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1、1,Faculty of Materials and Metallurgical Engineering Kunming University of Science and Technology,多媒体教学课程：冶金设备基础,昆明理工大学材料与冶金工程学院,任课教师：徐瑞东,第8章 离子交换 学习目的与要求掌握离子交换的概念，离子交换剂的结构，离子交换树脂的分类及性质、离子交换反应过程、离子交换势及规律。 了解离子交换工艺及典型设备。 掌握离子交换的应用和离子交换膜的原理及应用。,离子交换过程的基本知识,(1)离子交换的定义,利用离子交换剂与溶液的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行
2、分离的工艺过程。,天然沸石 人造沸石的磺化煤 离子交换树脂,(2)选用原料：,用于除杂、废水处理、离子转换以及分离和富集微量有价金属,(3)应用领域：,优点：设备简单、分离效率高、所用的离子交换树脂有再生能力，重复使用性能好。 缺点：工艺过程周期长，操作比较复杂。,(4)特 点：,8.1离子交换剂的结构和性质,高分子网状骨架(母体) 固定在骨架上不能自由移动的活性基团 与活性基团相连，可以离解的离子,7.1.1离子交换剂结构,7.1.2离子交换树脂的分类,(1)泡 胀 性：树脂活性基团上的离子遇水而膨胀。 (2)密度和含水量：表观密度、结合水分。 (3)粒 度：0.31.2mm。 (4)交 联
3、 度： 414%。 (5)交换容量：36mmol/g或12mmol/ml。,8.1.3离子交换树脂的性质,理论交换容量：树脂所含反离子全部发生交换时的交换容量。 工作交换容量：实际测得的交换容量。,表观密度:是指树脂在交换柱中的装填密度，数值上等于溶胀后树脂重量与这一重量树脂在水中表观体积的比值。常用树脂的表观密度在0.60.9之间。 含水量：树脂含有结合水分的含量，与树脂功能团性质和关联度有关。商品树脂大约含有50%水分。,粒度：颗粒越小表面积越大，交换速度越快，分离效果越好。但溶液阻力增大，流速减慢。,交联度：树脂合成时交联剂在原料总重量中所占的百分比。,交换容量： 单位质量干树脂或单位体
4、积湿树脂，所能交换的离子相当于一价离子物质的量。,部分国外离子交换树脂的主要性能,国产常用离子交换树脂的主要性能,8.2 离子交换的基本原理,8.2.1离子交换反应过程,强酸性阳离子交换树脂,强碱性阴离子交换树脂,1.在树脂颗粒表面进行 2.在树脂颗粒内部进行,溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜 离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置 进行交换反应 交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面 离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中,7.2.2离子交换势及规律,1.离子交换势的定义树脂对预交换离子的吸着(交换)能力，把这种吸着能力称为“势”。,2.离子交换势的规律,常温下稀溶液，阳离子交换势随离子电
5、荷增高而增大；相同电荷同族元素离子交换势随离子半径增大而增大。,Th4+Al3+Ca2+Na+ Rb+K+Na+Li+ Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+,强酸性阳离子交换树脂对不同金属离子交换势顺序： Ba2+Pb2+Ag+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Cs+Rb+UO22+K+NH4+Na+H+Li+ (3) 强碱性阴离子交换树脂对不同阴离子的交换势顺序：C6H5O73-SO42-C2O42-I-NO3-Br-Cl-CH3COO-OH-F- (4) 在高温、高浓度或非水溶液中，上述各类交换势差别将减小，甚至相反。 (5) 高分子量的有机离子、金属络阴离子、高
6、极化度的离子（如Ag+）具有很高交换势。 (6)在离子交换实践中，交换势高的离子易发生交换而被吸着，位于树脂层上部，交换势低的离子位于树脂的下部。离子交换势相差越大，它们在树脂相分层分布越明显。,思考题：选用一种强酸性阳离子交换树脂，写出它与稀溶液中Ag+ 、 Ba2+和Ni2+三种离子的交换顺利及交换反应。,思考题：选用一种强碱性阴离子交换树脂，写出它与某稀溶液中NO3- 、C6H5O73-、C2O42-和三种离子的交换顺利及交换反应。,7.2.3选择系数(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换,(2) 树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：,E1时，交换反应向右进行。 E1时，交换
7、反应向左进行。,离子交换平衡方程式,凸形：离子交换反应能向右进行，有利于交换，且被交换离子价数越高，曲线形状越凸； 凹形：交换反应向左进行。交换势的大小决定了平衡曲线的形状。,等价离子交换平衡曲线,离子交换平衡曲线：,一价、二价离子交换平衡曲线,8.3.1离子交换工艺1.树脂的选择原则在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。,强酸性阳离子树脂吸附金属阳离子强碱性阴离子树脂吸着
8、金属络阴离子。带有-SO3H基强酸性树脂吸附重金属阳离子强酸性树脂-弱碱性树脂-强酸性、强碱性混合树脂的联合床净化水螯合树脂吸附从碱金属离子中除去的过渡金属离子。,8.3. 离子交换工艺及设备,常 见 规 律,选 择 原 则,将交换液体与树脂一同放入容器中，借搅拌等方式使之充分接触，但两相不作相对运动。达到交换平衡时，用过滤、离心等方法将液体排放,从而达到液固分离的操作。,2.离子交换的操作方式,静态交换,周期式,动态交换,连续式,将树脂放在柱中不移动，交换液在柱中流经树脂层并发生交换。,移动床的离子交换：把交换、转移、再生和洗净集为一体的过程，分别在柱的不同部位同时进行。已饱和或失去交换能力
9、的树脂连续进入再生洗涤部分，洗脱后的新树脂同时又连续进入交换部位。树脂的运动靠活塞的运动完成。,交换 反洗 再生 正洗 洗净,固定床,移动床,8.3.2离子交换设备,设备特性及操作方式不同,固定床设备 连续床设备,设备主体结构类型,罐 型 槽 型 塔 型,移动床 流化床,(1) 固定床离子交换设备上、中和下三个布液装置:保证溶液沿交换柱截面的分布均匀，并能阻止树脂被带出, 柱内树脂层不超过2/3。树脂层上空约1.5m高，该空间通空气或充以水，用于树脂的松动、洗涤和分离。加料可采用重力式或压力式完成。,(2)移动床连续交换设备,(3)流化床离子交换设备,三种离子交换设备的特点对比,8.4离子交换
10、的应用,1.除去杂质,纯净的去离子水,去除工业盐酸中微量的Fe3+,2.离子转换,硬水软化处理,3.废水处理,用含磷、胺类萃取剂的萃淋树脂，脱除湿法冶金废水中的铜、锌、钒、汞、铁、铀以及一些有机物质。具有深度净化、效率高以及能综合回收等优点。,4.分离或富集微量有价值金属,利用离子交换层析法可有效分离性质相似金属离子。将待分离的离子全部交换到树脂层上，然后用一种含有比树脂吸着力更强的离子的淋洗液淋洗树脂，在洗脱过程中，几种离子按交换选择性顺序而展开。,离子交换纯水制备原理： R-H+Na+ R- Na+H+ R-OH+Cl- R- Cl +OH- H+ OH- H2O,思考题：写出纯净去离子水
11、的制备原理。,8.5离子交换膜的应用,1. 离子交换膜原理离子交换膜是将离子交换树脂制成很薄的膜，利用它对不同的离子具有选择性吸收，使离子选择性地透过膜达到分离的目的。阳离子交换膜-能阻止阴离子渗过而选择性透过阳离子的膜。阴离子交换膜-能阻止阳离子渗过而选择性透过阴离子的膜。,2.两性离子与非两性离子分离,ZnSO4与Na2SO4溶液的电渗分离,阳离子交换膜,阴离子交换膜,(1)制备浓溶液和稀溶液,加两种膜的电渗,一、离子交换过程的基本知识,本章小结,离子交换定义 选用原料 应用领域 特 点,二、离子交换剂的结构和性质,1.离子交换剂结构,高分子网状骨架(母体) 固定在骨架上不能自由移动的活性
12、基团 与活性基团相连，可以离解的离子,泡 胀 性 密度和含水量 粒 度 交 联 度 交换容量,2.离子交换剂性质,三、离子交换的基本原理,1.离子交换反应过程,溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜 离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置 进行交换反应 交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面 离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中,在树脂表面进行 在树脂内部进行,2. 离子交换势及规律,离子交换势的定义,离子交换势的规律,选择系数,(2) 树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：,(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换,四、离子交换工艺及设备1.树脂的选择原则在分离体积相差较大的离子时，树
13、脂网孔必须小于大离子的直径而又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。,2.离子交换的操作方式,静态交换,周期式,动态交换,连续式,固定床,3.离子交换设备,固定床离子交换设备 移动床连续交换设备 流化床离子交换设备,五、离子交换的应用,除去杂质 离子转换 废水处理 分离或富集微量有价值金属,六、离子交换膜,离子交换膜原理,制备浓溶液和稀溶液 两性离子与非两性离子的分离,离子交换膜的应用,1.阐述离子交换反应过程，并举例说明离子交换反应的原理？ 2.举例说明离子交换反应的应用？,思考题,
