第四章离子交换基本知识

1、第四章第四章 离子交换的基本知识离子交换的基本知识 离子交换离子交换 v某些物质遇到溶液时，可将其本身具有的离某些物质遇到溶液时，可将其本身具有的离 子和溶液中子和溶液中符号相同的离子符号相同的离子发生相互交换的发生相互交换的 现象，称离子交换。现象，称离子交换。 v如：如：2RNa+Ca 2+R2Ca+2Na+ 第一节第一节 离子交换树脂的基本知识离子交换树脂的基本知识 一、制造一、制造 1.1.苯乙烯系离子交换树脂苯乙烯系离子交换树脂 单体：苯乙烯单体：苯乙烯 交联剂：二乙烯苯交联剂：二乙烯苯 %100%100 苯乙烯二乙烯苯 二乙烯苯的质量 树脂的重量 树脂内交联剂含量 交联度交联度DV

2、B =DVB = 7 712%12% (1)(1)磺酸型阳离子交换树脂：磺酸型阳离子交换树脂： 白球用浓硫酸处理，引入磺酸基团白球用浓硫酸处理，引入磺酸基团-SO-SO3 3 H H -SO-SO3 3 H H能电离出 能电离出H H+ + ，具有强酸性。，具有强酸性。 (2)胺型阴离子交换树脂胺型阴离子交换树脂 用氯甲醚处理白球，在苯环上引入氯甲基，得中间产物用氯甲醚处理白球，在苯环上引入氯甲基，得中间产物 再对中间产物进行胺化，得胺型阴树脂再对中间产物进行胺化，得胺型阴树脂 胺化合物 v伯胺伯胺NHNH3 3或或NHNH4 4+ +中一个中一个H H被烃基取代被烃基取代 R-NHR-NH2

3、 2或或R-NHR-NH3 3ClCl v仲胺仲胺NHNH3 3或或NHNH4 4+ +中两个中两个H H被烃基取代被烃基取代 R=NHR=NH或或R=NHR=NH2 2ClCl v叔胺叔胺NHNH3 3或或NHNH4 4+ +中三个中三个H H被烃基取代被烃基取代 R RNN或或RNHClRNHCl v季铵季铵NHNH4 4+ +中四个中四个H H全被烃基取代全被烃基取代 R RNClNCl v如用叔胺和中间产物如用叔胺和中间产物 起反应，得起反应，得 到季铵型强碱阴离子交换树脂到季铵型强碱阴离子交换树脂 型型 三甲胺三甲胺 (CH (CH3 3) )3 3N N 胺化胺化 型型 二甲基乙醇

4、基胺二甲基乙醇基胺 (CH (CH3 3) )2 2NCNC2 2H H4 4OH OH 胺化胺化 v如用仲胺或伯胺和中间产物起反应，生成弱碱性阴树脂如用仲胺或伯胺和中间产物起反应，生成弱碱性阴树脂 2.丙烯酸系丙烯酸系 v单体：丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯单体：丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯 CH3 CH2=C COOCH3 v交联剂：二乙烯苯交联剂：二乙烯苯 (1)丙烯酸系阳树脂丙烯酸系阳树脂 制成或水解后制成丙烯酸系阳制成或水解后制成丙烯酸系阳 树脂，为弱酸性阳离子交换树脂树脂，为弱酸性阳离子交换树脂 (2)丙烯酸系阴树脂丙烯酸系阴树脂 用多胺进行胺化，

5、得丙烯酸系阴离子交换树脂用多胺进行胺化，得丙烯酸系阴离子交换树脂 如：RCONH-(CH2)2-NH-(CH2)2-NH2 二、离子交换树脂的结构二、离子交换树脂的结构 v以以R-SO3 H为例为例 单体单体 树脂母体树脂母体骨架骨架 交联剂：二乙烯交联剂：二乙烯 苯苯 v离子交换树脂离子交换树脂 交换基团交换基团 固定部分固定部分 活动部分活动部分可交换离子可交换离子 v阳树脂阳树脂RH、RNa 阴树脂阴树脂ROH、RCl vRH 强酸性阳树脂强酸性阳树脂 R-SO3H 弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂 R-COOH ROH 强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RNOH、 弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂R-NHR-

6、NH3 3OH、R=NHR=NH2 2OH、R RNHNHOH 三、离子交换树脂的结构类型三、离子交换树脂的结构类型 v1.凝胶型树脂：平均孔径凝胶型树脂：平均孔径 12 nm 缺点：机械强度和抗氧化性较差，易受有机缺点：机械强度和抗氧化性较差，易受有机 物污染，反应速度慢物污染，反应速度慢 v2.大孔型树脂：孔径大孔型树脂：孔径 20100 nm 优点：机械强度高，抗污染能力，抗氧化性好优点：机械强度高，抗污染能力，抗氧化性好 缺点：树脂的交换容量低，再生时，再生剂耗量缺点：树脂的交换容量低，再生时，再生剂耗量 大，价格较高大，价格较高 第二代大孔树脂：第二代大孔树脂： 工作交换容量与凝胶型

7、树脂相似，性能更优工作交换容量与凝胶型树脂相似，性能更优 v3.均孔型强碱型阴树脂均孔型强碱型阴树脂 四、离子交换树脂的型号和命名四、离子交换树脂的型号和命名 v凝胶型离子交换树脂的型号凝胶型离子交换树脂的型号 用三位阿拉伯数字表示，联接符号后第四用三位阿拉伯数字表示，联接符号后第四 位阿拉伯数字表示交联度值位阿拉伯数字表示交联度值 v0017 v2017 ( (凝胶型凝胶型) )强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 ，交联度为，交联度为7%7% ( (凝胶型凝胶型) )强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂 ，交联度为，交联度为7%7% 大孔型离子交换树

8、脂的型号大孔型离子交换树脂的型号 vD nD111 nD311 大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂大孔型弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂 大孔型弱碱性丙烯酸系阴离子交换树脂大孔型弱碱性丙烯酸系阴离子交换树脂 第二节第二节 离子交换树脂的物理和化学性离子交换树脂的物理和化学性 能能 一、离子交换树脂的物理性能一、离子交换树脂的物理性能 1.外观外观 (1)颜色颜色 (2)形状：球形形状：球形 (3)粒度：粒度：0.30.84mm 2.密度密度 (1)干真密度：干燥状态下树脂本身的密度干真密度：干燥状态下树脂本身的密度 干真 干真=1.6 (2)湿真密度：经充分膨胀后树脂颗粒的密度，包括孔眼中湿真密度

9、：经充分膨胀后树脂颗粒的密度，包括孔眼中 的水分，不包括颗粒间的水分的水分，不包括颗粒间的水分 湿真 湿真=1.041.3， ， 阳 阳 阴 阴 影响树脂的反洗强度及混合床中阴阳树脂的选用影响树脂的反洗强度及混合床中阴阳树脂的选用 (3)湿视密度：充分膨胀后树脂的堆积密度湿视密度：充分膨胀后树脂的堆积密度 计算交换器中树脂的重量计算交换器中树脂的重量 湿视 湿视=0.60.85 3.含水率：含水率：50%左右左右 4.溶胀性：干树脂浸入水中或树脂发生转型时，溶胀性：干树脂浸入水中或树脂发生转型时， 体积变化的现象。体积变化的现象。 强酸性阳树脂强酸性阳树脂 RNaRH，体积增加，体积增加5%8

10、% 强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RClROH，体积增加，体积增加15% 20% 弱型树脂转型时，体积变化更剧烈弱型树脂转型时，体积变化更剧烈 5.耐热性耐热性 阳树脂阳树脂100 阴树脂阴树脂60 盐型更耐热盐型更耐热 二、化学性能二、化学性能 v1. 交换反应的可逆性交换反应的可逆性 RH+Na + RNa+H+ 可以无限多次重复使用可以无限多次重复使用 v2.酸、碱性酸、碱性 强酸性阳树脂强酸性阳树脂 R-SO3H 工作范围工作范围: pH= 114 弱酸性阳树脂弱酸性阳树脂 R-COOH pH= 514 强碱性阴树脂强碱性阴树脂 RNOH pH= 112 弱碱性阴树脂弱碱性阴树脂R=NHR

11、=NH2 2OH pH= 19 3.树脂的选择性树脂的选择性 v强酸性阳树脂在稀溶液中：强酸性阳树脂在稀溶液中： Fe3+Al3+ Ca2+Mg2+ K + NH4+ Na+ H + 规律：电荷越多，越易吸附规律：电荷越多，越易吸附 相同电荷，原子序数越大越易吸附相同电荷，原子序数越大越易吸附 v弱酸性阳树脂：弱酸性阳树脂： H + Fe3+Al3+ Ca2+Mg2+ K + NH4+ Na+ v强碱性阴树脂在稀酸溶液中：强碱性阴树脂在稀酸溶液中： SO4 2-NO3 -Cl - OH - F - HCO3- HSiO3- v弱碱性阴树脂：弱碱性阴树脂： OH - SO4 2- NO3 - C

12、l - HCO3 - 4.树脂的交换特性树脂的交换特性 v（1）弱酸性阳离子交换树脂）弱酸性阳离子交换树脂 RCOOH + NaCl RCOONa + HClRCOOH + NaCl RCOONa + HCl 反应不能发生反应不能发生 n（2）强酸性阳离子交换树脂）强酸性阳离子交换树脂 交换容量大，易于再生交换容量大，易于再生 v（3）弱碱性阴离子交换树脂）弱碱性阴离子交换树脂 n（4）强碱性阴离子交换树脂）强碱性阴离子交换树脂 R-NH3OH + HCl R-NH3Cl + H2O 反应不完全反应不完全 部分水解部分水解 R-NH3OH + H2SiO3 R-NH3HSiO3 + H2O 反

13、应不能发生反应不能发生 完全水解完全水解 交换容量大，易于再生，抗有机物污染交换容量大，易于再生，抗有机物污染 RNOH + HCl RNCl + H2O 反应完全反应完全 RNOH + H2SO4 RN HSO4 + H2O RNOH + H2CO3 RNHCO3 + H2O 反应不完全反应不完全 RNOH + H2SiO3 RNHSiO3 + H2O 部分水解部分水解 规律： v强型树脂既可以和对应的强酸弱酸或强碱弱强型树脂既可以和对应的强酸弱酸或强碱弱 碱发生中和反应，也可以分解中性盐类碱发生中和反应，也可以分解中性盐类 v弱酸性阳树脂只能去除与弱酸性阳树脂只能去除与HCO3-等弱酸根离

14、等弱酸根离 子结合的阳离子子结合的阳离子 v弱碱性阴树脂只能和强酸发生中和反应弱碱性阴树脂只能和强酸发生中和反应 5.树脂的交换容量树脂的交换容量(Exchange Capacity) 表示树脂交换能力大小的指标。表示树脂交换能力大小的指标。 v质量表示法质量表示法 单位：单位：mmol/g( ) v体积表示法体积表示法 单位：单位：mol/L( )，或，或mol/m3( ) (1)全交换容量全交换容量 所有活性基团的总量所有活性基团的总量 (2)工作交换容量工作交换容量 n I n 1 n I n 1 面积ABDE(C进C出)Q 树脂 出进 V TQCC E h G )( n I n 1 影

15、响工作交换容量的因素影响工作交换容量的因素 v进水水质和出水控制指标进水水质和出水控制指标 v树脂的粒度树脂的粒度 ， EG ， EG v交换剂层高度：交换剂层高度： h , EG v离子离子交换器的构造：布水越均匀，交换器的构造：布水越均匀，EG ， 越大，越大，EG v运行条件：流速运行条件：流速， EG ，温度，温度， EG v再生程度再生程度 v交换剂质量交换剂质量 n I n 1 D h 树脂本身的性质：强酸阳树脂树脂本身的性质：强酸阳树脂 8001000mol/m3( ) 强碱阴树脂强碱阴树脂 250350mol/m3( ) n I n 1 第三节第三节 离子交换原理、交换平衡和交

16、换速度离子交换原理、交换平衡和交换速度 v1.交换作用交换作用 v2.压缩作用：压缩作用： 再生时，再生液浓度再生时，再生液浓度 不易过高不易过高 双电层理论双电层理论 一、树脂的交换原理一、树脂的交换原理 三、离子交换速度三、离子交换速度 1.离子交换的过程离子交换的过程 以以 RH+Na + RNa+H+为为 例例 1.1.水中水中NaNa+ +扩散通过水膜扩散通过水膜 2. Na2. Na+ +在网孔内扩散在网孔内扩散 3.3.水中水中NaNa+ +与与H H+ +发生交换发生交换( (快快) ) 4. H4. H+ +在网孔内扩散在网孔内扩散 5.H5.H+ +扩散通过水膜扩散通过水膜 内内 扩扩 散散 膜膜 扩扩 散散 速度速度 控制控制 步骤步骤 二、离子交换平衡二、离子交换平衡 2.影响离子交换速度的因素影响离子交换速度的因素 v(1)树脂的交联度树脂的交联度 v(2)树脂的颗粒大小树脂的颗粒大小 v(3)水中离子浓度水中离子浓度 v(4)水温水温 v(5)流速与搅拌速度流速与搅拌速度 v(6)水中离子的本性水中离子的本性 v(7)树脂的孔型树脂的孔型 一、水中阳离子只含一、水中阳离子只含Ca 2+时和时和RNa交换剂的交交换剂的交 换换 第四节第四节 动态离子交换过程动态离子交换过程 图图4-10 4-10 只含只含CaCa2+ 2+的水通过 的水