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(shí)，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(jìn)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(jià)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(shù)脂及其性能2.1離子交換樹(shù)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(shù)脂的功能團(tuán)的作用。（2）交聯(lián)劑部分：把整個(gè)線狀高分子鏈交聯(lián)起來(lái)，形成三度空間的網(wǎng)狀結(jié)果。（3）功能團(tuán)部分：固定在樹(shù)脂高分子部分上的活性離子基團(tuán)。交聯(lián)度的大小決定了樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度、交換容量和溶脹性等性質(zhì)。/00:01:4200:00:00離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)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(tuán)所構(gòu)成。

活性基團(tuán)遇水電離，分成：固定部分和活動(dòng)部分/00:01:4200:00:00樹(shù)脂的網(wǎng)絡(luò)骨架/00:01:4200:00:002.2離子交換樹(shù)脂的分類一般按樹(shù)脂所帶功能團(tuán)的性質(zhì)不同分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂。細(xì)分：①?gòu)?qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；②弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；③強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂；④弱堿性陰離子交換樹(shù)脂；⑤螯合樹(shù)脂；⑥兩性樹(shù)脂；⑦氧化還原樹(shù)脂。/00:01:4200:00:00

離子交換樹(shù)脂命名法中分類代號(hào)和骨架代號(hào)代號(hào)分類名稱骨架名稱0強(qiáng)酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強(qiáng)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(shù)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(shù)脂孔隙內(nèi)所含的水分，一般在40%～69%。與樹(shù)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(shù)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(shù)脂或每毫升濕樹(shù)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(shù)脂材料本身具有的密度。濕真密度：在水中充分溶脹后濕樹(shù)脂本身的密度。表觀密度：樹(shù)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(shù)脂合成時(shí)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(duì)半徑較大的離子和水合離子擴(kuò)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(shù)脂中所含功能團(tuán)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(tuán)多。操作容量：指在一定的交換條件下所達(dá)到的實(shí)際交換容量，即樹(shù)脂中實(shí)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(shí)溶液中的離子開(kāi)始出現(xiàn)在流出液時(shí)單位體積中樹(shù)脂中實(shí)際參加交換的摩爾數(shù)。樹(shù)脂的化學(xué)性能/00:01:4200:00:00全容量：離子交換樹(shù)脂除了通過(guò)功能團(tuán)進(jìn)行交換外，還能通過(guò)鏈節(jié)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，以分子間吸引力即范德華力吸引其他分子，結(jié)果樹(shù)脂的容量往往超過(guò)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(shù)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(guò)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(jì)算樹(shù)脂交換容量。解：干樹(shù)脂（強(qiáng)酸型）與Na+交換，剩余NaOH用HCl滴定陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：練習(xí)：稱取某OH-型陰離子交換樹(shù)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(jì)算樹(shù)脂的交換容量。/00:01:4200:00:00親和力經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：1）在常溫下的稀溶液，樹(shù)脂對(duì)離子相對(duì)親和力隨離子價(jià)數(shù)的增大而增大。2）在常溫下的稀溶液，離子價(jià)數(shù)相同時(shí)，強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)離子的親和力隨水合離子半徑的減小而增大。3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂對(duì)陰離子的相對(duì)親和力隨離子的水合半徑的減小而增大。4）對(duì)弱堿性陰離子交換樹(shù)脂而言，OH-的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他許多陰離子的親和力，而且樹(shù)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(dá)到平衡時(shí)，離子在樹(shù)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(lái)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(duì)兩種離子選擇性的分離效果。

/00:01:4200:00:00離子交換機(jī)理A+自溶液中擴(kuò)散到樹(shù)脂表面A+從樹(shù)脂表面進(jìn)入樹(shù)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(shù)脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹(shù)脂表面B+離子從樹(shù)脂表面擴(kuò)散到溶液中交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)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(kuò)散③離子交換④交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的擴(kuò)散⑤邊界水膜內(nèi)的遷移其中①⑤稱為液膜擴(kuò)散步驟，或稱為外擴(kuò)散；②和④樹(shù)脂顆粒內(nèi)擴(kuò)散，或稱為孔道擴(kuò)散步驟；③稱為交換反應(yīng)步驟。離子交換速度實(shí)際上是由液膜擴(kuò)散或者孔道擴(kuò)散步驟控制。/00:01:4200:00:00樹(shù)脂顆粒水膜BB(1)(2)(A)(4)(5)A外擴(kuò)散離子交換內(nèi)擴(kuò)散

交換過(guò)程模型/00:01:4200:00:004.2影響交換速度的因素（1）內(nèi)擴(kuò)散為控制步驟時(shí)的影響因素①樹(shù)脂顆粒大小：決定了離子從樹(shù)脂表面擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部的路程，顆粒越大，路程越長(zhǎng)，顆粒小，交換速度快。②樹(shù)脂的性質(zhì)：溶脹性大的，強(qiáng)酸強(qiáng)堿樹(shù)脂交換速度快；③溫度：溫度高，擴(kuò)散系數(shù)大，交換速度大。④交換離子的性質(zhì)：離子價(jià)態(tài)越高，擴(kuò)散系數(shù)越小。（2）外擴(kuò)散為控制步驟時(shí)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(kuò)散速度越大。②溫度：溫度高擴(kuò)散速度大。③攪拌情況：攪拌速度越大，膜的厚度越小，擴(kuò)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(shì)或交換系數(shù)[R-A]、[R-B]表示結(jié)合在樹(shù)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小；②溶液的濃度：濃度越大，漏穿容量越??；③溶液中的雜質(zhì)離子：親和力越大或相近，漏穿容量越小；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(shù)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(duì)廢水中不同離子進(jìn)行分離。/00:01:4200:00:00樹(shù)脂的再生

(一)再生的目的恢復(fù)樹(shù)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(yáng)樹(shù)脂：再生劑HCl

或H2SO4，HCl

優(yōu)于H2SO4。

OH型陰樹(shù)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(shù)脂體積。/00:01:4200:00:00

再生方式

順流再生

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單；操作方便、可靠。

缺點(diǎn)：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(diǎn)：

避免重復(fù)交換；再生劑用量少。樹(shù)脂底層再生干凈，工作交換容量較高。

缺點(diǎn)：

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(jiǎn)單離子交換分離法過(guò)程：吸附（負(fù)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(shù)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?shù)脂上的離子的解吸出來(lái)；洗滌：洗滌去掉剩余的解吸劑再生樹(shù)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(yáng)離子交換陰離子交換去離子水/00:01:4200:00:00第六節(jié)簡(jiǎn)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(guò)程；U(VI)形成[UO2(SO4)2]2-或[UO2(SO4)3]4-，在通過(guò)強(qiáng)堿性離子交換樹(shù)脂時(shí)，被留在樹(shù)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(dá)98%。樹(shù)脂中活性離子基團(tuán)X表示NO3-、Cl-、HSO4-。吸附過(guò)程中陽(yáng)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(shí)Fe(SO4)2-或FeOH(SO4)22-親和力大被吸附，低時(shí)易吸附HSO4-）；料液中的ClO3-、Cl-、NO3-，這些離子對(duì)陰離子交換樹(shù)脂的親和力大。（2）解吸過(guò)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?gòu)闹纳喜客ㄈ肓弦褐翗?shù)脂飽和鈾；②從柱的上部通入純水洗滌飽和鈾的樹(shù)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(shù)脂吸附。磷酸根、砷酸根和亞硅酸根比鎢酸根對(duì)樹(shù)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(huì)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?、匐x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(guò)pH5與鐵共沉淀后經(jīng)過(guò)鹽酸浸出后陰離子交換樹(shù)脂處理。（2）從鋅礦中回收銦：陽(yáng)離子交換樹(shù)脂處理。（3）從輝鉬礦回收錸：陰離子交換樹(shù)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(guò)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(lái)淋洗分離，同也有少量其他離子淋洗出來(lái)。（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(guò)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（?。虎诹芟磩┝魉伲ㄐ。虎蹣?shù)脂粒度（?。?；④溫度（高）；⑤柱形（?。┖椭龋ù螅?00:01:4200:00:00(3)分離實(shí)踐①設(shè)備：3個(gè)交換柱，第一個(gè)為吸附柱，其他2個(gè)為交換柱。②操作：樹(shù)脂的預(yù)處理（除雜質(zhì)）；樹(shù)脂轉(zhuǎn)型（將含氫離子的交換樹(shù)脂變?yōu)楹@離子的交換樹(shù)脂）；吸附柱負(fù)載稀土；分離柱飽和Cu2+-H+；淋洗；流出液處理和EDTA回收。③樹(shù)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(shù)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(shù)脂骨架空隙中或樹(shù)脂表面上；化學(xué)中毒：樹(shù)脂吸附了某些親和力很強(qiáng)的雜質(zhì)。物理中毒可采用和雜質(zhì)離子結(jié)合很強(qiáng)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(qiáng)的試劑處理以恢復(fù)其交換能力。如果都無(wú)效樹(shù)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(shù)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(tuán)，在與溶液中的離子接觸時(shí)，離子交換膜具有選擇透過(guò)性。（2）離子交換膜的工作原理：溶解時(shí)離子進(jìn)入溶液使膜帶