離子交換法課件

第四章離子交換法第一節(jié)概述離子交換法定義：離子交換法是基于固體離子交換劑在與電解質(zhì)水溶液接觸時，溶液中的某種離子與交換劑中的同性電荷離子發(fā)生離子交換作用，結(jié)果溶液中的離子進入交換劑，而交換劑中的離子轉(zhuǎn)入溶液中。如：/00:01:4200:00:00離子交換法的應(yīng)用：（1）從貧液中富集和回收有價金屬：貴金屬和稀有金屬；（2）提純化合物和分離性質(zhì)相似的元素：稀土分離；（3）處理某些工廠的廢水；（4）生產(chǎn)軟化水。/00:01:4200:00:00第二節(jié)離子交換樹脂及其性能2.1離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。連接樹脂的功能團的作用。（2）交聯(lián)劑部分：把整個線狀高分子鏈交聯(lián)起來，形成三度空間的網(wǎng)狀結(jié)果。（3）功能團部分：固定在樹脂高分子部分上的活性離子基團。交聯(lián)度的大小決定了樹脂的機械強度、交換容量和溶脹性等性質(zhì)。/00:01:4200:00:00離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹脂是具有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，由空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架（即母體）和附著在骨架上的許多活性基團所構(gòu)成。

活性基團遇水電離，分成：固定部分和活動部分/00:01:4200:00:00樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架/00:01:4200:00:002.2離子交換樹脂的分類一般按樹脂所帶功能團的性質(zhì)不同分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂。細分：①強酸性陽離子交換樹脂；②弱酸性陽離子交換樹脂；③強堿性陰離子交換樹脂；④弱堿性陰離子交換樹脂；⑤螯合樹脂；⑥兩性樹脂；⑦氧化還原樹脂。/00:01:4200:00:00

離子交換樹脂命名法中分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系/00:01:4200:00:00樹脂的物理性能

(一)外觀形狀：透明或半透明的球狀珠體。顏色：白、淺黃、赤褐色。(二)含水率樹脂孔隙內(nèi)所含的水分，一般在40%～69%。與樹脂的膠聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度低，空隙率高，含水率高。2.3樹脂的基本性能（1）物理性能：溶脹性，粒度，密度。（2）化學(xué)性能：交換容量。交換容量：以每克干樹脂或每毫升濕樹脂上的交換離子的摩爾數(shù)表示?？偨粨Q容量，操作容量，漏穿容量，全容量。/00:01:4200:00:00

(三)密度干真密度：干燥狀態(tài)下，樹脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹脂本身的密度。表觀密度：樹脂在水中充分溶脹后的堆積密度(視密度)。單位均為mg/L.

(四)交聯(lián)度交聯(lián)度為樹脂合成時交聯(lián)劑的用量，一般為7%~10%。交聯(lián)度越高，孔隙度越低，密度越大，對半徑較大的離子和水合離子擴散速度越低，交換量越小。在水中浸泡，形變小，較穩(wěn)定。/00:01:4200:00:00總交換容量：指單位樹脂中所含功能團上可交換離子的總摩爾數(shù)。與交聯(lián)度有關(guān)，交聯(lián)度小，總交換容量就大。因交聯(lián)度小，高分子質(zhì)量大，功能團多。操作容量：指在一定的交換條件下所達到的實際交換容量，即樹脂中實際參加交換反應(yīng)的離子摩爾數(shù)。漏穿容量：指柱上作業(yè)時溶液中的離子開始出現(xiàn)在流出液時單位體積中樹脂中實際參加交換的摩爾數(shù)。樹脂的化學(xué)性能/00:01:4200:00:00全容量：離子交換樹脂除了通過功能團進行交換外，還能通過鏈節(jié)結(jié)構(gòu)上的特點，以分子間吸引力即范德華力吸引其他分子，結(jié)果樹脂的容量往往超過總交換容量，故把總交換容量和范德華力吸引的量之和稱為全容量。/00:01:4200:00:00例、稱取1g干樹脂，置于250mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入0.1mol.L-1NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液100mL，塞緊后振蕩，放置過夜，移取上層清液25mL，以酚酞為指示劑，用0.1mol.L-1HCl標(biāo)液12.5mL滴定至紅色消失，計算樹脂交換容量。解：干樹脂（強酸型）與Na+交換，剩余NaOH用HCl滴定陽離子交換樹脂：練習(xí)：稱取某OH-型陰離子交換樹脂1.00g置于錐形瓶中,加入0.100mol/LHCl100mL浸泡一晝夜。用移液管吸取25.00mL上層清液,以甲基紅為指示劑,用0.1000mol/LNaOH溶液滴定,耗用12.5.00mL,計算樹脂的交換容量。/00:01:4200:00:00親和力經(jīng)驗規(guī)律：1）在常溫下的稀溶液，樹脂對離子相對親和力隨離子價數(shù)的增大而增大。2）在常溫下的稀溶液，離子價數(shù)相同時，強酸性陽離子交換樹脂對離子的親和力隨水合離子半徑的減小而增大。3）強堿性陰離子交換樹脂對陰離子的相對親和力隨離子的水合半徑的減小而增大。4）對弱堿性陰離子交換樹脂而言，OH-的親和力遠遠大于其他許多陰離子的親和力，而且樹脂的堿性越弱，OH-的親和力越大。/00:01:4200:00:003.2分配比離子交換達到平衡時，離子在樹脂相和溶液相的濃度比值稱為分配比。用D表示。

/00:01:4200:00:003.3分離因素溶液中存在兩種待分離的離子A和B，采用分離因數(shù)來表示這兩種離子的分離效果。分離因數(shù)在數(shù)值上等于相同條件下兩離子的分配比的比值。表示對兩種離子選擇性的分離效果。

/00:01:4200:00:00離子交換機理A+自溶液中擴散到樹脂表面A+從樹脂表面進入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴散到溶液中交換速度的控制步驟是擴散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴散或外部擴散控制./00:01:4200:00:00例如：①邊界水膜內(nèi)的遷移②交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)的擴散③離子交換④交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的擴散⑤邊界水膜內(nèi)的遷移其中①⑤稱為液膜擴散步驟，或稱為外擴散；②和④樹脂顆粒內(nèi)擴散，或稱為孔道擴散步驟；③稱為交換反應(yīng)步驟。離子交換速度實際上是由液膜擴散或者孔道擴散步驟控制。/00:01:4200:00:00樹脂顆粒水膜BB(1)(2)(A)(4)(5)A外擴散離子交換內(nèi)擴散

交換過程模型/00:01:4200:00:004.2影響交換速度的因素（1）內(nèi)擴散為控制步驟時的影響因素①樹脂顆粒大?。簺Q定了離子從樹脂表面擴散到樹脂內(nèi)部的路程，顆粒越大，路程越長，顆粒小，交換速度快。②樹脂的性質(zhì)：溶脹性大的，強酸強堿樹脂交換速度快；③溫度：溫度高，擴散系數(shù)大，交換速度大。④交換離子的性質(zhì)：離子價態(tài)越高，擴散系數(shù)越小。（2）外擴散為控制步驟時的影響因素①溶液濃度：溶液中離子濃度越大，膜內(nèi)外濃度梯度大，擴散速度越大。②溫度：溫度高擴散速度大。③攪拌情況：攪拌速度越大，膜的厚度越小，擴散速度越大。

/00:01:4200:00:00離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢或交換系數(shù)[R-A]、[R-B]表示結(jié)合在樹脂上的A離子和B離子濃度[A]S、[B]S表示溶液中A離子和B離子越大B越易被交換/00:01:4200:00:00廢水中只有一種離子B+0.5/00:01:4200:00:00穿透曲線與穿透量C=0交換層C=C001.0C/C0L/00:01:4200:00:00影響漏穿容量的主要因素有：①溶液流速：流速越大漏穿容量越??；②溶液的濃度：濃度越大，漏穿容量越小；③溶液中的雜質(zhì)離子：親和力越大或相近，漏穿容量越??；④交換速度：凡是能提高交換速度的因素均能提高漏穿容量。（減少樹脂的粒度和交聯(lián)度，提高溫度等。）/00:01:4200:00:00廢水中有幾種離子B1+、B2+、B3+

且交換能力B1+＞B2+＞B3+

離子交換可對廢水中不同離子進行分離。/00:01:4200:00:00樹脂的再生

(一)再生的目的恢復(fù)樹脂的交換能力回收有用物質(zhì)(二)再生原理b(R—B)a++aAb+≒a(R—A)b++bBa+/00:01:4200:00:00(三)影響再生的因素

再生劑再生劑的種類

H型陽樹脂：再生劑HCl

或H2SO4，HCl

優(yōu)于H2SO4。

OH型陰樹脂：再生劑Na2CO3或NaOH。

再生劑的濃度

HCl5～10%

NaOH10～12%、4～8%再生劑用量1.2～3.0倍樹脂體積。/00:01:4200:00:00

再生方式

順流再生

優(yōu)點：工藝簡單；操作方便、可靠。

缺點：有重復(fù)交換現(xiàn)象，再生劑用量高；工作交換容量低。/00:01:4200:00:00逆順流再生

優(yōu)點：

避免重復(fù)交換；再生劑用量少。樹脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點：

設(shè)備較復(fù)雜。要求控制技術(shù)高。

/00:01:4200:00:005.2柱上離子交換技術(shù)分類（1）簡單離子交換分離法過程：吸附（負載），洗滌，解吸附，洗滌。吸附：溶液中能起交換作用的離子吸附到樹脂上；洗滌：用水洗去交換柱中殘留的溶液；解吸附：適當(dāng)?shù)慕馕鼊⒁晕皆跇渲系碾x子的解吸出來；洗滌：洗滌去掉剩余的解吸劑再生樹脂。（2）離子交換色層分離法分離性質(zhì)非常相近的元素。吸附很難分離。采用配合劑的作用下分離。/00:01:4200:00:00

例：水的除鹽

/00:01:4200:00:00制備去離子水R-SO3H+M+

?R-SO3M+H+RN+H3OH-+X-

?RN+H3X-+OH-H++OH-?H2OH+OH-陽離子交換陰離子交換去離子水/00:01:4200:00:00第六節(jié)簡單離子交換法在提取冶金中的應(yīng)用6.1純鈾化合物的提?。?）吸附過程；U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-，在通過強堿性離子交換樹脂時，被留在樹脂上，金屬離子則流出。之后，將其破壞成為UO2+形式洗脫，回收率可達98%。樹脂中活性離子基團X表示NO3-、Cl-、HSO4-。吸附過程中陽離子不被交換而分離。/00:01:4200:00:00影響吸附的主要因素：料液的pH值（高時Fe(SO4)2-或FeOH(SO4)22-親和力大被吸附，低時易吸附HSO4-）；料液中的ClO3-、Cl-、NO3-，這些離子對陰離子交換樹脂的親和力大。（2）解吸過程；采用1mol/L的Cl-、NO3-做鈾的解吸劑得到鈾酸鹽。（3）設(shè)備及操作。①從柱的上部通入料液至樹脂飽和鈾；②從柱的上部通入純水洗滌飽和鈾的樹脂床；③從柱的下部通入反洗純水；④從柱的中部通入解吸劑；⑤從柱的下部通入反洗純水，洗去殘余的解吸劑。/00:01:4200:00:006.2離子交換法在鎢鉬冶金中的應(yīng)用（1）粗鎢酸鈉溶液的凈化與轉(zhuǎn)型①吸附；采用氯離子樹脂吸附。磷酸根、砷酸根和亞硅酸根比鎢酸根對樹脂的親和力小而從柱下部排出。影響因素：料液成分，有氯離子和氫氧根離子因其親和力大會降低鎢的交換容量，鎢酸濃度大降低交換容量，小廢液多。溶液流速，流速大生產(chǎn)能力大，但太大容易造成漏穿容量小。②淋洗去雜質(zhì)；采用低濃度氯離子和氫氧根離子的淋洗劑將酸性氧化物雜質(zhì)淋洗。③解吸鎢。高濃度的氯離子。/00:01:4200:00:00（2）純鉬化合物的制取①離子交換法凈化鉬酸銨溶液；②粗鉬酸鈉溶液的凈化與轉(zhuǎn)型；③從輝鉬礦硝酸分解母液或高壓氧浸母液中回收鉬。（3）離子交換法分離鎢鉬6.3離子交換法提取貴金屬6.4稀散金屬的回收（1）從鉛鋅礦中回收鎵：浸出渣經(jīng)硫酸化焙燒后硫酸浸出，經(jīng)過pH5與鐵共沉淀后經(jīng)過鹽酸浸出后陰離子交換樹脂處理。（2）從鋅礦中回收銦：陽離子交換樹脂處理。（3）從輝鉬礦回收錸：陰離子交換樹脂處理HReO4。6.5純水的制備/00:01:4200:00:00第七節(jié)離子交換色層法分離稀土元素7.1離子交換色層法分離稀土元素的基本原理（1）工藝過程：原子系數(shù)小的親和力大，在上層交換。（2）淋洗劑：不同離子半徑與配合劑形成配合物穩(wěn)定常數(shù)的大小來淋洗分離，同也有少量其他離子淋洗出來。（3）延緩離子：有利于多種離子的分離。7.2用EDTA淋洗分離鐠、釹（1）基本過程；（2）影響分離效果的主要因素①淋洗劑溶液的pH值和濃度（?。?；②淋洗劑流速（?。?；③樹脂粒度（?。?；④溫度（高）；⑤柱形（?。┖椭龋ù螅?00:01:4200:00:00(3)分離實踐①設(shè)備：3個交換柱，第一個為吸附柱，其他2個為交換柱。②操作：樹脂的預(yù)處理（除雜質(zhì)）；樹脂轉(zhuǎn)型（將含氫離子的交換樹脂變?yōu)楹@離子的交換樹脂）；吸附柱負載稀土；分離柱飽和Cu2+-H+；淋洗；流出液處理和EDTA回收。③樹脂的再生：先用純水洗再用鹽酸再生，最后用水洗至中性。④樹脂中毒及處理方法。雜質(zhì)引起中毒。物理中毒：某些膠體微粒沉積在樹脂骨架空隙中或樹脂表面上；化學(xué)中毒：樹脂吸附了某些親和力很強的雜質(zhì)。物理中毒可采用和雜質(zhì)離子結(jié)合很強的溶液（NaOH溶液）處理；化學(xué)中毒可采用與該離子結(jié)合很強的試劑處理以恢復(fù)其交換能力。如果都無效樹脂則不能再使用。/00:01:4200:00:00第八節(jié)離子交換膜及其在提取冶金中的應(yīng)用8.1離子交換膜概念及工作原理（1）離子交換膜概念結(jié)構(gòu)和離子交換樹脂一樣，有固定的骨架結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)上有可以離解的功能團，在與溶液中的離子接觸時，離子交換膜具有選擇透過性。（2）離子交換膜的工作原理：溶解時離子進入溶液使膜帶