1970mg/g,负载银428mg/g,而 铁、锰钴、铜等离子几乎没 有干扰。
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
酸性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
弱碱性
多亚乙基多胺
强碱性
N,N-二甲基-1,3丙二胺
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。
弱碱性
间苯二胺
强碱性
环氧氯丙烷+多亚乙基多胺
3
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 胺基羧酸螯合树脂
n
COOH N
COOH
乙二胺四乙酸（EDTA）能和碱金属、稀土 元素和过渡金属等形成稳定的水溶性络合物。
孔径：凝胶树脂孔径平均2~4nm，大孔树脂20~500nm； 比表面积：凝胶树脂约1m2/g，大孔树脂10~100m2/g.
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
5
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
1.6 离子交换平衡
选择系数：同一种树脂，在相同条件下交换不同离子所得
一、离子交换树脂
离子交换树脂及应用； 离子交换膜及应用
什么是离子交换？
不溶性物质（树脂或膜）从水溶液中除去阴离子 或阳离子，并放出相同电荷离子进入溶液中的一 种可逆式相互交换反应。 R-SO3H + Na+ → R-SO3Na + H+
R-N(CH3)4 Cl+ OH- → R-N(CH3)4 OH + Cl-
二甲基乙醇胺
4
弱碱性
5
螯合型
伯、仲、叔氨基（-NH2，-NHR，-NR2） 羧胺基：
6
两性
强碱+弱酸：（-N+(CH3)3 + -COOH） 弱碱+强酸：（-NH2 + -COOH）
7
氧化-还原性
巯基（-CH2SH），对苯二酚基（
2
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
苯乙烯基离子交换树脂： 苯乙烯-二乙烯基苯在水相悬浮共聚得到共聚物珠体再功能化