《離子交換法》課件

第 五 節(jié) 離 子 交 換 法 3.5.1離 子 交 換 法 的 定 義離 子 交 換 法 是 一 種 借 助 于 離 子 交 換 劑 上的 離 子 和 水 中 的 離 子 進(jìn) 行 交 換 反 應(yīng) 而除 去 水 中 有 害 離 子 的 方 法 。 3.5.2 離 子 交 換 的 基 本 原 理陽 離 子 交 換 樹 脂 大 都 含 有 磺 酸 基 （ SO3H） 、 羧 基 （ COOH） 或苯 酚 基 （ C6H4OH） 等 酸 性 基 團(tuán) ， 其 中 的 H+能 與 溶 液 中 的 金 屬離 子 或 其 他 陽 離 子 進(jìn) 行 交 換 。 例 如 苯 乙 烯 和 二 乙 烯 苯 的 高 聚 物經(jīng) 磺 化 處 理 得 到 強(qiáng) 酸 性 陽 離 子 交 換 樹 脂 ， 其 結(jié) 構(gòu) 式 可 簡 單 表 示為 RSO3H， 式 中 R代 表 樹 脂 母 體 ， 其 交 換 原 理 為 : 2RSO3H Ca2 （ RSO3） 2Ca 2H陰 離 子 交 換 樹 脂 含 有 季 胺 基 -N（ CH 3） 3OH、 胺 基 （ NH2） 或 亞胺 基 （ NR H） 等 堿 性 基 團(tuán) 。 它 們 在 水 中 能 生 成 OH-離 子 ， 可與 各 種 陰 離 子 起 交 換 作 用 ， 其 交 換 原 理 為 RN（ CH3） 3OH Cl- RN（ CH3） 3Cl OH- 1、 離 子 交 換 ： 指 固 體 離 子 交 換 劑 與 液 體之 間 的 界 面 上 發(fā) 生 的 離 子 交 換 過 程 。2、 是 一 種 特 殊 的 吸 附 過 程 。3、 離 子 交 換 劑 是 由 分 子 骨 架 和 交 換 基 團(tuán)所 組 成 ， 交 換 基 團(tuán) 在 溶 液 中 能 電 離 出能 自 由 移 動 的 可 交 換 離 子 ， 可 與 溶 液中 相 應(yīng) 的 其 他 同 類 型 離 子 進(jìn) 行 離 子 交換 交 換 反 應(yīng) 。4、 離 子 交 換 反 應(yīng) 為 平 衡 可 逆 反 應(yīng) ， 反 向進(jìn) 行 時 稱 為 再 生 反 應(yīng) 。 3.5.3離 子 交 換 動 力 學(xué)離 子 交 換 過 程 分 五 個 階 段 ： 電 解 質(zhì) 離 子 由 溶 液 擴(kuò) 散 到 離 子 交 換 劑 表 面 。 （ 膜擴(kuò) 散 過 程 ） 電 解 質(zhì) 離 子 通 過 離 子 交 換 劑 和 溶 液 的 界 面 或 膜 擴(kuò)散 到 離 子 交 換 劑 的 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 部 。 （ 孔 道 擴(kuò) 散 過 程 ） 被 交 換 離 子 與 交 換 劑 上 可 交 換 離 子 進(jìn) 行 離 子 交 換反 應(yīng) 。 交 換 后 的 離 子 從 交 換 劑 內(nèi) 部 向 外 擴(kuò) 散 。 （ 孔 道 擴(kuò)散 過 程 ） 交 換 后 的 離 子 擴(kuò) 散 到 溶 液 中 。 （ 膜 擴(kuò) 散 過 程 ） 3.5.4離 子 交 換 劑一 、 離 子 交 換 劑 的 分 類 、 組 成 和 結(jié) 構(gòu)1、 根 據(jù) 母 體 材 料 不 同 ， 可 分 為 ： 無 機(jī) 離 子 交 換 劑 ： 天 然 沸 石 、 合 成 沸 石 。 有 機(jī) 離 子 交 換 劑 ： 磺 化 煤 、 離 子 交 換 樹 脂 、 離 子 交 換 纖 維 等2、 根 據(jù) 功 能 基 團(tuán) 化 學(xué) 性 質(zhì) 的 不 同 ， 可 分 為 ： 強(qiáng) 堿 型 ： Cl型 、 OH型 （ 不 受 PH值 影 響 ） 陰 離 子 交 換 劑 ： 弱 堿 型 ： （ 在 酸 性 溶 液 中 有 較 高 的 交 換 容 量 ） 強(qiáng) 酸 型 ： H +型 、 Na+型 （ 不 受 PH值 影 響 ） 陽 離 子 交 換 劑 ： 弱 酸 型 ： H+型 、 Na+型 （ 在 堿 性 溶 液 中 有 較 高 的 交 換 容 量 ） 兩 性 離 子 交 換 劑 ： 螯 合 型 離 子 交 換 劑 ： 二 、 離 子 交 換 樹 脂1、 離 子 交 換 樹 脂 的 分 類p 按 離 子 交 換 樹 脂 物 理 結(jié) 構(gòu) 的 不 同 ， 離 子 交 換 樹 脂 分 為 ：a.凝 膠 型 樹 脂 ： 30埃 以 下 ， 孔 徑 極 小 ， 它 只 通 過 直 徑 很 小 的 離 子 ;直 徑 較 大 的 分 子 通 過 時 容 易 堵 塞 孔 道 而 影 響 樹 脂 的 交 換 能 力 。b.大 孔 型 樹 脂 ： 孔 徑 從 幾 十 到 上 萬 埃 ， 可 以 使 直 徑 較 大 的 分 子 通行 無 阻 ， 所 以 用 它 去 除 水 中 高 分 子 有 機(jī) 物 具 有 良 好 的 效 果 。 缺點(diǎn) ： 離 子 交 換 基 團(tuán) 含 量 相 應(yīng) 減 少 ， 交 換 能 力 比 凝 膠 型 樹 脂 低 ；大 孔 型 樹 脂 的 吸 附 能 力 強(qiáng) ， 與 交 換 的 離 子 結(jié) 合 較 牢 固 ， 不 容 易充 分 恢 復(fù) 其 交 換 能 力 。c.載 體 型 樹 脂 ： 以 球 形 硅 膠 或 玻 璃 球 等 非 活 性 材 料 作 為 載 體 ， 把它 作 為 中 心 核 ， 在 其 表 面 覆 蓋 離 子 交 換 樹 脂 薄 層 ， 從 而 得 到 載 體 型 離 子 交 換 樹 脂 。 p離子交換樹脂一般呈現(xiàn)多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.11mm，依其交換能力特征可分：a. 強(qiáng) 酸 型 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： 主 要 含 有 強(qiáng) 酸 性 的 反 應(yīng) 基 如 磺 酸 基（ SO3H） ， 此 離 子 交 換 樹 脂 可 以 交 換 所 有 的 陽 離 子 。b. 弱 酸 型 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： 具 有 較 弱 的 反 應(yīng) 基 如 羧 基 （ COOH基 ） ， 此 離 子 交 換 樹 脂 僅 可 交 換 部 分 陽 離 子 ；c. 強(qiáng) 堿 型 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： 主 要 是 含 有 較 強(qiáng) 的 反 應(yīng) 基 ， 如 季 胺基 N+(CH3)3， 在 氫 氧 形 式 下 ， N+(CH3)3OH-中 的 氫 氧 離 子 可以 迅 速 釋 出 ， 以 進(jìn) 行 交 換 ， 強(qiáng) 堿 型 陰 離 子 交 換 樹 脂 可 以 和 所有 的 陰 離 子 進(jìn) 行 交 換 去 除 。d. 弱 堿 型 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： 具 有 較 弱 的 反 應(yīng) 基 如 氨 基 ， 僅 能 去除 強(qiáng) 酸 中 的 陰 離 子 如 SO 42-， Cl 或 NO3 ， 對 于 HCO3 ， CO32 或SiO42 則 無 法 去 除 2、 離 子 交 換 樹 脂 的 組 成 不 溶 性 樹 脂 母 體 ： 有 機(jī) 化 合 物 和 交 聯(lián) 劑 組 成 的 高 分 子 共 聚 物 。 活 性 基 團(tuán) ： 由 起 交 換 作 用 的 離 子 與 樹 脂 母 體 聯(lián) 結(jié) 的 固 定 離 子 組成 。交 聯(lián) 度 ： 交 聯(lián) 劑 與 單 體 的 重 量 比 。 3、 離 子 交 換 樹 脂 的 物 理 性 能 外 觀 ： 顏 色 。 離 子 交 換 樹 脂 是 一 種 透 明 或 半 透 明 的 物 質(zhì) ，依 其 組 成 的 不 同 ， 呈 現(xiàn) 的 顏 色 也 各 異 ， 苯 乙 烯 系 均 呈 黃 色 ， 其他 也 有 黑 色 及 赤 褐 色 的 。 形 狀 。 離 子 交 換 樹 脂 一 般 均 呈 球形 。 樹 脂 呈 球 狀 顆 粒 數(shù) 占 顆 粒 總 數(shù) 的 百 分 率 ， 稱 為 圓 球 率 。 對于 交 換 柱 水 處 理 工 藝 來 說 ， 圓 球 率 愈 大 愈 好 ， 它 一 般 應(yīng) 達(dá) 90%以 上 。 粒 度 ： 樹 脂 顆 粒 的 大 小 對 水 處 理 的 工 藝 過 程 有 較 大 的 影 響 。 顆粒 大 ， 交 換 速 度 就 慢 ； 顆 粒 小 ， 水 通 過 樹 脂 層 的 壓 力 損 失 就 大 。如 果 各 個 顆 粒 的 大 小 相 差 很 大 ， 則 對 水 處 理 的 工 藝 過 程 是 不 利的 。 這 首 先 是 因 為 小 顆 粒 堵 塞 了 大 顆 粒 間 的 孔 隙 ， 水 流 不 勻 和阻 力 增 大 ； 其 次 ， 在 反 洗 時 流 速 過 大 會 沖 走 小 顆 粒 樹 脂 ， 而 流速 過 小 ， 又 不 能 松 動 大 顆 粒 。 用 于 水 處 理 的 樹 脂 顆 粒 粒 徑 一 般為 0. 1mm。 密 度 ： （ 1） 干 真 密 度 ： 即 在 干 燥 狀 態(tài) 下 樹 脂 本 身 的 密 度 ；（ 2） 濕 真 密 度 ： 是 指 樹 脂 在 水 中 經(jīng) 過 充 分 膨 脹 后 ， 樹 脂 顆 粒的 密 度 ： （ 3） 濕 視 密 度 . 是 指 樹 脂 在 水 中 充 分 膨 脹 后 的 堆 積密 度 ， 濕 視 密 度 用 來 計 算 交 換 器 中 裝 載 時 所 需 濕 樹 脂 的 質(zhì) 量 。 含 水 率 ： 指 在 水 中 充 分 膨 脹 的 濕 樹 脂 中 所 含 水 分 的 百 分 數(shù) 。 樹脂 的 含 水 率 愈 大 ， 表 示 它 的 孔 隙 率 愈 大 ， 交 聯(lián) 度 愈 小 。 溶 脹 性 ： 當(dāng) 將 干 的 離 子 交 換 樹 脂 浸 入 水 中 時 ,其 體 積 常 常 要 變大 ,這 種 現(xiàn) 象 稱 為 溶 脹 。 一 般 ， 強(qiáng) 酸 性 陽 離 子 交 換 樹 脂 由 Na轉(zhuǎn)變 成 H型 ， 強(qiáng) 堿 性 陰 離 子 交 換 樹 脂 由 Cl型 轉(zhuǎn) 變 成 OH型 ， 其 體 積均 增 加 約 5%。 由 于 離 子 交 換 樹 脂 具 有 這 樣 的 性 能 ， 因 而 在 其 交換 和 再 生 的 過 程 中 會 發(fā) 生 脹 縮 現(xiàn) 象 ， 多 次 的 脹 縮 就 容 易 促 使 樹脂 顆 粒 碎 裂 。 機(jī) 械 強(qiáng) 度 ： 樹 脂 應(yīng) 具 備 足 夠 的 強(qiáng) 度 ， 保 證 每 年 樹 脂 的 損 耗 量 不超 過 3%-7%。 耐 熱 性 ： 通 常 控 制 樹 脂 的 貯 藏 和 使 用 溫 度 在 540 OC。 孔 結(jié) 構(gòu) ： 樹 脂 的 交 換 容 量 、 交 換 速 度 等 性 能 均 與 孔 結(jié) 構(gòu) 有 關(guān) 。 4、 離 子 交 換 樹 脂 的 化 學(xué) 性 能 離 子 交 換 反 應(yīng) 的 可 逆 性 離 子 交 換 反 應(yīng) 是 可 逆 的 ， 例 如 當(dāng) 以 有 硬 度 的 水 通 過 H型 離 子 交換 樹 脂 時 ， 其 反 就 如 下 式 ： 2RH Ca2 R2Ca 2H 當(dāng) 反 應(yīng) 進(jìn) 行 到 失 效 后 ， 為 了 恢 復(fù) 離 子 交 換 樹 脂 的 交 換 能 力 ，就 可 以 利 用 離 子 交 換 反 應(yīng) 的 可 逆 性 ， 用 硫 酸 或 鹽 酸 溶 液 通 過 此失 效 的 離 子 交 換 樹 脂 ， 以 恢 復(fù) 其 交 換 能 力 ， 其 反 應(yīng) 如 下 ： R2Ca 2H 2RH Ca2 這 兩 種 反 應(yīng) ， 實 質(zhì) 上 就 是 可 逆 反 應(yīng) 式 化 學(xué) 平 衡 的 移 動 。 當(dāng) 水中 Ca 2 和 H型 離 子 交 換 樹 脂 多 時 ， 反 應(yīng) 正 向 進(jìn) 行 ， 反 之 ， 則 逆向 進(jìn) 行 。 2RH Ca2 R2Ca 2H 離 子 交 換 反 應(yīng) 的 可 逆 性 ， 是 離 子 交 換 樹 脂 可 以 反 復(fù) 使 用 的 重要 性 質(zhì) 。 酸 、 堿 性 H 型 陽 離 子 交 換 樹 脂 和 OH型 陰 離 子 交 換 樹 脂 的 性 能 與 電 解 質(zhì) 酸 、堿 相 同 ， 在 水 中 有 電 離 出 H 和 OH 的 能 力 。 因 此 ， 根 據(jù) 此 能 力的 大 小 可 以 有 強(qiáng) 弱 之 分 。 強(qiáng) 酸 性 H 型 （ 或 強(qiáng) 堿 性 OH型 ） 交 換 樹 脂 在 水 中 電 離 出 H （ 或OH-） 的 能 力 較 大 ， 所 以 它 很 容 易 和 水 中 其 他 各 種 陽 離 子 （ 或陰 離 子 ） 進(jìn) 行 交 換 反 應(yīng) ， 故 強(qiáng) 酸 性 陽 離 子 （ 或 強(qiáng) 堿 性 陰 離 子 ）樹 脂 的 交 換 能 力 不 受 溶 液 PH值 影 響 ； 弱 酸 性 H 型 （ 或 弱 堿 性 OH型 ） 交 換 樹 脂 在 水 中 電 離 出 的 H （ 或 OH-） 能 力 較 小 ， 故 只 能 在 堿 性 （ 或 酸 性 ） 溶 液 中 才 有 較高 的 交 換 能 力 。 選 擇 性 離 子 交 換 樹 脂 吸 著 各 種 離 子 的 能 力 不 一 ， 有 些 離 子 易 被 交 換樹 脂 吸 著 ， 但 吸 著 后 要 把 它 置 換 下 來 就 比 較 困 難 ； 而 另 一 些 離子 很 難 被 吸 著 ， 但 被 置 換 下 來 卻 比 較 容 易 ， 這 種 性 能 稱 為 離 子交 換 的 選 擇 性 。 選 擇 性 會 影 響 到 離 子 交 換 樹 脂 的 交 換 和 再 生 過 程 。 影 響 離 子 交 換 樹 脂 選 擇 性 的 因 素 很 多 ， 例 如 交 換 離 子 的 種 類 、樹 脂 的 本 質(zhì) 、 溶 液 的 濃 度 等 。 離 子 交 換 的 選 擇 性 實 際 上 是 離 子交 換 平 衡 的 一 種 表 現(xiàn) 。 選 擇 規(guī) 律 ： 一 般 情 況 ， 離 子 交 換 樹 脂 優(yōu) 先 交 換 那 些 化 合 價 數(shù) 高 的離 子 ， 在 同 價 離 子 中 優(yōu) 先 交 換 原 子 序 數(shù) 大 的 離 子 。如 ： 強(qiáng) 酸 性 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： Fe3+ AL3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ H+弱 酸 性 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： H+ Fe3+ AL3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+強(qiáng) 堿 性 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： SO42- NO3- CL- OH- F- HCO3- HSIO3- 弱 堿 性 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： OH- SO 42- NO3- CL- HCO3- HSIO3- 交 換 容 量 ：離 子 交 換 樹 脂 的 交 換 容 量 表 示 其 可 交 換 離 子 量 的 多 少 。（ 1） 總 交 換 容 量 ： 此 指 標(biāo) 表 示 離 子 交 換 樹 脂 中 所 有 活 性 基 團(tuán) 的總 量 ， 即 將 樹 脂 中 所 有 活 性 基 團(tuán) 全 部 再 生 成 某 種 可 交 換 的 離 子 ，然 后 測 定 其 全 部 交 換 下 來 的 量 。 對 于 同 一 種 離 子 交 換 樹 脂 來 說 ，它 是 常 數(shù) 。 市 售 的 商 品 樹 脂 所 標(biāo) 的 交 換 容 量 是 總 交 換 容 量 。 （ 2） 工 作 交 換 容 量 ： 指 在 給 定 的 條 件 下 樹 脂 的 實 際 交 換 容 量 。（ 3） 再 生 交 換 容 量 三 、 離 子 交 換 纖 維 （ 略 ）四 、 離 子 交 換 速 率1、 交 換 速 率 （ 即 動 力 學(xué) 反 應(yīng) 速 度 ） ： 指 離 子 交 換 反 應(yīng) 達(dá) 到 平 衡的 快 慢 。2、 交 換 速 率 主 要 取 決 于 液 固 兩 相 間 的 擴(kuò) 散 傳 質(zhì) 速 率 。3、 交 換 速 率 通 常 用 半 交 換 期 t1/2表 示 ， 即 交 換 一 半 所 用 的 時 間 。4、 離 子 交 換 纖 維 的 交 換 速 率 一 般 比 顆 粒 狀 的 離 子 交 換 樹 脂 快 。五 、 離 子 交 換 劑 劑 的 作 用 及 應(yīng) 用1、 離 子 交 換 作 用 ： 水 的 軟 化 ， 脫 鹽 、 高 純 水 制 備 、 廢 水 處 理 、食 品 脫 色 、 去 味 、 吸 附 農(nóng) 藥 殘 留 物 、 分 離 提 取 等 。2、 螯 合 吸 附 作 用 ： 貴 重 金 屬 富 集 回 收 、 稀 土 元 素 分 離 、 特 種 行業(yè) 廢 水 處 理 。 3、 催 化 作 用 ：4、 氧 化 還 原 、 脫 水 除 濕 等 作 用 。 謝 謝 大 家 ！