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1、吸附分离材料及其应用吸附分离材料及其应用 1 1 引引 言言 物理分离法 物理分离法 气体扩散法气体扩散法 离心分离法离心分离法 电磁分离法电磁分离法 过滤分离法过滤分离法 热扩散法热扩散法 化学分离法 化学分离法 沉淀与共沉淀法沉淀与共沉淀法 溶剂萃取法溶剂萃取法 电化学分离法电化学分离法 吸附分离法吸附分离法 色层分离法色层分离法 蒸馏法蒸馏法 膜分离法膜分离法 区域熔融法区域熔融法 2 2 教学计划教学计划 第一节第一节 离子交换树脂离子交换树脂 6 6学时学时 第二节第二节 吸附树脂吸附树脂 6 6学时学时 第三节第三节 特殊树脂特殊树脂 3 3学时学时 第四节第四节 树脂分离工艺具体
2、实例树脂分离工艺具体实例 3 3学时学时 3 3 本课程学习目的 要求本课程学习目的 要求 1 1 掌握 掌握离子交换树脂离子交换树脂的组成 分类 命名的组成 分类 命名 性能及其应用范围和使用方法 性能及其应用范围和使用方法 2 2 掌握 掌握吸附树脂吸附树脂的特性 分类 用途 使的特性 分类 用途 使 用方法和树脂的筛选方法 用方法和树脂的筛选方法 3 3 了解螯合树脂 离子交换纤维等特殊树 了解螯合树脂 离子交换纤维等特殊树 脂的组成和适用范围 脂的组成和适用范围 4 4 参考文献参考文献 何炳林 黄文强主编 何炳林 黄文强主编 离子交换与吸附树脂 离子交换与吸附树脂 上海科技教育出版社
3、上海科技教育出版社 19951995年出版 年出版 钱庭宝 刘维琳 李金和主编 钱庭宝 刘维琳 李金和主编 吸附树脂及其吸附树脂及其 应用应用 化学工业出版社化学工业出版社 19901990年出版 年出版 钱庭宝 钱庭宝 离子交换剂应用技术离子交换剂应用技术 天津科学技术天津科学技术 出版社出版社 19841984年 年 王方编译 王方编译 离子交换应用技术离子交换应用技术 北京科学技北京科学技 术出版社术出版社 19901990年 年 5 5 第一节第一节 离子交换树脂离子交换树脂 6 6 内内 容容 1 1 离子交换树脂的组成 离子交换树脂的组成 2 2 离子交换树脂的基体 离子交换树脂的
4、基体 3 3 离子交换树脂的类型 离子交换树脂的类型 4 4 离子交换树脂的物理结构 离子交换树脂的物理结构 5 5 离子交换树脂的命名 离子交换树脂的命名 6 6 离子树脂交换容量 离子树脂交换容量 7 7 离子树脂交换动力学 离子树脂交换动力学 8 8 离子交换树脂的吸附选择性 离子交换树脂的吸附选择性 7 7 内内 容容 9 9 离子交换树脂的物理性质离子交换树脂的物理性质 1010 离子树脂的转型 离子树脂的转型 1111 离子交换树脂的预处理 离子交换树脂的预处理 1212 离子交换树脂的再生 离子交换树脂的再生 1313 离子交换树脂贮存 运输应注意的事项 离子交换树脂贮存 运输应
5、注意的事项 1414 树脂的污染 中毒与活化 树脂的污染 中毒与活化 1515 离子交换树脂的制备方法 离子交换树脂的制备方法 1616 离子交换树脂的应用 离子交换树脂的应用 8 8 1 1 离子交换树脂的组成离子交换树脂的组成 离子交换树脂是一种合成的有机离子交换离子交换树脂是一种合成的有机离子交换 剂 可与溶液中的离子发生交换作用 剂 可与溶液中的离子发生交换作用 离子交换树脂是一类带有功能基的网状结离子交换树脂是一类带有功能基的网状结 构的高分子化合物 其结构由构的高分子化合物 其结构由三部分三部分组成组成 不溶性的三维空间网状骨架不溶性的三维空间网状骨架 连接在骨架上的功能基团连接在
6、骨架上的功能基团 和功能基团所带的相反电荷的可交换离子和功能基团所带的相反电荷的可交换离子 9 9 例如 例如 强酸型阳离子交换树脂强酸型阳离子交换树脂 强酸型阳离子交换树脂的功能基团是强酸型阳离子交换树脂的功能基团是 SO SO 3 3 H H 它可解离出 它可解离出H H 而 而H H 可与周围的外来离可与周围的外来离 子互相子互相交换交换 功能基团是固定在网络骨架上 功能基团是固定在网络骨架上 的 不能自由移动 由它解离出的离子却能的 不能自由移动 由它解离出的离子却能 自由移动 并与周围的其他离子互相交换 自由移动 并与周围的其他离子互相交换 这种能自由移动的离子称为这种能自由移动的离
7、子称为可交换离子可交换离子 1010 强酸型阳离子交换树脂分子结构强酸型阳离子交换树脂分子结构 可以认为阳离子交换树脂相当于可以认为阳离子交换树脂相当于高分子多元酸高分子多元酸 1111 离子交换树脂不溶于水和一般溶剂 大多数离子交换树脂不溶于水和一般溶剂 大多数 制成制成颗粒状颗粒状 也有一些制成纤维状或粉状 也有一些制成纤维状或粉状 树脂颗粒的尺寸一般在树脂颗粒的尺寸一般在0 30 3 1 2mm 1 2mm 范围内范围内 大部分在 大部分在0 40 4 0 6mm0 6mm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 化学性质化学性质 也很稳定也很稳定 在正常情况下
8、有较长的使用寿命 在正常情况下有较长的使用寿命 1212 2 2 离子交换树脂的基体 离子交换树脂的基体 离子交换树脂都是用离子交换树脂都是用有机合成有机合成方法制成 方法制成 制造原料制造原料 主要有主要有苯乙烯苯乙烯和和丙烯酸丙烯酸 酯酯 两大类两大类 它们分别与它们分别与交联剂二乙烯苯交联剂二乙烯苯产生聚合反应产生聚合反应 形成具有长分子 形成具有长分子主链主链及交联及交联横链横链的的网络网络 骨架结构的聚合物 骨架结构的聚合物 1313 除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以除上述苯乙烯系和丙烯酸系这两大系列以 外 离子交换树脂还可由其他有机单体聚外 离子交换树脂还可由其他有机单体聚 合
9、制成 如合制成 如酚醛系酚醛系 FP FP 环氧系环氧系 EPA EPA 乙乙 烯吡啶系烯吡啶系 VP VP 脲醛系脲醛系 UA UA 等 等 常用的原料为常用的原料为苯乙烯苯乙烯或或丙烯酸丙烯酸 酯酯 通过聚 通过聚 合反应生成具有合反应生成具有三维空间立体网络结构三维空间立体网络结构的的 骨架 再在骨架上骨架 再在骨架上导入导入不同类型的化学活不同类型的化学活 性基团性基团 通常为通常为酸性酸性或或碱性碱性基团基团 而制成 而制成 1414 3 3 离子交换树脂的类型 离子交换树脂的类型 按交换基团的性质分类按交换基团的性质分类 强酸强酸性性阳离子交换树脂阳离子交换树脂 弱酸弱酸性性阳离子
10、交换树脂阳离子交换树脂 强碱强碱性性阴离子交换树脂阴离子交换树脂 弱碱弱碱性性阴离子交换树脂阴离子交换树脂 1515 3 1 3 1 强酸强酸性性阳离子交换树脂阳离子交换树脂 含有含有磺酸基 磺酸基 SO SO 3 3 H H 其中的其中的氢离子氢离子能与能与 溶液中的溶液中的金属离子或其他阳离子金属离子或其他阳离子进行交换 其进行交换 其 结构式可简单表示为结构式可简单表示为R SOR SO 3 3 H H 式中 式中R R代表树代表树 脂母体 其交换原理为脂母体 其交换原理为 2R SO2R SO 3 3 H H CaCa2 2 R SOR SO 3 3 2 2 CaCa 2H2H 2R
11、SO2R SO 3 3 H H MgMg2 2 R SOR SO 3 3 2 2 MgMg 2H2H 这也是这也是硬水软化硬水软化的原理的原理 1616 3 2 3 2 弱酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂 含弱酸性基团含弱酸性基团 如如 羧基羧基 COOHCOOH 能在水中离解出能在水中离解出H H 而呈酸性 树脂离解后余下而呈酸性 树脂离解后余下 的负电基团 如的负电基团 如R COOR COO R R为碳氢基团为碳氢基团 能与 能与 溶液中的溶液中的其他阳离子吸附结合其他阳离子吸附结合 从而产生阳离子 从而产生阳离子 交换作用 交换作用 RCOOH RCOOH RCOO RCOO H H 1
12、717 3 2 3 2 弱酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂 这种树脂的酸性即这种树脂的酸性即离解性较弱离解性较弱 在低 在低pHpH下下 难以离解和进行离子交换 只能在难以离解和进行离子交换 只能在碱性碱性 中性中性或或微酸性微酸性溶液中溶液中 如如pH5pH5 14 14 起作用 起作用 1818 3 3 3 3 强碱性阴离子树脂强碱性阴离子树脂 含有强碱性基团含有强碱性基团 如 如 季胺基季胺基 亦称四级胺基亦称四级胺基 NRNR 3 3 OHOH 能在水中离解出能在水中离解出OHOH 而呈强碱性 而呈强碱性 这种树脂的正电基团能与溶液中的这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附阴离子吸附
13、结合结合 从而产生阴离子交换作用 从而产生阴离子交换作用 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下都能正下都能正 常工作 常工作 1919 3 4 3 4 弱碱性阴离子树脂弱碱性阴离子树脂 含有弱碱性基团含有弱碱性基团 如 如 伯胺基伯胺基 亦称一级胺基亦称一级胺基 NH NH 2 2 仲胺基仲胺基 二级胺基二级胺基 NHR NHR 叔胺基叔胺基 三级胺基三级胺基 NR NR 2 2 它们在水中能离解出它们在水中能离解出OHOH 而呈弱碱性 而呈弱碱性 2020 3 4 3 4 弱碱性阴离子树脂弱碱性阴离子树脂 这种树脂的这种树脂的正电基团正电基团能与溶液中的能与溶液
14、中的阴离子阴离子 吸附结合吸附结合 从而产生阴离子交换作用 从而产生阴离子交换作用 这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个 其他其他酸分子吸附酸分子吸附 它只能在 它只能在中性中性或或酸性酸性条条 件件 如如pH1pH1 9 9 下工作 下工作 2121 4 4 离子交换树脂的物理结构 离子交换树脂的物理结构 按其物理结构的不同 可将离子交换树脂按其物理结构的不同 可将离子交换树脂 分为分为凝胶型凝胶型 大孔型大孔型和和载体型载体型三类 三类 不同物理结构离子交换树脂的模型 2222 4 1 4 1 凝胶型离子交换树脂凝胶型离子交换树脂 凡外观凡外观透明透明
15、具有 具有均相高分子均相高分子凝胶结构的离凝胶结构的离 子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂 子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂 这类树脂这类树脂表面光滑表面光滑 球粒内部 球粒内部没有大的毛细没有大的毛细 孔孔 在水中会在水中会溶胀溶胀成凝胶状 并呈现成凝胶状 并呈现大分子链的大分子链的 间隙孔间隙孔 2323 凝胶型阳离子交换树脂的实物图凝胶型阳离子交换树脂的实物图 2424 4 1 4 1 凝胶型离子交换树脂凝胶型离子交换树脂 均相均相凝胶凝胶结构结构 2525 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图 2626 4 1 4 1 凝胶型离子交换树脂凝胶型离子交换树脂
16、 大分子链之间的间隙约为大分子链之间的间隙约为2 2 4nm4nm 一般无机小分 一般无机小分 子的半径在子的半径在1nm1nm以下 因此可以下 因此可自由自由地通过离子交换地通过离子交换 树脂内大分子链的间隙 树脂内大分子链的间隙 在无水状态下 凝胶型离子交换树脂的分子链在无水状态下 凝胶型离子交换树脂的分子链紧紧 缩缩 体积缩小 无机小分子 体积缩小 无机小分子无法通过无法通过 所以 这类离子交换树脂在所以 这类离子交换树脂在干燥条件干燥条件下或下或油类油类中中 将丧失离子交换功能 将丧失离子交换功能 2727 4 2 4 2 大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂 针对针对凝胶型凝胶型离子交换树脂的缺点 研制了离子交换树脂的缺点 研制了 大孔型大孔型离子交换树脂 离子交换树脂 大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂外观不透明外观不透明 表面粗表面粗 糙糙 为 为非均相非均相凝胶结构 凝胶结构 2828 2929 4 2 4 2 大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂 非均相非均相凝胶结构凝胶结构 3030 4 2 4 2 大孔型离子交换树脂大孔型离子交换树脂 即使在即使在干燥干燥状态
