離子交換分離.ppt

1、本科生課程，分離原理和技術(shù)5強(qiáng)(第5章)，第5章離子交換分離法，5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)5.2離子交換裴秀智5.3離子交換平衡5.4離子交換分離實(shí)驗(yàn)室技術(shù)5.5離子交換分離法，5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，1。離子交換分離法開發(fā)歷史(1) 1850年，英國(guó)農(nóng)業(yè)化學(xué)家H.S.Tompson和J.T.Way發(fā)現(xiàn)離子交換現(xiàn)象在硫酸銨或碳酸銨土壤處理中吸收了銨離子，析出了鈣。土壤也是無機(jī)離子交換劑。無機(jī)離子交換劑不能在酸性條件下使用。5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，(2) 1935年，B.A.Adams和E.L.Holmes合成離子交換樹脂合成了高分子材料多酚基強(qiáng)酸量離子交換樹脂和聚苯胺醛基弱堿性陰

2、離子離子交換樹脂。這是離子交換分離技術(shù)最重要的里程碑。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)大量合成了離子交換樹脂，用于水處理。戰(zhàn)后，英國(guó)、美國(guó)、蘇、日等國(guó)也大力發(fā)展了離子交換技術(shù)。5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，(3) 1945年美國(guó)人G.F.dAlelio合成聚苯乙烯陽(yáng)離子更換樹脂后來合成了性能好的聚苯乙烯系列和聚丙烯系列的離子交換樹脂。離子交換分離已成為低能耗高效分離技術(shù)。5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，(4)20世紀(jì)60年代以來離子交換樹脂的合成和離子交換分離技術(shù)取得了飛躍性發(fā)展。R.Kunin等合成了多種大孔離子交換樹脂。牙齒樹脂的多孔結(jié)構(gòu)具有離子交換和吸附兩種茄子功能。各種載體和功能化的離子交換樹脂

3、不斷產(chǎn)生高效離子色譜分析，離子交換分離柱和電導(dǎo)檢測(cè)器相結(jié)合的產(chǎn)物。國(guó)產(chǎn)離子交換裴秀智(南開大學(xué))。5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，2 .離子交換分離法的特點(diǎn)(1)選擇性高。裴秀智種類多，每種樹脂對(duì)離子的選擇性不同。操作條件(洗滌劑等)可調(diào)節(jié)參數(shù)(2)適用范圍廣。從微量物質(zhì)到工業(yè)用水，從少量樣品到工業(yè)規(guī)模。(3)操作簡(jiǎn)單，成本低。液固兩相溶液分離，操作簡(jiǎn)單。5.1離子交換分離法及其特點(diǎn)，3 .幾個(gè)茄子概念的差異離子交換分離法：使用離子交換制的分離技術(shù)。色層分離法：利用吸附劑、離子交換等各種填充物的柱分離技術(shù)。離子交換色譜法：用離子交換零固定相(柱)電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析的技術(shù)。離子色譜法：包括離子交

4、換色譜、離子排斥色譜、離子離子離子色譜等離子成分分析的各種色譜方法。5.2離子交換裴秀智，離子交換：具有離子交換能力的物質(zhì)。通常指固體離子交換劑。無機(jī)離子交換劑：天然(粘土、沸石礦物)或合成(合成沸石、分子篩、水合金屬氧化物、雜多酸鹽等)無機(jī)化合物有機(jī)離子交換劑：具有人工合成離子交換功能團(tuán)的聚合物聚合物，其中應(yīng)用最廣泛的是離子交換樹脂。離子交換裴秀智：具有特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物化合物。5.2離子交換裴秀智，5.2離子交換裴秀智5.2.1離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)5.2.2離子交換樹脂的分類和命名5.2.3離子交換樹脂的化學(xué)性質(zhì)5.2.4離子交換樹脂的化學(xué)性質(zhì)5.2.5離子交換樹脂的應(yīng)用，5.2.1離子交

5、換功能基團(tuán)(交換基團(tuán)半離子(可交換離子)，雙離子交換裴秀智結(jié)構(gòu)模型，5.2.1離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)，5.2.1離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)，5.2.2離子交換樹脂的分類和命名，1 .按功能組對(duì)負(fù)離子更換裴秀智(anion)分類強(qiáng)堿性陰離子離子交換裴秀智：-N(CH3)3OH，-N(CH3)2C2H4OH等功能團(tuán)弱堿性離子交換裴秀智： -NH2，-NHR，-NR2等功能團(tuán)包括5.2。強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換裴秀智：功能基礎(chǔ)是-SO3H、-CH2SO3H等強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換裴秀智：功能基礎(chǔ)是-PO3H2、-PO3H3、-SO3H2等中強(qiáng)度山集團(tuán)弱酸性陽(yáng)離子交換裴秀智3360功能基礎(chǔ)是-Cooh、-OOOH兩性樹脂既有負(fù)

6、離子交換器，又有陽(yáng)離子交換器。-N(CH3)3和-COOH。5.2.2離子交換樹脂的分類和命名，2 .各孔凝膠型樹脂具有均勻相聚合物凝膠結(jié)構(gòu)，粒子內(nèi)部由單體聚合的鏈大分子在交聯(lián)劑的連接下形成空間結(jié)構(gòu)，化學(xué)結(jié)構(gòu)的縫隙稱為凝膠孔或化學(xué)孔，孔徑小于300nm。大孔樹脂在制造過程中添加孔發(fā)生劑，形成大量的毛孔，凝膠骨架被毛孔圖分成非均勻凝膠結(jié)構(gòu)，顆粒內(nèi)有凝膠孔和毛孔，毛孔大，毛孔大，數(shù)百納米至數(shù)百微米。5.2.2離子交換樹脂的分類和命名，3 .RSO3H型強(qiáng)酸量離子交換裴秀智RN (CH3) 3OH型強(qiáng)堿離子交換裴秀智，5.2.2離子交換樹脂的分類和命名等半離子種類命名。4.離子交換樹脂的模型D交集也

7、是數(shù)字凝膠型連接符號(hào)順序編號(hào)骨架代碼分類代碼巨孔型離子交換裴秀智巨孔離子交換裴秀智離子交換裴秀智模型圖，圖形：球形粒子，需要90度或更高的粒度。分離用裴秀智微米路徑通常為數(shù)百英里。粒子大小分布范圍必須縮小。密度：濕時(shí)密度單位是體積(裴秀智自身體積和粒子間距體積的總和)內(nèi)緊密不規(guī)則排列的濕離子交換樹脂的質(zhì)量。濕疹密度單位真體積(僅包括裴秀智本身的體積)內(nèi)濕態(tài)離子交換樹脂的質(zhì)量。5.2.3離子交換樹脂的物理特性，交聯(lián)樹脂中交聯(lián)劑二乙烯苯的百分比含量。通常是812。水分含量在水中充分膨脹的濕樹脂中含有水分百分比。樹脂的類別、結(jié)構(gòu)、酸堿性、交聯(lián)度也與更換容量、離子形態(tài)等有關(guān)。普通樹脂的水分含量為406

8、0。應(yīng)變膨脹率從一個(gè)單離子型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)單離子型時(shí)裴秀智體積變化的百分比。例如，樹脂在交換和再生時(shí)會(huì)發(fā)生體積變化，長(zhǎng)時(shí)間膨脹收縮會(huì)導(dǎo)致樹脂老化。5.2.4離子交換樹脂的化學(xué)性質(zhì)，1 .酸堿離子交換樹脂含有酸性或堿性基團(tuán)時(shí)，在水中分解。RSO3H RSO3- H R=NHOH R=NH OH-離子交換樹脂含有弱酸鹽或弱堿鹽團(tuán)時(shí)在水中水解。RC oona H2O RC ooh NaOH rn H2 cl H2O rn H2 oh HCl，5.2.4離子交換樹脂的化學(xué)性質(zhì)，各種類型離子交換樹脂的有效pH值范圍裴秀智類型有效pH值范圍強(qiáng)酸性離子交換裴秀智014弱酸性陽(yáng)離子交換裴秀智414強(qiáng)堿性負(fù)離子離

9、子交換樹脂014弱堿性負(fù)離子離子交換樹脂07，更換容量單位質(zhì)量或單位體積樹脂可交換的離子摩爾數(shù)?？偢鼡Q容量單位質(zhì)量樹脂的離子交換組總數(shù)(mmol/g)。工作更換容量在一個(gè)周期內(nèi)單位體積收支實(shí)現(xiàn)的離子交換容量，即單位體積收支從再生型組變?yōu)槭诙蔚牧俊挝唬簃ol/kg(干裴秀智)或mmol/kg(干裴秀智)；Mmol/L(濕樹脂)，5.2.4離子交換樹脂的化學(xué)性能，3 .選擇性離子交換選擇性部分離子容易被離子交換樹脂吸收和解吸?；蟽r(jià)越大，交換能力越強(qiáng)。東價(jià)離子中，原子序數(shù)規(guī)模越大，更換能力越強(qiáng)。例如：FE3 AL3 CA2 MG2K naso 42-NO3-CL-F-HCO 3-，5.2.4

10、離子交換樹脂的化學(xué)性能，4 .熱穩(wěn)定性裴秀智功能團(tuán)受熱后分解或下降。不同的樹脂具有不同的熱穩(wěn)定性。強(qiáng)堿性陰離子離子交換樹脂的最大使用溫度通常為4060C，穩(wěn)定性最高的弱酸性樹脂接近200C不會(huì)立即破壞，但通常超過100C才能渡邊杏。弱酸性強(qiáng)酸性弱堿性、5.2.5離子交換樹脂的應(yīng)用、離子交換樹脂的主要用途包括離子雜質(zhì)分離、精制藥(醫(yī)藥)去除、各種金屬回收(冶金)有機(jī)反應(yīng)中的酸堿催化劑代替無機(jī)酸堿對(duì)水解、酯化、脫水、氨解、醇解、水合等，以分析為目的的疾病(。5.3離子交換平衡，1 .離子交換反應(yīng)離子交換樹脂中的可更換離子與溶液接觸時(shí)，溶液中具有相同電荷的離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。示例：陽(yáng)離子更換：R-

11、SO3H NaCl R-SO3Na HCl負(fù)離子更換：R-N(CH3)3OH NaCl R-N(CH3)3Cl NaOH螯合物離子交換：r-n (ch2ch 2)離子交換(熱力學(xué))平衡常數(shù)簡(jiǎn)化陽(yáng)離子更換反應(yīng)：離子上的水平線是熱力學(xué)平衡常數(shù)，牙齒離子存在于樹脂上的離子交換反應(yīng)中，5.3離子交換平衡，3。離子交換濃度平衡常數(shù)(選擇性系數(shù))為了計(jì)算熱力學(xué)平衡常數(shù)，需要測(cè)定平衡狀態(tài)下離子的兩相活性度，離子在樹脂上的活性度很難測(cè)定，對(duì)于選擇性系數(shù)以上的離子交換反應(yīng)，Na對(duì)H的選擇性系數(shù)KNa，H KNa，H表示給定離子交換樹脂中Na對(duì)H的相當(dāng)親和力的大小。文獻(xiàn)中一般使用H或Li作為陽(yáng)離子參考離子，使用C

12、l或OH作為負(fù)離子參考離子。根據(jù)基準(zhǔn)離子，選擇系數(shù)的值也不同。5.3離子交換平衡，多價(jià)離子的選擇性系數(shù)對(duì)反應(yīng)的一般反應(yīng)，5.3離子交換平衡，離子間選擇性系數(shù)轉(zhuǎn)換選擇性系數(shù)越大，離子對(duì)樹脂的維持就越強(qiáng)。兩種離子之間的選擇性系數(shù)被稱為兩種離子對(duì)同一參考離子的選擇性系數(shù)。例如，已知KNa，H=1.56，kk，H=2.28，計(jì)算KK，Na解決方案：KK，na=kk，h/kna，h=2.28/1.56=一般定義：D干池中一種離子的摩爾數(shù)/毫升溶液中牙齒離子的摩爾數(shù)分配系數(shù)與選擇性系數(shù)的關(guān)系：5.3離子交換平衡，5。分離系數(shù)(分離系數(shù))分離系數(shù)兩個(gè)離子從離子交換樹脂中分離的程度。對(duì)于一價(jià)離子：所以：5.3

13、離子交換平衡，5。離子交換選擇性的一般規(guī)律離子交換反應(yīng)的選擇性主要是離子和樹脂的親力大小結(jié)晶離子電荷越大，親力越大。對(duì)于共價(jià)離子，水合離子半徑越小，親合力越大。對(duì)于可極化離子，極化度越高，親和力越大。5.4離子交換分離實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，1 .工作方式靜態(tài)交換是間歇性的交換。將離子交換樹脂和樣品溶液放在同一個(gè)容器中，完全混合(振動(dòng)、攪拌、鼓等)，平衡分離樹脂和溶液(傾斜、過濾、離心等)，然后從樹脂中沖洗分離物。靜態(tài)交換只能在效率低、操作麻煩、耗時(shí)、不實(shí)用、分配系數(shù)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)中使用。5.4離子交換分離實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，動(dòng)態(tài)更換樣品溶液和樹脂相對(duì)移動(dòng)。其中固定層柱式操作最有用。步驟：柱的樣品洗脫再生的優(yōu)點(diǎn)：分離

14、效率，操作簡(jiǎn)便，柱分離，(2)吸附能力強(qiáng)的離子使用弱酸性或弱堿性樹脂，避免過度吸附。(3)吸附性弱的離子選擇強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性樹脂，增加保存。(4)高分子材料最好選擇大孔樹脂。5.4離子交換分離實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，樹脂在處理新的干支紙之前，必須浸入水中溶解，通過酸堿處理去除雜質(zhì)的新裴秀智處理步驟(右)，小支柱的手工有技巧。(2)防止“節(jié)”和“氣泡”的形成。(?！肮?jié)”是充填不均，樹脂松弛時(shí)變硬形成的“氣泡”，充電時(shí)不復(fù)蓋一定量的液體，氣體混合形成液體桶液的目的可以是吸附(上)、洗滌、洗滌、再生等。流量控制是分離的關(guān)鍵步驟之一。在分離過程中分階段收集流出物，獲得純物質(zhì)。5.4離子交換分離實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，回放可使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方法。靜態(tài)方法是把樹脂倒入容器中再生。力學(xué)方法通過柱上的浸出再生。應(yīng)根據(jù)裴秀智失敗的原