离子交换法
离子交换法方程式
离子交换法方程式
（原创实用版）
目录
1.离子交换法的定义和原理
2.离子交换法的应用领域
3.离子交换法的方程式及其解析
正文
一、离子交换法的定义和原理
离子交换法是一种常用的物质分离和纯化方法，其基本原理是利用离子交换剂与待处理溶液中的离子进行交换，从而达到分离和纯化的目的。
离子交换剂通常是一种具有固定电荷和不同交换基团的高分子物质，它可以与溶液中的离子发生可逆的吸附和解吸附反应。
二、离子交换法的应用领域
离子交换法广泛应用于化学、生物学、环境科学等领域，主要用途包括：水处理、离子分离和浓缩、离子交换色谱、电镀废水处理等。
三、离子交换法的方程式及其解析
离子交换法的基本方程式如下：
R-H+ + Na+ → R-Na+ + H+
其中，R-H+ 代表待处理的阳离子，Na+ 代表交换剂上的可交换阳离子，R-Na+ 代表交换后的产物。
从方程式中可以看出，离子交换法的过程是一个动态平衡过程，其交换速度和交换效率受到多种因素的影响，如交换剂的物理和化学性质、溶液的 pH 值、反应时间等。
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第九章 离子交换法
离子交换法
本章需要掌握的知识点
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？
什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影
响？
基本的离子交换操作是怎样的？
如何利用离子交换法分离蛋白质？
§ 9.1 概述
离子交换的发展
十八世纪中期由Thompson所发现，后来J.Thomas Way全面研究。
稳定
稳定
需过量的强酸 很容易 快 慢(除非离子 化后)
需要过量的 再生容易，可用碳酸 强碱 钠或氨 快 慢(除非离子化后)
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，
在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能 基团，便可得到大孔离子交换树脂。
特点：
空隙大，抗有机物污染能力较强。
国内外离子交换树脂相应牌号对照
704 = 311×2 717 = 201×7 732 = 001×7
711 = 201×4
703 = D311 HD42 = 001 Amberlite IR系列 Zerolit 系列
§ 9.3 离子交换树脂的性质与测定
一、生物相容性 二、结构性能 三、理化性能
离子交换法概述
离子交换法是通过带电的溶质分子与离子交换剂中可
交换的离子进行交换而达到分离纯化的方法。该方法主要 依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中的电荷的微小差 异而进行分离，具有较高的分离容量。
几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电， 所以离子交换法已广泛用于生物大分子的分离纯化技术。
3．交换容量
离子交换法分离稀土元素
因为不存在络合剂时，相邻稀土元素的分离因素接近
于1，故：
RE1 RE2
1 KRE2Y Y 3 1 KRE1Y Y 3
可以看出，在络合剂存在时，相邻稀土元素的分离因素与
稀土络合物的稳定常数和络合剂的银离子浓度有关。当所
形成的络合物稳定常数较大时，分离因素还可近似地表示
为：
KK RE1 RE2
SO 2- > NO - > Cl- >F- >HCO - >HSiO -
对于弱碱阴树脂来说，其吸附能力： OH->SO43- >NO3->PO4->Cl->HCO3-
(4)在高温、非水溶液或浓溶液中，树脂对离子的亲合 力不遵守上述规律。
3.分配比和分离因素
分配比是具有实际意义的参数。它是离子交换达到平衡时， 离子在树脂中的总浓度和在溶液中的总浓度的比值，不考虑 离子在树脂和液相中的状态，分配比是：
稀土离子在HCl,HNO3,H2SO4的介质中，很少被阴离子树脂吸 附。当上述介质中加入有机溶剂时，阴离子树脂对稀土离子 的吸附能力会显著的改善。由于稀土络阴离子在酸-有机溶剂 体系中更加稳定，因而易被树脂所吸附。
用于阴离子淋洗色层的有机溶剂有甲醇、乙醇、丙醇、丁 醇、异戊醇、丙酮、环氧乙烷等。
在阴离子淋洗色层方面，采用HNO3-有机溶剂体系较多， 并以测出相邻元素的分离因素，如下表所示:
Th4+>RE3+>Ca2+>H+
离子的有效半径小的，则亲合力也大，如三价稀土离子的半径随
La3+ Lu3+减小，但它们的水合离子半径则从La3+
Lu3+而
增大，树脂对它们的亲合力则随La3+ Lu3+而减小。
离子交换法
离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。
生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。
在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。
离子交换法的特点是树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。
目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。
但离子交换法也有生产周期长，PH变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。
此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等。
图1 离子交换车间一、离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物．离子交换树脂的单元结构由两部分组成。
一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。
活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。
这种交换是等当量进行的。
如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。
(一)离子交换树脂的分类离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。
由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。
活性基团决定着树脂的主要交换性能。
强酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)。
离子交换法
离子交换法概述
①
开始
-
-
+
-
-
+
-
-
离子交换层析原理
②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
-
--+++-+++
-
+++++++
+++++++
++++++
RY + A+ → RA + Y+
←
从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子 交换剂的结合力强于Y离子，或者提高A离子的浓度， 或者通过改变其它一些条件，可以使A离子将Y离子 从离子交换剂上置换出来。也就是说，在一定条件 下，溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出 来，并通过电荷基团结合到固定相上，而平衡离子 则进入流动相，这就是离子交换层析的基本置换反 应。
二、离子交换层析原理
离子交换法是通 过带电的溶质分 子与离子交换剂 中可交换的离子 进行交换而达到 分离纯化的方法。
离子交换法概述
离子交换层析原理
主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。
选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态， 通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些 物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
第四章离子交换法
离子交换树脂的结构 离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间
网状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。 活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分
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树脂的网络骨架
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2.2离子交换树脂的分类 一般按树脂所带功能团的性质不同分为阳离子交换树
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离子交换法的应用： （1）从贫液中富集和回收有价金属：贵金属和稀有金属； （2）提纯化合物和分离性质相似的元素：稀土分离； （3）处理某些工厂的废水； （4）生产软化水。
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第二节 离子交换树脂及其性能
2.1离子交换树脂的结构
（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。连接树脂 的功能团的作用。
柱上离子交换分为运动树脂床和固定树脂床。
交换柱内离子交换过程：B A B A
柱上中层为交换层。
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漏穿容量 （V V1 )C mol / L
废水中只有一种离子B+
V2
V 至漏穿时流过的料液体积；V1 树脂床的空隙体积；
进水（C0）
C V2 树脂床的体积；C 料液中金属离子浓度。
(c V）Na OH 交换容量＝
(c
V)
HCl
100 25
m 树脂(g)
100
0.1100 0.112.5
25 5(mmol.g 1 )
1
阳离子交换树脂： 交换容量＝ c V NaOH NaOH c HCl VHCl
干树脂质量 (g)
离子交换法
离子交换法离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。
常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。
硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。
软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。
同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。
从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。
也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。
不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。
再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。
若将离子交换法与其他纯化水质方法(例如反渗透法、过滤法和活性碳吸附法)组合应用时，则离子交换法在整个纯化系统中，将扮演非常重要的一个部分。
离子交换法能有效的去除离子，却无法有效的去除大部分的有机物或微生物。
而微生物可附着在树脂上，并以树脂作为培养基，使得微生物可快速生长并产生热源。
因此，需配合其他的纯化方法设计使用。
活性碳吸附法有机物可能是阳离子、阴离子或非离子性的物质，离子交换树脂可去除原水中一些可溶性的有机酸和有机碱(阴离子和阳离子)，但有些非离子性的有机物却会被树脂包覆，这过程称为树脂的“污染阻塞”现象，不但会减少树脂的寿命，而且降低其交换能力。
为保护离子交换树脂，可将活性碳过滤器安装在离子交换树脂之前，以去除非离子性的有机物。
离子交换法
离子交换法
离子交换法是吸附过程的一种特殊过程，离子交换法是通过向水中添加一种含正电荷或负电荷的化学物质并将其替换成另一种带电的化合物来清除水中有害物质的一种水处理技术。
一般而言，这种技术需要吸附和离子交换同时发生。
本质上，这种技术是由于离子交换效应而能够进行的污水处理过程。
它的原理是将有机污染物的负荷取代成水性溶质，这些水性溶质与水中的质子或氧离子结合，从而将有机污染物通过和水互换的方式从水中移除，从而达到净水的效果。
离子交换也可以对水中的有害离子进行去除，可以利用离子交换法去除水中的有害离子，比如氯离子、镁离子、硫酸根离子等。
此外，为了提高水质，改善水形，在离子交换处理过程中，可以使用添加剂来改变水的质量，改变离子的类型，从而达到良好的污染物去除效果。
离子交换法具有良好的选择性，可以把有害离子由水中分离，从而达到净化水质的效果。
离子交换是目前应用最广的污水处理技术之一，它的使用可以彻底去除水中的小分子有机物和颜料，也可以去除水中的有害离子，从而达到水质净化的目的。
离子交换技术采用了前期准备技术，可以提高净化效率，降低出水水质和能耗，从而大大提高离子交换法的净化效果。
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离子交换法
简介
离子交换法是一种常用的分离和提纯离子的方法。
它利用
固体材料中存在的离子交换树脂来与溶液中的离子进行交换，并实现离子的选择性分离和浓缩。
离子交换法具有操作简便、工艺灵活、效果好等优点，被广泛应用于水处理、制药、饮料工业等领域。
原理
离子交换法基于离子的化学性质和固体材料的物理性质，
通过离子交换树脂将固态材料与溶液中的离子进行交换。
离子交换树脂是一种具有特殊结构的聚合物，其表面带有一定的正负电荷。
当离子溶液通过离子交换树脂时，其中的离子会与树脂表面的离子发生电荷交换，使离子从溶液中被吸附到固体材料上。
离子交换树脂可以根据其具有的功能基团而分为阳离子交
换树脂和阴离子交换树脂。
阳离子交换树脂具有负电荷，可吸附并固定阳离子，阴离子交换树脂具有正电荷，可吸附并固定阴离子。
在实际应用中，通常使用一定的工艺步骤和反应条件，调节离子交换树脂与溶液中离子之间的交换效率和选择性。
应用
离子交换法在许多领域得到了广泛的应用。
水处理
离子交换法在水处理中起着重要的作用。
水中的硬度主要
由钙和镁离子引起，在水中存在一定量的钠、钾和氢离子。
使用针对特定离子的离子交换树脂，可以将水中的硬度离子与树脂上的钠、钾或氢离子进行交换，从而降低水中的硬度。
此外，离子交换法还可以去除水中的有害离子，如重金属离子、铵离子等。
制药
在制药过程中，离子交换法常用于药物的纯化和提纯。
药
物中常常存在各种离子杂质，通过选择性吸附这些离子杂质的离子交换树脂，可以有效地将其从溶液中去除，并得到纯净的药物。
饮料工业
离子交换法在饮料工业中也发挥着重要作用。
饮料中常常
存在着对人体健康有害的重金属离子和有机物。
通过使用离子
交换树脂，可以去除饮料中的这些有害成分，提高饮料的质量和安全性。
实施步骤
离子交换法的具体实施步骤如下：
1.选择适当的离子交换树脂。
根据需要从阳离子交换
树脂和阴离子交换树脂中选择合适的材料。
2.准备离子交换树脂。
将离子交换树脂按照要求进行
预处理，如清洗、活化等。
3.负载离子交换树脂。
将准备好的离子交换树脂加入
到离子交换柱或其他设备中，以便与待处理的溶液接触。
4.进行离子交换。
使用离子交换柱将待处理的溶液通
过离子交换树脂，使溶液中的离子与树脂上的离子进行交换。
5.收集纯化的溶液。
离子交换后，收集通过离子交换
柱的纯化的溶液，并将其用于下一步骤或最终产品。
总结
离子交换法是一种常用的分离和提纯离子的方法，广泛应
用于水处理、制药和饮料工业等领域。
它通过离子交换树脂来与溶液中的离子进行交换，从而实现离子的选择性分离和浓缩。
离子交换法的实施步骤包括选择适当的离子交换树脂、准备树脂、负载树脂、进行离子交换以及收集纯化的溶液。
离子交换法的应用有助于提高水的质量、药物的纯度和饮料的安全性。