分离分析化学51-离子交换分离法.pptx
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1、 第五章第五章 离子交换分离法离子交换分离法离子交换分离法离子交换分离法 利用离子交换剂与溶液中的离子利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换反应进行分离的方法称发生交换反应进行分离的方法称为离子交换分离法为离子交换分离法5.1 离子交换树脂的概念离子交换树脂的概念5.1.1离子交换树脂的定义离子交换树脂的定义 5.1.2离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质5.1.3离子交换树脂基体的组成离子交换树脂基体的组成 5.1 5.1 离子交换树脂的概念离子交换树脂的概念5.1.15.1.1离子交换树脂的定义离子交换树脂的定义 离子交换树脂是一类带有离子交换树脂是一类带有功能基功能基的的网状结构网
2、状结构的高的高分子化合物,它由不溶性的分子化合物,它由不溶性的三维空间网状骨架三维空间网状骨架、连接、连接在骨架上的在骨架上的功能基团功能基团和功能基团上带有和功能基团上带有相反电荷的可相反电荷的可交换离子交换离子三部分构成。三部分构成。离子交换树脂可分为离子交换树脂可分为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和和两性离子交换树脂两性离子交换树脂。5.1.25.1.2离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质 离子交换树脂离子交换树脂不溶于水不溶于水和和一般溶剂一般溶剂。大多数制成颗粒状,也有一些制成纤维状或粉状。大多数制成颗粒状,也有一些制成纤维状或粉状。树脂颗粒的尺寸
3、一般在树脂颗粒的尺寸一般在0.31.2mm m 范围内,大部分在范围内,大部分在0.40.6mmmm之间。之间。它们有较高的它们有较高的机械强度机械强度(坚牢性坚牢性),化学性质也很,化学性质也很稳稳定定,在正常情况下有,在正常情况下有较长的使用寿命较长的使用寿命。5.1.5.1.3 3离子交换树脂基体的组成离子交换树脂基体的组成 离子交换树脂的基体,制造原料主要有离子交换树脂的基体,制造原料主要有苯乙烯苯乙烯和和丙烯丙烯酸酸(酯酯)两大类。两大类。苯乙烯系树脂是先使用的,丙烯酸系树脂则用得较后。苯乙烯系树脂是先使用的,丙烯酸系树脂则用得较后。强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂强酸性苯乙烯系阳离子交
4、换树脂弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂 5.2 离子交换树脂的基本类型离子交换树脂的基本类型 5.2.1 孔隙结构孔隙结构5.2.3 基体的种类基体的种类5.2.2 化学活性基团的种类化学活性基团的种类5.2 5.2 离子交换树脂的离子交换树脂的基本类型基本类型 5.2.15.2.1按孔隙结构分类按孔隙结构分类 离子交换树脂按孔隙结构分离子交换树脂按孔隙结构分凝胶型凝胶型和和大大孔型孔型两种。两种。凝胶型树脂凝胶型树脂大孔型树脂大孔型树脂5.2.1.15.2.1.1凝胶型树脂凝胶型树脂 凝胶型树脂的高分子骨架,在干燥的情况下内部没有凝胶型树脂的高分子骨架,在干燥的情况下
5、内部没有毛细孔。它在吸水时润胀,在大分子链节间形成很毛细孔。它在吸水时润胀,在大分子链节间形成很微细微细的孔隙的孔隙,通常称为,通常称为显微孔显微孔。湿润树脂的平均孔径为。湿润树脂的平均孔径为24nm(2106 4106mm)。5.2.1.25.2.1.2大孔型树脂大孔型树脂 大孔树脂内部的大孔树脂内部的孔隙又多又大孔隙又多又大,表面积很大表面积很大,活活性中心多性中心多,离子扩散速度快离子扩散速度快,离子交换速度也快很离子交换速度也快很多多,约比凝胶型树脂,约比凝胶型树脂快约十倍快约十倍。使用时的作用快、。使用时的作用快、效率高,所需处理时间缩短。效率高,所需处理时间缩短。大孔吸附树脂大孔吸
6、附树脂5.2.25.2.2按树脂中化学活性基团的种类分类按树脂中化学活性基团的种类分类 按化学活性基团首先区分为按化学活性基团首先区分为阳离子树脂阳离子树脂和和阴离子树脂阴离子树脂两大类。两大类。阳离子树脂又分为阳离子树脂又分为强酸性强酸性和和弱酸性弱酸性两类。两类。阴离子树脂又分为阴离子树脂又分为强碱性强碱性和和弱碱性弱碱性两类。两类。5.2.2.15.2.2.1强酸性阳离子树脂强酸性阳离子树脂 这类树脂含有大量的这类树脂含有大量的强酸性基团强酸性基团,容易在溶液中离解,容易在溶液中离解出出H H+,故呈强酸性。,故呈强酸性。树脂离解后,本体所含的负电基团,如树脂离解后,本体所含的负电基团,
7、如SOSO3 32 2,能吸附,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H H+与溶与溶液中的阳离子互相交换。液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的强酸性树脂的离解能力很强离解能力很强,在酸性或碱性溶液中,在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。均能离解和产生离子交换作用。5.2.2.25.2.2.2弱酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂 这类树脂含这类树脂含弱酸性基团弱酸性基团,能在水中离解出,能在水中离解出H H+而呈酸而呈酸性。性。树脂离解后余下的负电基团,能与溶液中的其他阳离树脂离解后余下的负电基团,能与溶液中的其他阳离子吸附结合,从而
8、产生阳离子交换作用。子吸附结合,从而产生阳离子交换作用。这种树脂的酸性即离解性较弱,在低这种树脂的酸性即离解性较弱,在低pHpH下难以离解和下难以离解和进行离子交换,只能在进行离子交换,只能在碱性、中性或微酸性溶液碱性、中性或微酸性溶液中中(如如pHpH514)起作用。起作用。5.2.2.35.2.2.3强碱性阴离子树脂强碱性阴离子树脂 这类树脂含有这类树脂含有强碱性基团季胺基强碱性基团季胺基(N+OH-),能在水中离解出能在水中离解出OHOH而呈强碱性。这种树脂的而呈强碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴离子交换作用。从而产生阴离
9、子交换作用。这种树脂的这种树脂的离解性很强离解性很强,在不同,在不同pHpH下下都能正常工作都能正常工作。它用强碱。它用强碱(如如NaOH)NaOH)进行再生。进行再生。5.2.2.4 5.2.2.4 弱碱性阴离子树脂弱碱性阴离子树脂 这类树脂含有这类树脂含有弱碱性基团弱碱性基团:伯胺基(-NH2)、仲胺基(NH)和叔胺基(N),它们在水中能离解出它们在水中能离解出OHOH而而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合,从而产生溶液中的阴离子吸附结合,从而产生阴离子交换作用。阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液这种树脂在多数情况下是将溶液中的
10、整个其他酸分子吸附。它只能在中的整个其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性条件中性或酸性条件(如如pH1pH19)9)下工作。下工作。四种树脂性能的比较性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧基、酚羟基季胺伯仲叔胺pH影响无酸性中小无碱性中小盐稳定性稳定洗涤时水解稳定洗涤时水解再生*3-4倍1.5-2倍3-5倍1.5-2倍交换速度快慢快慢*再生剂用量是指该树脂交换容量的倍数。5.2.2.55.2.2.5离子树脂的转型离子树脂的转型 树脂在实际使用上,常将这些树脂转变为其他离子型树脂在实际使用上,常将这些树脂转变为其他离子型式运行,以适应各种需要。式运行,以适应各种需要
11、。例如常将强酸性阳离子树脂与例如常将强酸性阳离子树脂与NaClNaCl作用,转变为作用,转变为钠型钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出树脂再使用。工作时钠型树脂放出NaNa+,与溶液中的,与溶液中的CaCa2+2+、MgMg2+2+等阳离子交换吸附,除去这些离子。反应时没有放出等阳离子交换吸附,除去这些离子。反应时没有放出H H+,可避免溶液,可避免溶液pHpH下降和由此产生的副作用下降和由此产生的副作用(如设备腐蚀如设备腐蚀等等)。特殊作用的离子交换剂特殊作用的离子交换剂 螯合树脂螯合树脂:含有:含有特殊的活性基团特殊的活性基团,可以有选择,可以有选择性地与某些金属离子进行交换。如:国产性地与
12、某些金属离子进行交换。如:国产#401型是属于氨羧基型是属于氨羧基N(CH2COOH)2特殊作用的离子交特殊作用的离子交 换剂换剂 萃淋树脂萃淋树脂一种含有液态萃取剂的树一种含有液态萃取剂的树脂,如脂,如TBP(磷酸三丁酯)萃淋树脂,(磷酸三丁酯)萃淋树脂,可用于处理工业废水中的六价铬离子可用于处理工业废水中的六价铬离子等。等。氧化还原树脂,纤维交换剂等。氧化还原树脂,纤维交换剂等。5.2.35.2.3按基体的种类分类按基体的种类分类 离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯苯乙烯系树脂乙烯系树脂和和丙烯酸系树脂丙烯酸系树脂。苯乙烯系树脂苯乙烯系树脂丙烯酸
13、系树脂丙烯酸系树脂5.35.3离子交换剂的性能和作用离子交换剂的性能和作用 5.3.1 交联度交联度 5.3.2 溶胀度溶胀度5.3.3 离子交换容量离子交换容量 5.3.4 离子交换作用离子交换作用 5.3.1交联度 离子交换剂的基质都是通过交联剂交联而制成多孔网状结构的基质,然后再引入亲水性官能团,在离子交换剂中含有交联剂的质量百分数称为交联度。5.3.2溶胀度 n离子交换剂中亲水性官能团的引入使其具有亲水性,当离子交换剂与水溶液接触时,水分子能扩散渗入基质内部的多孔结构中,使离子交换剂吸水并溶胀。n影响因素:基质亲水性、外界溶液中离子浓度和pH值、交联度 5.3.3离子交换容量 n离子交
14、换容量通常以每克干树脂或每毫升湿树脂上可交换的物质的量表示,单位为mmol/g干树脂,mmol/mL湿树脂。n总交换容量和有效交换容量 5.3.4离子交换剂作用 n软化水的离子交换 n离子交换是可逆的,不会造成固体离子交换剂结构上变化。-再生 思考题思考题1、离子交换树脂怎样分类?分别举例说明2、什么是离子交换树脂的交联度?他对树脂的性能有何影响?交联度如何表示?3、某强酸性阳离子交换剂的交换容量为4.70mmol.g-1,计算3.50g干树脂可吸附多少毫克Ca2+,多少毫克Na+?已知ArCa=40.08,ArNa=23.00。解:Ca2+带两个正电荷,因此与阳离子交换剂发生离子交换时,1m
15、ol交换下来2molH+;而Na+带一个正电荷,因此与阳离子交换剂发生的是等物质的量的交换。吸附钙的质量mCa=1/24.703.5040.08=329.7(mg)吸附钠的质量 mNa=4.703.5023.00=378.4(mg)5.4离子交换的基本理论5.4.1 离子交换的热力学过程离子交换的热力学过程 5.4.2 离子交换动力学过程离子交换动力学过程5.4.3 离子交换层析理论离子交换层析理论5.4.4 离子交换分离方式离子交换分离方式 5.4.1离子交换的热力学过程 n平衡常数(选择系数)分别表示离子交换剂中两种离子的浓度;分别表示溶液中两种离子的浓度。一定条件下,K值的大小表示离子交
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