制药分离工程第十章 离 子 交 换

CompanyLOGO第十章离子交换IonExchange通过本章学习应掌握以下内容： 什么是离子交换？ 离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？ 离子交换的机理是什么？ 基本的离子交换操作是怎样的？第一节概述一、离子交换法离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换的一种特殊吸附现象。与其它吸附过程相比： 主要吸附水中离子态物质； 交换剂上的离子和水中离子进行“等当量”的交换。第一节概述二、发展 1805年英国科学家发现了土壤中Ca2+和NH4+的交换现象； 1876年Lemberg揭示了离子交换的可逆性和化学计量关系； 1935年人工合成了离子交换树脂； 1940年应用于工业生产； 1951年我国开始合成树脂。第一节概述(一)给水处理硬水软化、脱盐。纯水、高纯水的制备。(二)废水处理废水中金属离子：Zn2+、Cu2+、Cr6+、Cr3+(三)工业生产产品的提纯三、应用第一节概述1去除率高，净化效果好；2可做到污染物的回收利用；3对废水的预处理要求较高；4树脂再生液需要进一步处置。四、特点第二节离子交换树脂固体球形颗粒，多孔网状结构；不溶于水；具有离子交换特性的有机高分子聚电解质。一、离子交换树脂(一)组成第二节离子交换树脂(二)树脂分类 按选择性 按结构图中以波形线条代表树脂的骨架，活性基团磺酸基（—SO3H）。聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂R代表树脂的骨架，与Na+发生交换交换过程：洗脱或再生离子交换树脂可简写为：R-H树脂的网络骨架*二、离子交换树脂的种类离子交换树脂阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂特殊的离子交换树脂1、阳离子交换树脂交换基是酸性基团,它的H+能交换阳离子的树脂为阳离子交换树脂。据交换基团酸性的强弱，分为强酸性，弱酸性。OH强酸性中等酸性弱酸性(1)强酸性阳离子交换树脂含有强酸性活泼基团-SO3H,可分为聚苯乙烯型和酚醛型。特点： 淡黄色球状颗粒； 化学稳定性好，耐磨性好； 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； 交换反应速度快； 无机、有机阴离子均可交换。强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂（2）弱酸性阳离子交换树脂含有弱酸性活泼基团，如：-COOH、-OH等。此类树脂的交换能力受酸度的影响较大。磺酸型阳离子交换树脂与钠离子的交换反应:R—SO3H+Na+＝R-SO3Na+H+式中R代表树脂的骨架交换基是碱性基团，能交换阴离子的树脂。2、阴离子交换树脂（1）强碱性阴离子交换树脂具有强碱性的活泼基团：-CH2N(CH3)3+Cl-特性： 淡黄色的球状颗粒； 对强酸根和弱酸根都能交换； 对酸碱氧化剂及某些有机溶剂都比较稳定； 在酸性、碱性溶液中都能使用，交换容量不受溶液中pH值影响。（2）弱碱性阴离子交换树脂具有弱碱性的活泼基团：-CH2NH3+Cl--CH2NH2(CH3)+Cl--CH2NH(CH3)2+Cl-此类树脂的交换能力受酸度的影响较大。大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂3、特殊的离子交换树脂螯合树脂：特点：高选择性和高稳定性。稳定性是由于它与金属离子形成了内络盐的缘故，选择性主要决定于树脂中螯合基的结构。分类：螯合树脂按其含有的官能团区分，大致分为亚氨二乙酸型树脂，偶氮、偶氮胂、8-羟基喹啉类树脂、水杨酸树脂、葡萄糖型树脂等。具有高选择性的离子交换树脂选择性好，可用于阴、阳离子的分离。微孔树脂（凝胶型树脂）：网孔2-4nm，比表面一般为2-120m2/g。大孔径树脂（大网树脂）：网孔20-120nm，比表面一般为0.1m2/g。有较好的机械性能。大孔径树脂二、树脂的特性第二节离子交换树脂(一)外观 形状：透明或半透明的球状珠体。 颜色：白、浅黄、赤褐色。(二)含水率树脂孔隙内所含的水分，一般在40%～69%。 与树脂的胶联度有关，交联度低，空隙率高，含水率高。(三)密度 干真密度：干燥状态下，树脂 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 本身具有的密度。 湿真密度：在水中充分溶胀后湿树脂本身的密度。 表观密度：树脂在水中充分溶胀后的堆积密度(视密度)。单位均为mg/L.第二节离子交换树脂(四)交联度交联度为树脂合成时交联剂的用量，一般为7%~10%。 交联度越高，孔隙度越低，密度越大，对半径较大的离子和水合离子扩散速度越低，交换量越小。 在水中浸泡，形变小，较稳定。(五)溶胀性吸水后体积增大的现象。溶胀程度用溶胀率表示： 溶胀的原因水扩散到树脂交联网孔发生溶胀；活性基团离解形成水合离子。 影响因素树脂交联度：交联度越大，溶胀率越低。活性基团：离解程度越大，溶胀率越大；可交换离子：水合半径越大，溶胀率越高。第二节离子交换树脂第二节离子交换树脂(六)交换容量单位体积湿树脂(容量表示法)或单位重量干树脂(重量表示法)可发生交换的活性基团数量。容量表示法EV：mmol/ml、mol/l。重量表示法EW：mmol/g、mol/kg。EV=EW×[湿比重×(1-含水率)] 全交换容量：单位体积或重量树脂中含可交换基团的总数。 工作交换容量：在动态工作条件下，当出水水质达到交换终点时，树脂层达到的平均交换容量。第二节离子交换树脂三、树脂的选择 根据处理对象选择对应类型的树脂。 注意离子在水中的存在状态，如Cr6+在废水中的存在形式为CrO42-或Cr2O72-。离子交换树脂的选择、保存、使用和鉴别 树脂选择选择树脂时应综合考虑原水水质、处理要求、交换 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 以及投资和运行费用等因素。 树脂保存树脂宜在0～40℃下存放，通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂以游离胺型保存。 树脂使用树脂在使用前应进行适当的预处理，以除去杂质。最好分别用水、5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次4～8h。一、道南理论1、树脂在水中溶胀后，树脂表面和外界溶液之间的界面可以看成是一个半透膜，膜的一边是树脂相，膜的另一边是液相。2、树脂网状上的固定离子不能透过膜，而平衡离子则可以通过膜进行扩散。3、由于树脂中的固定离子的存在，使能通过膜的可交换离子在膜的两边处于不均匀的平衡状态。第三节离子交换原理聚苯乙烯型磺酸基Na型阳离子交换树脂，树脂的骨架为聚苯乙烯聚合的长碳链由二乙烯苯交联起来的网状结构，活性基团是磺酸基阳离子（—SO3Na），固定离子：—SO3-，平衡离子：Na+[Na+]内[Cl-]内＝[Na+]外[Cl-]外……①[Na+]外＝[Cl-]外[Na+]内＝[Cl-]内+[R-]内……②②代入①得：[Cl-]外2＝[Cl-]内2+[Cl-]内[R-]内……③[Cl-]外≫[Cl-]内[Na+]内≫[Na+]外第三节离子交换原理二、离子交换反应b(R—A)a++aBb+⇌a(R—B)b++bAa+特点： 符合质量作用定律; 等当量进行的同性离子的互换反应; 具有饱和性; 树脂母体和固定离子不发生变化。如果在交换柱上交换，随着溶液下移，这种交换不断进行，直到溶液中的阳离子全部交换完毕为止。此时再向交换柱的顶端注入合适的洗提液时，则洗提液将树脂上己吸附的阳离子再交换到溶液中。当这部分溶液与下层树脂相接触时，又会与树脂发生交换．溶液中吸附能力强的阳离子把树脂上吸附能力弱的阳离子交换出来。如此反复进行，于是阳离子的移动速度有了差别，吸附能力弱的离子优先随洗提液流出，而吸附能力强的离子则后流出，这就构成了离子交换色谱分离的基础。第三节离子交换原理三、离子交换平衡b(R—A)a++aBb+⇌a(R—B)b++bAa+有：式中：f为活度系数。_1097731379.unknown_1097731879.unknown某氢型阳离子交换树脂，与溶液中阳离子发生交换反应，即：nR-H+Mn+=Rn-M+nH+交换达到平衡：[M]r、[H]r—平衡时，Mn+、H+在树脂相中浓度（mmol/g)[M]s、[H]s—平衡时，Mn+、H+在水溶液中浓度（mmol/mL)第三节离子交换原理三、离子交换选择性*在一定条件下，平衡常数K值的大小表示树脂对Mn+的吸附能力的强弱，即树脂对离子亲和力的大小。:表示树脂对Mn+的亲和力大于树脂对H+的亲和力；即Mn+比较牢固的结合在树脂上。:表示树脂对Mn+的亲和力小于树脂对H+的亲和力；即H+比较牢固的结合在树脂上。:树脂对Mn+和H+的亲和力相同。若溶液中各种离子的浓度相同，则亲和力大的离子先被交换上去，亲和力小的后被交换上去。若选用适宜的洗提液洗脱时，则后被交换上去的离子先洗脱下来，从而使各种离子彼此分离。金属离子Mn+对离子交换树脂的选择系数。表示同一种离子交换树脂对不同离子的吸附选择性，不同类型树脂的K值不同。也可用来表示两种离子对树脂亲和力的差别影响离子交换的选择性1在常温、稀溶液中 离子价数越高，与固定离子的静电引力越大，越优先交换。Cr3+＞Ca2+＞Na+PO43+＞SO42-＞Cl- 同价离子原子序数越大，与固定离子的静电引力越大；稀土元素相反。2在高浓度的溶液中由于离子的水化作用不充分，水合离子的半径接近离子半径，原子序数越大，离子半径增大，离子表面电荷密度相对减小，与固定离子的静电引力越小。第三节离子交换原理3树脂的结构和性质 树脂的交联度：交联度越高，选择性增加 强酸(碱)、弱酸碱树脂的交换4溶液的温度和pH 温度升高，K值增大，离子和固定基团交换势增大。 pH值：影响某些离子的存在状态，Cr2O72-+OH-=2CrO42-+H+影响弱酸、碱树脂固定基团的电离。第三节离子交换原理树脂颗粒水膜BB(1)(2)(3)(A)(4)(5)(6)A外扩散薄膜扩散内扩散四、交换动力学简述(一)交换过程第三节离子交换原理（1）外扩散：溶液中的离子扩散到树脂表面；（2）内扩散：待交换离子在树脂相内部扩散；（3）离子进行交换；（4）交换下的离子，经内扩散，到达树脂的表面；（5）被交换下的离子，穿过膜，扩散到溶液中。(二)影响交换速度的因素1薄膜扩散 离子浓度溶液离子浓度低，树脂交换容量大时，薄膜扩散受阻。溶液离子浓度过高，树脂易发生收缩现象，内扩散受阻。 水流速度水流速度增加，水膜变薄，薄膜扩散加快。 树脂颗粒的大小树脂颗粒小，比表面积增加，利于薄膜扩散。第三节离子交换原理2内扩散 离子电荷离子电荷越大，扩散系数越小，不利于内扩散。 树脂交联度交联度越低，树脂网孔越大，有利于离子的内扩散。 离子的水化度离子水化程度大，水合离子半径越大，不利于离子的内扩散。第三节离子交换原理第三节离子交换原理五、离子交换树脂的选择必须考虑被分离物质带何种电荷及其电性强弱、分子的大小与数量，同时还要考虑环境中存在哪些其它离子和它们的性质。1、树脂型号的选择（1）某种阳离子与共存阴离子的分离选择强碱性阴离子交换树脂；（2）某种阳离子与共存阳离子的分离可选用强酸性阳离子交换树脂；可选择阴离子交换树脂。（3）某种阴离子与共存阳离子的分离可选用强酸性阳离子交换树脂。一般应用较多：聚苯乙烯型的强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。2、树脂粒度的选择制备分离：50~100目 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 分离：80~100目离子交换色谱柱：100~200目3、树脂交联度阳离子交换树脂的交联度为8%，阴离子交换树脂的交联度为4%。第四节离子交换工艺及设备二、动态交换(一)装置类型 固定床系统单床、复床、混合床 移动床和流化床一、离子交换操作方式 静态交换工业上（间歇式工艺）：交换罐。实验室中：烧杯。 动态交换第四节离子交换工艺及设备(二)工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 及操作过程 工艺流程 运行过程去除阳离子、阴离子第五节应用一水处理大量的离子交换树脂被用于水的净化处理，据统计，约70％的离子交换树脂用于此目的。目前，虽也有其它的水处理的方法，但离子交换法仍是一种简便有效的方法。水的净化处理在工业生产、科学研究中是经常遇到的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。最普通的是锅炉用水的软化。天然水中含有悬浮杂质(如泥沙等)、细菌，还有一些无机盐类。所谓水的硬度主要是指水中含有的钙盐和镁盐。天然水中不仅含有Ca2+，Mg2+、Na+等阳离子．也含有HCO3-,．SO42-，Cl-等阴离子，而且它们形成的CaSO4，CaCO3等将形成锅垢．给锅炉的运行带来严重影响．因而这些离子必须从水中事先除去。第五节应用二水的软化和除盐(一)水质软化1Na离子交换软化系统2R—Na+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2NaHCO32R—Na+CaSO4=R2—Ca+Na2SO42R—Na+MgCl2=R2—Mg+2NaCl2第五节应用2强酸性H离子交换脱碱软化系统2R—H+Ca(HCO3)2=R2—Ca+2CO2+2H2O2R—H+CaCl2=R2—Ca+2HCl2R—H+NaCl=R—Na+2HCl生成的CO2用CO2去除装置去除，HCl加碱中和。第五节应用(二)水的除盐工艺流程：强酸RH+脱除CO2+强碱ROH_1256419473.unknown_1256419523.unknown第五节应用三离子交换处理工业废水(一)处理废水注意的问题 预处理悬浮物或油类浓度大于5～10mg/L时，采用过滤或吸附法。 有机污染和重金属污染采用大孔树脂；再生时适当加入氧化剂；选用高浓度再生剂。 pH值不同性质树脂使用；废水中污染物的存在状态。 水温提高离子内扩散和薄膜扩散速度；过高可引起树脂降解。第五节应用(二)离子交换处理电镀含铬废水1废水的来源及水质特征镀件酸洗清洗镀槽清洗成品废酸液酸性水废镀液含铬废水废电镀液：产生量少，浓度高。含铬废水：产生量多，浓度低，水质情况为：Cr6+浓度为20～150mg/L，存在形式Cr2O72-和CrO42-。金属离子Cr3+、Fe3+等；阴离子有SO42-、Cl-等；pH4～6。2工艺流程及原理第五节应用3再生阳柱Rn(Cr、Fe)＋nH+=nRH＋(Cr3+、Fe3+)阴柱Rn(Cr2O7、CrO4、SO4、Cl)＋nOH-=nROH＋(Cr2O72-、CrO42-、SO42-、Cl-)4铬回收饱和后阴柱再生液为Na2CrO4设一阳离子交换柱：2RH+Na2CrO4=H2CrO4+2RNa本章作业 P279第一、四、五题 常用的离子交换树脂类型有哪些？ 影响离子交换速度的因素有哪些？ 离子交换的机理是什么？ 基本的离子交换操作是怎样的？**