三离子交换分离法

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1、三、离子交换分离法三、离子交换分离法内内 容容（一）离子交换分离法概述（一）离子交换分离法概述（二）离子交换剂（二）离子交换剂（三）离子交换树脂的物理性能（三）离子交换树脂的物理性能（四）离子交换树脂的化学特性（四）离子交换树脂的化学特性（五）（五） 离子交换实验技术离子交换实验技术（六）（六） 应用应用（一）离子交换分离法概述（一）离子交换分离法概述1定义及原理定义及原理 定义定义离子交换分离法是利用离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应中的离子之间所发生的交换反应进行分离进行分离的方法。的方法。 原理原理离子交换分离法是离子交换分离法是基于物质在固

2、相与液相基于物质在固相与液相之间的分配之间的分配。2分离形式及特点分离形式及特点分离形式分离形式：柱分离，电渗析隔膜，离子交换纸：柱分离，电渗析隔膜，离子交换纸上色层，离子交换纤维薄层。上色层，离子交换纤维薄层。特点特点：吸附的选择性高，适应性强，处理对象：吸附的选择性高，适应性强，处理对象广，分离容易，使用设备简单。广，分离容易，使用设备简单。应用：应用：离子交换法离子交换法分离对象广分离对象广，几乎所有无机，几乎所有无机离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物都适用。适应工业生产大规模分离要求，也适都适用。适应工业生产大规模分离要求，也适合实验室超微

3、量物质的分离。合实验室超微量物质的分离。（二）离子交换剂（二）离子交换剂离子交换剂可分为离子交换剂可分为无机无机和和有机有机两大类，两大类，目前用的最多的是人工合成的有机高分目前用的最多的是人工合成的有机高分子聚合物的离子交换剂子聚合物的离子交换剂离子交换树离子交换树脂。脂。1离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构（1） 离子交换树脂的结构可分为离子交换树脂的结构可分为骨架（骨架（基体）基体） 以及以及离子交换功能团离子交换功能团，其中骨架是，其中骨架是立体网状结立体网状结构的高分子聚合物构的高分子聚合物。目前最常用的离子交换树。目前最常用的离子交换树脂是脂是苯乙烯苯乙烯二乙烯苯的聚合物二乙烯苯

4、的聚合物，示意图为：，示意图为：1离子交换树脂的结构离子交换树脂的结构（2）交联剂：交联剂：由于二乙烯苯的加入，致使长链的聚苯由于二乙烯苯的加入，致使长链的聚苯乙烯构成了乙烯构成了立体网状结构立体网状结构。因此，把二乙烯苯。因此，把二乙烯苯称为称为交联剂交联剂。交联度：交联度：交联剂在树脂单体总量中所占质量分数交联剂在树脂单体总量中所占质量分数称为称为交联度交联度。一般。一般交联度为交联度为414，常见为，常见为8。其中交联度的影响有其中交联度的影响有：（1）网状结构的紧密度）网状结构的紧密度 （2）孔径大小）孔径大小（3）交换速度）交换速度 （4）选择性）选择性2离子交换树脂的分类离子交换树

5、脂的分类（1） 按物理结构分类：按物理结构分类：凝胶型（凝胶型（孔径为孔径为5nm);大孔型大孔型（孔径为（孔径为20100nm); 按合成的树脂所用原料单体分类：按合成的树脂所用原料单体分类：苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、乙烯吡啶系。乙烯吡啶系。2离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类（2） 最常用的分类是最常用的分类是依据树脂离子交换功依据树脂离子交换功能团分能团分。主要可分为：。主要可分为： （1）强酸性强酸性阳阳离子交换树脂离子交换树脂 （2）弱酸性弱酸性阳阳离子交换树脂离子交换树脂 （3）强碱性强碱性阴阴离子交换树脂离子交换树脂 （4）弱碱性弱

6、碱性阴阴离子交换树脂离子交换树脂 类型类型结构结构活性机团活性机团使用使用pH值值商品号商品号强酸型强酸型交联的聚交联的聚苯乙烯苯乙烯SO3H（磺酸基）磺酸基）014国国产 #732Amberlite1R-120(美美)Dowex 50(美美)Zerolit225(英英)神胶神胶1号（日）号（日）弱酸型弱酸型聚丙烯酸聚丙烯酸COOH（羧基）羧基）OH（酚羟基）酚羟基）不能小不能小4不能小于不能小于9.5国国产 #724几种离子交换树脂几种离子交换树脂（1）几种离子交换树脂几种离子交换树脂（2） 类型类型 结构结构 活性基团活性基团 使用使用 pH值值 商品号商品号强碱型强碱型交联的交联的聚苯乙

7、烯聚苯乙烯N（CH3）3Cl（磺酸基）磺酸基）014国国产 #717国国产 #201Amberlite1RA-400（410）(美美)Dowex 50(美美)Zerolit225(英英)神胶神胶801（日）（日）弱碱型弱碱型交联的交联的聚苯乙烯聚苯乙烯NH（CH3）2OHNH2 （CH3）OH07国国产 #704和和# 330Amberlite1R-45（410）(美美)Dowex 3(美美)Zerolit H特殊作用的离子交特殊作用的离子交 换剂换剂 螯合树脂螯合树脂：含有：含有特殊的活性基团特殊的活性基团，可以，可以有选择性地与某些金属离子进行交换。如：有选择性地与某些金属离子进行交换。如

8、：国产国产 #401型是属于氨型是属于氨羧基基N（CH2COOH）2 大孔大孔树脂脂：比一般的：比一般的树脂有更多、更脂有更多、更大大的孔道的孔道,比表面比表面积大大，离子容易迁移，离子容易迁移扩散散,富集速度快富集速度快,耐氧化、耐磨、耐冷耐氧化、耐磨、耐冷热变化化等等,具有具有较高的高的稳定性。定性。特殊作用的离子交特殊作用的离子交 换剂换剂 萃淋萃淋树脂脂一种含有液一种含有液态萃取萃取剂的的树脂脂,如如TBP（磷酸三丁磷酸三丁酯）萃淋）萃淋树脂，脂，可用于可用于处理工理工业废水中的六价水中的六价铬离子离子等。等。 氧化还原树脂，纤维交换剂等。氧化还原树脂，纤维交换剂等。（三）（三） 离子

9、交换树脂的物理性能离子交换树脂的物理性能1粒度粒度 有效粒径有效粒径是指筛分树脂时，是指筛分树脂时，10%体积的树脂颗粒通过，而体积的树脂颗粒通过，而90%体积的树体积的树脂颗粒保留的筛孔直径。脂颗粒保留的筛孔直径。 均一系数均一系数是指能通过是指能通过60%体积树体积树脂的筛孔直径与能通过脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂体积的树脂的的筛孔直径之比筛孔直径之比。均一系数越。均一系数越接近接近1，表，表明树脂明树脂颗粒越均匀颗粒越均匀。在文献上常常见到。在文献上常常见到用筛目数表示树脂粒度。用筛目数表示树脂粒度。 2含水量含水量 定义定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到：树脂颗粒在水中吸收水分达

10、到平衡后用离心法在规定转速和时间内除去平衡后用离心法在规定转速和时间内除去外部水分，得到含平衡水的湿树脂，然后外部水分，得到含平衡水的湿树脂，然后105oC烘干，比较烘干前后的重量，即得烘干，比较烘干前后的重量，即得到平衡含量占湿树脂的重量百分数，这就到平衡含量占湿树脂的重量百分数，这就是是含水量含水量。 含水量的大小取决于亲水基团的多少含水量的大小取决于亲水基团的多少及树脂孔隙的大小及树脂孔隙的大小。对凝胶型树脂，交联。对凝胶型树脂，交联度对含水量的影响比较大。度对含水量的影响比较大。3密度密度真体积真体积V真真 质量质量为为w1的含有平衡水的湿树脂的含有平衡水的湿树脂加到水中，观加到水中，

11、观察排开水的量，即得到树脂的察排开水的量，即得到树脂的真体积真体积V真真。视体积视体积V视视 将含平衡水的树脂装入量筒，敲击振动使体积将含平衡水的树脂装入量筒，敲击振动使体积达极小，得树脂空间体积，即为达极小，得树脂空间体积，即为视体积视体积V视视。湿视密度湿视密度d视视：树脂的湿视密度树脂的湿视密度d视视=w1/ V视视 湿真密度：湿真密度： d视视=w1/ V真真4膨胀度及机械性能膨胀度及机械性能 干燥的树脂接触溶剂后的体积变化称为干燥的树脂接触溶剂后的体积变化称为绝绝对膨胀度对膨胀度；湿树脂从一种离子型态转变为另一；湿树脂从一种离子型态转变为另一种离子形态时的体积变化称为种离子形态时的体

12、积变化称为相对膨胀度相对膨胀度。 树脂膨胀与下列因素有关：树脂膨胀与下列因素有关：（1）可交换基因性质，易电离，水合程度高则可交换基因性质，易电离，水合程度高则膨胀程度高。膨胀程度高。（2）骨架，尤其与交联度，孔径有关骨架，尤其与交联度，孔径有关 。（3）外部溶液性质。外部溶液性质。机械性能机械性能：即保持树脂颗粒完整的能力。：即保持树脂颗粒完整的能力。（四）离子交换树脂的化学特性（四）离子交换树脂的化学特性1酸碱性酸碱性 离子交换树脂是聚电解质，其功能团释出离子交换树脂是聚电解质，其功能团释出H+或或OH能力的不同表示它们的酸碱性。图中能力的不同表示它们的酸碱性。图中表示各种类型树脂的滴定曲

13、线。不同类型离子交表示各种类型树脂的滴定曲线。不同类型离子交换树脂的换树脂的有效有效PH范围范围。2交换容量及化学稳定性交换容量及化学稳定性定义：定义：每克干树脂能交换离子的物质的量，每克干树脂能交换离子的物质的量，以以mmol（毫摩尔）为单位。毫摩尔）为单位。 总交换容量总交换容量或称全交换容量、极限交换容或称全交换容量、极限交换容量、最大交换容量。它是由树脂中量、最大交换容量。它是由树脂中功能基含功能基含量量所决定的。交换容量应注明树脂的离子形所决定的。交换容量应注明树脂的离子形态。态。如如RSO3H，交换容量为交换容量为5.2mmol/g（干干树脂），转化成树脂），转化成Na型即型即RS

14、O3Na，交换容量交换容量为为4.67mmol/g（干树脂）干树脂）2交换容量及化学稳定性交换容量及化学稳定性工作交换容量工作交换容量：指在一定工作条件下：指在一定工作条件下 树脂所能发挥的交换容量。树脂所能发挥的交换容量。化学稳定性：化学稳定性：主要指耐化学试剂、耐主要指耐化学试剂、耐 氧化、耐辐射的性能。氧化、耐辐射的性能。3交换容量的测定交换容量的测定 阳离子交换树脂交换容量的测定步骤：称取干阳离子交换树脂交换容量的测定步骤：称取干燥的氢型阳离子交摸树脂燥的氢型阳离子交摸树脂1g（准确至准确至0.001g），），置入置入250ml干燥的锥形瓶中，加入干燥的锥形瓶中，加入100.00ml.

15、 1 mol/LNaOH标准溶液，密闭，静置标准溶液，密闭，静置12h后后,移取上移取上清液清液25.00ml于锥形瓶中于锥形瓶中,加加2-3滴酚酞指示剂，用滴酚酞指示剂，用0.1mol/L的的HCl标准溶液滴定至酚酞变色为终点：标准溶液滴定至酚酞变色为终点：4例例 题题称取称取1.000g干燥干燥OH型阴离子交换树脂，置入干型阴离子交换树脂，置入干燥的锥形瓶中，加入燥的锥形瓶中，加入0.1242 mol/L HCl标准溶液标准溶液200.0ml，密闭，放置过夜。取上层清液密闭，放置过夜。取上层清液50.00ml，加入甲基橙指示剂数滴，用加入甲基橙指示剂数滴，用0.1010mol/LNaOH标

16、标准溶液滴定至呈橙红色，用去准溶液滴定至呈橙红色，用去NaOH溶液溶液48.00ml，该树脂交换容量是多少该树脂交换容量是多少?解：根据交换容量的概念及测定数据可得：解：根据交换容量的概念及测定数据可得：一般离子交换树脂的交换容量约为一般离子交换树脂的交换容量约为3 36 6mmol/gmmol/g5离子交换剂的交换反应离子交换剂的交换反应阳离子交换反应：阳离子交换反应：Resin-SO3H + Na+ = Resin-SO3 Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3 H + Na+阴离子交换反应：阴离子交换反应：Resin-N(CH3)+ 3OH+ Cl =

17、N(CH3) +3 Cl + OHResin-N(CH3) +3 Cl + OH = N(CH3) +3 OH + Cl 阳离子交换剂只与阳离子交换，阴离子交换剂只与阴阳离子交换剂只与阳离子交换，阴离子交换剂只与阴离子交换。离子交换。（五）离子交换实验技术（五）离子交换实验技术1树脂的选择及其处理树脂的选择及其处理树脂的选择见上表。树脂的处理：一般经过晾干；研磨；洗涤；溶胀的步骤。2装柱与装样交换装柱与装样交换装柱装柱：树脂洗至中性后借助水的重力使树脂自然：树脂洗至中性后借助水的重力使树脂自然沉积，沉积，避免夹杂气泡现象避免夹杂气泡现象。装样交换装样交换：装样前，柱要预饱和。：装样前，柱要预饱

18、和。3洗洗 脱脱 洗脱一般采取洗脱一般采取分步淋洗分步淋洗或或梯度淋洗梯度淋洗，其中，其中分步洗脱，是指先采用分步洗脱，是指先采用洗脱能力较弱洗脱能力较弱的溶液，的溶液，使使易易洗脱组分流出，然后依次使用洗脱组分流出，然后依次使用洗脱能力更洗脱能力更强强的溶液，洗脱较的溶液，洗脱较难难洗脱的组分。洗脱的组分。4树脂的再生树脂的再生树脂的再生树脂的再生（2）（六）应（六）应 用用有机玻璃离子交换装置有机玻璃离子交换装置FYFY组合型净水器，集诤化组合型净水器，集诤化杀菌为一体净水效果杀菌为一体净水效果 各种型号的净水装置1水的净化水的净化脱盐脱盐2含铬废水的处理含铬废水的处理3氨基酸的分离氨基酸

19、的分离 采用交换树脂为采用交换树脂为Dowo50,柱长柱长100cm，柱径柱径0.9cm，Na+型树脂淋洗剂采用型树脂淋洗剂采用pH值逐步提高的柠值逐步提高的柠檬酸钠缓冲液。檬酸钠缓冲液。 （其中（其中Asp天冬氨酸，天冬氨酸，Thr苏氨酸，苏氨酸，Ser丝氨酸，丝氨酸，Glu谷氨酸，谷氨酸，Pro脯氨酸，脯氨酸，Gly甘氨酸，甘氨酸，Ala丙氨酸，丙氨酸，Cys-Cys胱氨酸，胱氨酸，Val缬氨酸，缬氨酸，Met蛋氨酸，蛋氨酸，Ile异亮异亮氨酸，氨酸，Leu亮氨酸，亮氨酸，Tyr酪氨酸，酪氨酸，Phe苯丙氨酸，苯丙氨酸，His组氨酸，组氨酸，Lys赖氨酸，赖氨酸，Arg精氨酸。）精氨酸。）氨基酸分离的淋洗曲线氨基酸分离的淋洗曲线