离子交换PPT..

2013-6-8离子交换离子交换2013-6-8离子交换一、离子交换的基本概念二、离子交换树脂及其分类四、离子交换树脂的理化性能五、离子交换过程理论七、离子交换操作方法三、离子交换树脂的命名六、离子交换的选择性2013-6-8离子交换离子交换法是应用合成的离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的物质依靠库仑力吸附在树脂上，然后用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。离子交换法是利用溶液中各种带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。带电粒子与离子交换剂间的作用力是静电力，他们的结合是可逆的，即一、离子交换的基本概念2013-6-8离子交换在一定的条件下能够结合，条件改变后也可以被释放出来的。离子交换法广泛应用于脱色、转盐、脱盐以及制备软水、无盐水等。随着新树脂的出现和应用技术的进步，离子交换技术已经广泛渗透到水处理、金属冶炼、原子能科学技术、海洋资源开发、化工生产、糖类精制、食品加工、医药卫生、分析化学及环境保护等领域。2013-6-8离子交换(一)、离子交换树脂固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。二、离子交换树脂及其分类2013-6-8离子交换1离子交换树脂组成离子交换树脂母体(骨架R)：不能自由移动活性基团（功能基团）：不能移动当树脂处在溶液中时，活性离子可以与溶液中的同性离子，按与树脂的固定离子（功能基）的化学亲和力不同产生交换过程活性离子（平衡离子）：可自由迁移如：聚苯乙烯型钠树脂活性基团活性离子R—SO3Na母体2013-6-8离子交换聚苯乙烯型离子交换树脂示意图聚乙烯链二乙烯苯交联桥固定阴离子交换基等3SO可交换离子等Na水合水2013-6-8离子交换离子交换树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂含酸性基团含碱性基团强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂中强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂中强碱性阴离子交换树脂根据酸、碱性的强弱2离子交换树脂分类根据活性基释放活性离子的不同强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂中强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂中强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂中强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂中强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂中强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂2013-6-8离子交换Ⅰ阳离子交换树脂如果活性基释放的活性离子是阳离子，这种离子交换树脂能和溶液中的其他阳离子发生交换，这类树脂称为阳离子交换树脂。①强酸性阳离子交换树脂活性基团：有磺酸基团（—SO3H）和次甲基磺酸基团（—CH2SO3H）。特点：它们都是强酸性基团，其电离程度大且不受溶液pH变化的影响，当pH在1-14范围内时，均能进行离子交换反应。2013-6-8离子交换磺酸型阳离子交换树脂与钠离子的交换反应:HNaRSONaHRSO33交换过程②弱酸性阳离子交换树脂主要是羧酸型树脂和酚型树脂。活性基团：有羧酸基团（—COOH）、氧酸基团（—OCH2COOH）、酚羟基团（—C6H5OH）及β-双酮基团（—COCH2COCH3）等。2013-6-8离子交换特点：其电离程度受pH的变化影响很大，在酸性溶液中几乎不发生离子交换反应，其交换能力随溶液pH的下降而减小，随pH的升高而递增。③中强酸性阳离子交换树脂活性基团：磷酸基团[—PO(OH)2]和次磷酸基团[—PHO(OH)]。2013-6-8离子交换Ⅱ阴离子交换树脂如果活性基释放的活性离子是阴离子，则这种离子交换树脂能交换能交换溶液中的阴离子，称为阴离子交换树脂。①强碱性阴离子交换树脂活性基团：季铵基团，有三甲氨基团[RN+(CH3)3OH-](Ⅰ型)和二甲基-β-羟基乙基氨基团[RN+(CH3)2(C2H4OH)OH-](Ⅱ型)。特点：不受溶液pH变化的影响。2013-6-8离子交换②弱碱性阴离子交换树脂活性基团：伯胺基团（—NH2）、仲胺基团（—NHR）和叔胺基团[—N(R)2]以及吡啶基团（C6H5N）。特点：交换能力受溶液pH的变化影响很大，pH越低，交换能力越高，反之则小，故在pH﹤7的溶液中使用。Ⅲ其他类型的树脂①大孔离子交换树脂2013-6-8离子交换大孔离子交换树脂特点：“永久孔”、大孔、不透明状、减少“有机污染”的现象。大孔离子交换树脂大孔树脂在合成时由于加入惰性的致孔剂，待网格骨架固化和链结构单元形成后，用溶剂萃取或水洗蒸馏将致孔剂去掉，留下了不受外界条件影响的空隙。普通凝胶树脂的空隙小于3nm，而大孔树脂可达100mm，甚至可达1000mm由于大孔对光的漫反射，从外观上看大孔树脂呈不透明状。由于大孔树脂的孔隙较大，因此大分子的有机物容易洗脱。2013-6-8离子交换②两性树脂同时含有酸、碱两种基团的树脂叫两性树脂，有强碱-弱酸和弱碱-弱酸两种类型。如热再生树脂、蛇笼树脂。③均孔离子交换树脂主要是阴离子交换树脂，与普通凝胶型树脂相比，其骨架的交联度比较均匀，孔径大小一致，机械强度好，抗污染和再生能力强。2013-6-8离子交换④螯合树脂树脂上含有具有螯合能力的基团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子。⑤多糖基离子交换树脂亲水性强、交换空间大、对生物大分子无致变性作用。可以分为离子交换纤维素和葡聚糖凝胶离子交换剂2013-6-8离子交换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，第三个数字为顺序号，用以区别基团、交联度等。并用0-6七个数字表示。三、离子交换树脂的命名2013-6-8离子交换离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系2013-6-8离子交换凝胶型离子交换树脂×交联度数字连接符号顺序号骨架代号分类代号D顺序号骨架代号分类代号大孔型号大孔型离子交换树脂国产离子交换树脂命名原则图2013-6-8离子交换001×7代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系凝胶型苯乙烯系强酸阳性离子交换树脂（交联度7%）2013-6-8离子交换D201大孔型苯乙烯系季铵Ⅰ型强碱性阴离子交换树脂代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系2013-6-8离子交换四、离子交换树脂的理化性能1外观：多为球形，直径为0.2-1.2mm（16-70目），一般有黄、白、黄褐及红棕等几种色泽，常选用浅色树脂。2机械强度：将离子交换树脂先经过酸、减溶液处理后，将一定量的树脂置于球磨机或振荡筛中撞击、磨损，一定时间后取出过筛，以完好树脂的质量分数来表示。生物分离中要求机械强度在95%以上。2013-6-8离子交换3交换容量：单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)可发生交换的活性基团数量。4膨胀度：是指干树脂在水溶液中吸水后造成体积膨胀的程度。膨胀的原因：水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；活性基团离解形成水合离子。5交联度：树脂中所含交联剂的质量百分率。树脂的交联度一般4％一14％为宜。2013-6-8离子交换五离子交换过程理论1离子交换速度五个步骤：①A+自溶液中扩散到树脂表面②A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心③A+与RB在活性中心上发生复分解反应④解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面⑤B+离子从树脂表面扩散到溶液中2013-6-8离子交换①②③④⑤水膜外部扩散内部扩散离子交换反应树脂颗粒一般来说，外部扩散和内部扩散是控制步骤。2013-6-8离子交换2影响交换速度的因素(1)颗粒大小：颗粒减小，有利于提高交换速度。(2)交联度：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就越容易。(3)离子化合价：离子在树脂中扩散时，和树脂骨架间存在库伦引力。离子的化合价越高，这种引力越大，因此扩散速率就越小。(4)离子的大小：小离子的交换速度比较快，大分子会和树脂骨架碰撞，速度较慢。2013-6-8离子交换(5)搅拌速率：当液膜控制时，增加搅拌速率会使交换速度增加。但增大到一定程度后再继续增加转速，对交换速度影响就比较小。(6)溶液浓度：0.01M离子交换速率溶液浓度2013-6-8离子交换六离子交换的选择性离子交换树脂的选择性就是某种树脂对不同离子交换亲和能力的差别，离子和树脂活性基的亲和力越大，就越容易被该树脂所吸附。离子交换选择性集中地反应在交换常数K值上。SSBAABARBRK][][][][2013-6-8离子交换BAK式中，为树脂上的A离子、B离子浓度比与溶液中A离子、B离子浓度比的比值。＞1表示树脂上B离子与A离子的相对含量比溶液中高。即B离子对树脂的亲和力大于A离子，值越大，B离子越易被交换。BAKBAK2013-6-8离子交换七离子交换操作方法1树脂的选择主要依据被分离物的性质和分离目的。2树脂的预处理应用最多的为强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。生产商出厂的交换树脂颗粒大小往往不够均匀，故使用时应当先过筛以除去太大和太小的颗粒，也可以用水泡胀后用筛在水中选取大小一定的颗粒备用。2013-6-8离子交换一般商品树脂中含有一定量的杂质，所以在使用前必须进行净化处理。对强碱性和强酸性阴阳离子交换树脂，通常用4mol/LHCl溶液浸泡1-2天，以溶解各种杂质，然后用蒸馏水洗涤至中性。这样就得到在活性基团上含有可被交换的H+或Cl-的氢型阳离子交换树脂或氯型阴离子交换树脂。如果需要钠型阳离子交换树脂，则用NaCl处理氢型阳离子交换树脂。2013-6-8离子交换3离子交换的操作过程(1)装柱装置交换柱时，先在交换柱的下端铺上一层玻璃丝，灌入少量水，然后倾入带水的树脂，树脂就下沉而形成交换层。装柱时应防止树脂层中存留气泡，以免交换时试液与树脂无法充分接触。树脂高度一般约为柱高的90%。为防止加试液时树脂被冲起，在柱的上端亦应铺一层玻璃纤维。交换枝装好后，再用蒸馏水洗涤，关上活塞，以备使用。应当注意不能使树脂露出水面，因为树脂露于空气中，当加入溶液时，树脂间隙中会产生气泡，而使交换不完全。2013-6-8离子交换IVV0流出曲线始漏量(2)离子交换过程将欲分离的试液缓慢注入交换柱内，并以一定的流速由上向下流经柱子进行交换。速率控制十分重要2013-6-8离子交换始漏量：随着试液不断地流经柱子，交换了的树脂层越来越厚，继续加试液于交换柱中，则流出液中开始出现末被交换的离子．此时交换过程达到了“始漏点”，被交换到柱上的离子的量(mmol)称为该交换柱在此条件下的“始漏量”。交换容量与始漏量：交换柱的总交换容量大于始漏量，由于达到始漏点时，柱上还有未交换的树脂。2013-6-8离子交换(3)洗脱采用适当的洗脱液，将交换吸附在离子交换剂上的组分离子逐次洗脱下来，以达到分离目的。混合溶液中含有多种组分离子时，在洗脱过程中，按组分离子与交换剂的亲和力由小到大的顺序先后洗出。亲和力小的离子先洗出，亲和力最大的离子最后洗出。2013-6-8离子交换亲和力大小H+Na+K+Ag+CtNa+K+Ag+淋洗曲线2013-6-8离子交换(4)再生是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程。对于阳离子交换树脂常采用HCl溶液将树脂转为氢型；阴离子交换树脂常采用NaCl或NaOH溶液将树脂转为氯型或氢氧型。方式有：顺流再生和逆流再生2013-6-8离子交换