冶金設(shè)備基礎(chǔ)第8章離子交換課件

1FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnology多媒體教學(xué)課程：冶金設(shè)備基礎(chǔ)任課教師：徐瑞東第8章離子交換

學(xué)習(xí)目的與要求掌握離子交換的概念，離子交換劑的結(jié)構(gòu)，離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)及性質(zhì)、離子交換反應(yīng)過(guò)程、離子交換勢(shì)及規(guī)律。了解離子交換工藝及典型設(shè)備。掌握離子交換的應(yīng)用和離子交換膜的原理及應(yīng)用。

離子交換過(guò)程的基本知識(shí)(1)離子交換的定義利用離子交換劑與溶液的離子發(fā)生交換作用，使欲提取的組分與其它組分進(jìn)行分離的工藝過(guò)程。天然沸石人造沸石的磺化煤離子交換樹(shù)脂(2)選用原料：用于除雜、廢水處理、離子轉(zhuǎn)換以及分離和富集微量有價(jià)金屬(3)應(yīng)用領(lǐng)域：優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單、分離效率高、所用的離子交換樹(shù)脂有再生能力，重復(fù)使用性能好。缺點(diǎn)：工藝過(guò)程周期長(zhǎng)，操作比較復(fù)雜。(4)特點(diǎn)：(1)泡脹性：樹(shù)脂活性基團(tuán)上的離子遇水而膨脹。(2)密度和含水量：表觀(guān)密度、結(jié)合水分。(3)粒度：0.3~1.2mm。(4)交聯(lián)度：4~14%。(5)交換容量：3~6mmol/g或1~2mmol/ml。8.1.3離子交換樹(shù)脂的性質(zhì)理論交換容量：樹(shù)脂所含反離子全部發(fā)生交換時(shí)的交換容量。工作交換容量：實(shí)際測(cè)得的交換容量。表觀(guān)密度:是指樹(shù)脂在交換柱中的裝填密度，數(shù)值上等于溶脹后樹(shù)脂重量與這一重量樹(shù)脂在水中表觀(guān)體積的比值。常用樹(shù)脂的表觀(guān)密度在0.6~0.9之間。含水量：樹(shù)脂含有結(jié)合水分的含量，與樹(shù)脂功能團(tuán)性質(zhì)和關(guān)聯(lián)度有關(guān)。商品樹(shù)脂大約含有50%水分。粒度：顆粒越小表面積越大，交換速度越快，分離效果越好。但溶液阻力增大，流速減慢。交聯(lián)度：樹(shù)脂合成時(shí)交聯(lián)劑在原料總重量中所占的百分比。交換容量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干樹(shù)脂或單位體積濕樹(shù)脂，所能交換的離子相當(dāng)于一價(jià)離子物質(zhì)的量。部分國(guó)外離子交換樹(shù)脂的主要性能?chē)?guó)產(chǎn)常用離子交換樹(shù)脂的主要性能8.2離子交換的基本原理8.2.1離子交換反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂1.在樹(shù)脂顆粒表面進(jìn)行2.在樹(shù)脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行溶液中欲交換離子穿過(guò)樹(shù)脂顆粒表面液膜離子繼續(xù)在樹(shù)脂顆粒內(nèi)擴(kuò)散達(dá)到交換位置進(jìn)行交換反應(yīng)交換下來(lái)的離子在樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散到顆粒表面離子穿過(guò)顆粒表面的液膜，進(jìn)入溶液中7.2.2離子交換勢(shì)及規(guī)律1.離子交換勢(shì)的定義樹(shù)脂對(duì)預(yù)交換離子的吸著(交換)能力，把這種吸著能力稱(chēng)為“勢(shì)”。2.離子交換勢(shì)的規(guī)律常溫下稀溶液，陽(yáng)離子交換勢(shì)隨離子電荷增高而增大；相同電荷同族元素離子交換勢(shì)隨離子半徑增大而增大。Th4+>Al3+>Ca2+>Na+Rb+>K+>Na+>Li+Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+7.2.3選擇系數(shù)

(1)氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與金屬離子A+進(jìn)行的交換(2)樹(shù)脂RA與溶液中的某離子B+進(jìn)行交換：E>1時(shí)，交換反應(yīng)向右進(jìn)行。E<1時(shí)，交換反應(yīng)向左進(jìn)行。離子交換平衡方程式凸形：離子交換反應(yīng)能向右進(jìn)行，有利于交換，且被交換離子價(jià)數(shù)越高，曲線(xiàn)形狀越凸；凹形：交換反應(yīng)向左進(jìn)行。交換勢(shì)的大小決定了平衡曲線(xiàn)的形狀。等價(jià)離子交換平衡曲線(xiàn)離子交換平衡曲線(xiàn)：一價(jià)、二價(jià)離子交換平衡曲線(xiàn)8.3.1離子交換工藝

1.樹(shù)脂的選擇原則

在分離體積相差較大的離子時(shí)，樹(shù)脂網(wǎng)孔必須小于大離子的直徑而又大于小離子的直徑。用交換吸附除去半徑大的離子時(shí)，應(yīng)選用交聯(lián)度小的樹(shù)脂或者多孔性樹(shù)脂。多孔陰離子樹(shù)脂對(duì)有色金屬絡(luò)陰離子有良好的交換性能。大孔徑強(qiáng)堿性陰離子對(duì)除去大體積離子與分子效果好。選擇交換容量大樹(shù)脂。

強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂吸附金屬陽(yáng)離子強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂吸著金屬絡(luò)陰離子。帶有-SO3H基強(qiáng)酸性樹(shù)脂吸附重金屬陽(yáng)離子強(qiáng)酸性樹(shù)脂-弱堿性樹(shù)脂-強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性混合樹(shù)脂的聯(lián)合床凈化水螯合樹(shù)脂吸附從堿金屬離子中除去的過(guò)渡金屬離子。8.3.離子交換工藝及設(shè)備常見(jiàn)規(guī)律選擇原則8.3.2離子交換設(shè)備設(shè)備特性及操作方式不同固定床設(shè)備連續(xù)床設(shè)備設(shè)備主體結(jié)構(gòu)類(lèi)型罐型槽型塔型移動(dòng)床流化床(1)固定床離子交換設(shè)備上、中和下三個(gè)布液裝置:保證溶液沿交換柱截面的分布均勻，并能阻止樹(shù)脂被帶出,柱內(nèi)樹(shù)脂層不超過(guò)2/3。樹(shù)脂層上空約1.5m高，該空間通空氣或充以水，用于樹(shù)脂的松動(dòng)、洗滌和分離。加料可采用重力式或壓力式完成。

(2)移動(dòng)床連續(xù)交換設(shè)備(3)流化床離子交換設(shè)備懸浮床式離子交換槽阻擋樹(shù)脂并使之與礦漿分離使料液沿設(shè)備橫斷面分布均勻并支撐樹(shù)脂移動(dòng)床操作脈沖轉(zhuǎn)移交換再生洗脫段反洗設(shè)備名稱(chēng)特點(diǎn)固定床離子交換設(shè)備柱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，樹(shù)脂磨損少，適應(yīng)于處理清液。但由于吸附、洗脫、漂洗等操作均在同一柱中進(jìn)行，管路復(fù)雜，閥門(mén)眾多，樹(shù)脂利用率低，吸附速度較慢。移動(dòng)床連續(xù)交換設(shè)備樹(shù)脂用量少，為固化床的15~30%,樹(shù)脂利用率高，設(shè)備生產(chǎn)能力大，操作速度快，適合處理低濃度的溶液。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、樹(shù)脂易破損，不能用于懸浮液與礦漿的吸附。流化床離子交換設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、樹(shù)脂磨損少。吸附速度度，操作周期長(zhǎng)，樹(shù)脂利用率低。三種離子交換設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)比8.5離子交換膜的應(yīng)用1.離子交換膜原理

離子交換膜是將離子交換樹(shù)脂制成很薄的膜，利用它對(duì)不同的離子具有選擇性吸收，使離子選擇性地透過(guò)膜達(dá)到分離的目的。陽(yáng)離子交換膜---能阻止陰離子滲過(guò)而選擇性透過(guò)陽(yáng)離子的膜。陰離子交換膜---能阻止陽(yáng)離子滲過(guò)而選擇性透過(guò)陰離子的膜。

2.兩性離子與非兩性離子分離ZnSO4與Na2SO4溶液的電滲分離陽(yáng)離子交換膜陰離子交換膜(1)制備濃溶液和稀溶液加兩種膜的電滲一、離子交換過(guò)程的基本知識(shí)本章小結(jié)離子交換定義選用原料應(yīng)用領(lǐng)域特點(diǎn)二、離子交換劑的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1.離子交換劑結(jié)構(gòu)高分子網(wǎng)狀骨架(母體)固定在骨架上不能自由移動(dòng)的活性基團(tuán)與活性基團(tuán)相連，可以離解的離子泡脹性密度和含水量粒度交聯(lián)度交換容量2.離子交換劑性質(zhì)2.離子交換勢(shì)及規(guī)律離子交換勢(shì)的定義離子交換勢(shì)的規(guī)律選擇系數(shù)

(2)樹(shù)脂RA與溶液中的某離子B+進(jìn)行交換：(1)氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與金屬離子A+進(jìn)行的交換四、離子交換工藝及設(shè)備

1.樹(shù)脂的選擇原則

在分離體積相差較大的離子時(shí)，樹(shù)脂網(wǎng)孔必須小于大離子的直徑而又大于小離子的直徑。用交換吸附除去半徑大的離子時(shí)，應(yīng)選用交聯(lián)度小的樹(shù)脂或者多孔性樹(shù)脂。多孔陰離子樹(shù)脂對(duì)有色金屬絡(luò)陰離子有良好的交換性能。大孔徑強(qiáng)堿性陰離子對(duì)除去大體積離子與分子效果好。選擇交換容量大樹(shù)脂。