分离科学III-离子交换分离技术
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离子交换分离技术
• • • • Ion exchange technology Purify Remove dissolved contaminants Potable water
Modern uses
• In recent decades, high performance synthetic ion exchange media was developed for purification of fluids used in the Nuclear Power, Petrochemical, Mining, Pharmaceutical, Chemical Processing, and Food & Beverage industries.
离子交换纤维素的优点
• 大分子物质能自由在骨架中扩散和交换， 亲水性强，表面积大，容易吸收分子，交 换基团稀疏但对大分子的实际交换容量大， 吸附力弱而使交换和洗脱条件缓和/不易引 起变性，分辨率强。
离子交换纤维素分类
• 阳离子和阴离子交换纤维素 • 强酸型、中强酸型、弱酸型 • 强碱型、中强碱型、弱碱型
• 向树脂中添加Y+，反应平衡向右移动，交换离子被 吸附到树脂上；向树脂中添加X+，反应平衡向左移 动，交换离子全部或大部分从树脂上释放出来。 • Adding Y+ to resin will shift the equilibrium to the right, and thus target ions are adsorbed to resin. Conversely, adding X+ will shift the equilibrium to the left, causing release of target ions from resin.
Modern uses
• In recent decades, high performance synthetic ion exchange media was developed for purification of fluids used in the Nuclear Power, Petrochemical, Mining, Pharmaceutical, Chemical Processing, and Food & Beverage industries.
离子交换纤维素的优点
• 大分子物质能自由在骨架中扩散和交换， 亲水性强，表面积大，容易吸收分子，交 换基团稀疏但对大分子的实际交换容量大， 吸附力弱而使交换和洗脱条件缓和/不易引 起变性，分辨率强。
离子交换纤维素分类
• 阳离子和阴离子交换纤维素 • 强酸型、中强酸型、弱酸型 • 强碱型、中强碱型、弱碱型
• 向树脂中添加Y+，反应平衡向右移动，交换离子被 吸附到树脂上；向树脂中添加X+，反应平衡向左移 动，交换离子全部或大部分从树脂上释放出来。 • Adding Y+ to resin will shift the equilibrium to the right, and thus target ions are adsorbed to resin. Conversely, adding X+ will shift the equilibrium to the left, causing release of target ions from resin.
第六节 离子交换分离法
2. 磨碎与筛选
树脂粒度小，表面积大，分离效率 高，但阻力大，流速慢。要根据分离的 实际情况合理选择粒度大小。市售10～ 40目、50～100目或100～200目。分析 分离80～120目，离子色谱200～400目。 有干磨或湿磨，注意粒度范围不宜太宽。
3. 树脂的预处理
凝胶型树脂都需要经过浸泡后才能使
交换容量分为全交换容量和工作交换 容量。树脂所含可交换离子全部被交换， 称为全交换容量，它是树脂的特征常数， 不随实验条件变化。在一定操作条件下， 实际测得的交换容量，称为工作交换容量， 或有效交换容量，其大小与溶液中离子的 浓度、树脂床的高度、流速、树脂粒度的 大小以及交换基团的类型等因素有关。
1. 亲和力大小与离子性质的关系
亲和能力与水合离子的半径、电荷及 离子的极化程度有关。水合离子半径越小、 电荷越高、离子的极化程度越大，其亲和 力越大。
例如 Li+、Na+、K+ 水合离子的电荷相同， 但它们的水合离子半径依次减小，因此， 树脂对它们的亲和能力依次增强。实验证 明：在常温下，较稀的溶液（＜0.1mol/L） 中，树脂对不同离子的亲和力大致有如下 的顺序：
然后将流出液中的
SO
2 4
沉淀为BaSO4
进行测定。
2. 相同电荷离子的分离—离子交换色 谱分离法
如果有几种性质相近且带相同电荷的离子 同时被交换在柱上，可选择合适的洗脱剂， 将它们逐一洗脱并分离。这种方法称为离 子交换色谱分离法。所用的洗脱剂应该使 几种离子对树脂的亲和力有较显著的差异。 这些洗脱剂通常是络合剂或是用不同浓度 的酸或是两者同时使用。
无机离子交高 高 换价 价剂金 金属 属磷 水酸 合盐 氧 离子交换有剂机离子交大 凝 换孔 胶 剂型 型
离子交换分离法ppt课件
纤维交换剂 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
萃淋树脂
有机高分子大孔结构与 萃取剂的共聚物型树脂
— SO 3H — COOH 或 — OH
1— 14 6— 14
季 铵 碱 — N (C H 3)+O H 伯胺、仲胺或叔胺
0— 12 0— 9
— C H 2— N (C H 2C O O H ） 2
含氧化或还原基团
1
一、离子交换剂的种类和性质 1、离子交换剂的种类 无机离子交换剂： （1）天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 （2）高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物 有机离子交换剂——即离子交换树脂 离子交换树脂：是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物， 网状结构的骨架部分一般很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。 在网的各处都有许多可被交换的活性基团。
La3+＞Ce3+＞Pr3+＞Nd3+＞Sm3+＞Eu3+＞Gd3+＞Tb3+＞Dy3+＞ Y3+＞Ho3+ ＞Er3+＞Tm3+ ＞Yb3+＞Lu3+＞Sc3+ 2、弱酸型阳离子交换树脂
解：干树脂（强酸型）与Na+交换，剩余NaOH用HCl滴定
(cV）NaOH(c 交换容量＝
V)HCl12050
m树脂(g)
0.11000.112.5100
25 5(mmo.gl1)
1
阳离子交换树脂： 交换容cN 量 aOVH ＝ NaOHcHCV lHCl
干树脂(g质 ) 量
练习：称取某OH-型阴离子交换树脂1.00 g置于锥形瓶中,加入
2
返回
3
有机离子交换剂分类
分类
萃淋树脂
有机高分子大孔结构与 萃取剂的共聚物型树脂
— SO 3H — COOH 或 — OH
1— 14 6— 14
季 铵 碱 — N (C H 3)+O H 伯胺、仲胺或叔胺
0— 12 0— 9
— C H 2— N (C H 2C O O H ） 2
含氧化或还原基团
1
一、离子交换剂的种类和性质 1、离子交换剂的种类 无机离子交换剂： （1）天然沸石：交换容量小，使用pH值范围窄 （2）高价金属磷酸盐、高价金属水合氧化物 有机离子交换剂——即离子交换树脂 离子交换树脂：是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物， 网状结构的骨架部分一般很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。 在网的各处都有许多可被交换的活性基团。
La3+＞Ce3+＞Pr3+＞Nd3+＞Sm3+＞Eu3+＞Gd3+＞Tb3+＞Dy3+＞ Y3+＞Ho3+ ＞Er3+＞Tm3+ ＞Yb3+＞Lu3+＞Sc3+ 2、弱酸型阳离子交换树脂
解：干树脂（强酸型）与Na+交换，剩余NaOH用HCl滴定
(cV）NaOH(c 交换容量＝
V)HCl12050
m树脂(g)
0.11000.112.5100
25 5(mmo.gl1)
1
阳离子交换树脂： 交换容cN 量 aOVH ＝ NaOHcHCV lHCl
干树脂(g质 ) 量
练习：称取某OH-型阴离子交换树脂1.00 g置于锥形瓶中,加入
2
返回
3
有机离子交换剂分类
分类
离子交换分离技术
②均一系数是指能通过60%体积树 脂的筛孔直径与能通过10%体积的树脂 的筛孔直径之比。均一系数越接近1，表 明树脂颗粒越均匀。在文献上常常见到 用筛目数表示树脂粒度。
2．含水量
定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到 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105oC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， 这就是含水量。
剂和其它化学试剂具有一定的稳定性。对热也较稳定。
有机离子交换剂
表 8—9 有机离子交换剂分类
分类
功能基团
使用 pH 范围
凝 阳 离 子 交 强酸性阳离子交换树脂
胶 换树脂
弱酸性阳离子交换树脂
型 阴 离 于 交 强碱性阴离子交换树脂
树 换树脂
弱碱性阴离子交换树脂
脂 螯合（离子交换）树脂
氧化还原（离子交换）树脂
弱酸—弱 碱
—
1— 14 6— 14 0— 12 0— 9
弱酸— 弱 碱
交换容量
（干） mmol/g
4— 5 9
2.5— 4 5— 9
4— 5 —9 3— 4 —5
凝胶树脂
• 遇水溶胀，水分子进入树脂的内部，产 生孔隙。
特殊作用的离子交 换剂
● 螯合树脂：含有特殊的活性基团，可以 有选择性地与某些金属离子进行交换。如： 国产 #401型是属于氨羧基［－N （CH2COOH）2］
● 大孔树脂：比一般的树脂有更多、更大 的孔道,比表面积大，离子容易迁移扩散, 富集速度快,耐氧化、耐磨、耐冷热变化 等,具有较高的稳定性。
称为交联剂。
交联度：交联剂在树脂单体总量中所占质量分数 称为交联度。一般交联度为4—14，常见为8。 其中交联度的影响有：
2．含水量
定义：树脂颗粒在水中吸收水分达到 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105oC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， 这就是含水量。
剂和其它化学试剂具有一定的稳定性。对热也较稳定。
有机离子交换剂
表 8—9 有机离子交换剂分类
分类
功能基团
使用 pH 范围
凝 阳 离 子 交 强酸性阳离子交换树脂
胶 换树脂
弱酸性阳离子交换树脂
型 阴 离 于 交 强碱性阴离子交换树脂
树 换树脂
弱碱性阴离子交换树脂
脂 螯合（离子交换）树脂
氧化还原（离子交换）树脂
弱酸—弱 碱
—
1— 14 6— 14 0— 12 0— 9
弱酸— 弱 碱
交换容量
（干） mmol/g
4— 5 9
2.5— 4 5— 9
4— 5 —9 3— 4 —5
凝胶树脂
• 遇水溶胀，水分子进入树脂的内部，产 生孔隙。
特殊作用的离子交 换剂
● 螯合树脂：含有特殊的活性基团，可以 有选择性地与某些金属离子进行交换。如： 国产 #401型是属于氨羧基［－N （CH2COOH）2］
● 大孔树脂：比一般的树脂有更多、更大 的孔道,比表面积大，离子容易迁移扩散, 富集速度快,耐氧化、耐磨、耐冷热变化 等,具有较高的稳定性。
称为交联剂。
交联度：交联剂在树脂单体总量中所占质量分数 称为交联度。一般交联度为4—14，常见为8。 其中交联度的影响有：
优选离子交换分离法演示ppt
离子交换树脂的分类
阳离子交换树脂
交换基为酸性，H+与 阳离子交换
强酸型 弱酸型
依据活性基团分类
—SO3H
—COOH —OH
使用 pH 范围
pH > 2 pH > 6
pH >10
阴离子交换树脂
交换基为碱性，阴离子 发生交换
螯合树脂
强碱型 —N+(CH3)3Cl- pH <12
弱碱型
—N+H3 OH—N+H2R OH-
聚合
CH CH2 CH CH2 CH CH2
交联剂
CH=CH2
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
交联作用
CH2 CH CH2
磺化
H2SO4
CH CH2 CH CH2 CH CH2
SO3H CH CH2 CH CH2
Hale Waihona Puke SO3H CH CH2 CH
活性基团
SO3H
CH2 CH CH2
SO3H
第六页，共37页。
（2 ）比色法测定钢铁中的Al3+或铸铁中Mg2+： 大量Fe3+干扰测定。可将试样溶解于9M的HCl溶液中，
使Fe3+以FeCl42-形式存在，然后以阴离子交换树脂消除 Fe3+ 的干扰，测定流出液中Al3+和Mg2+ .
（3） 碱滴定法测定硼镁矿中的硼使用阳离子交换树脂消除矿 石中阳离子的干扰，测定流出液中H3BO3。
Ion exchange resins
离子交换树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
酚醛树脂
聚乙烯树脂
交联剂
活性基团 酸性基团
分离科学与技术第4章 离子交换分离法
离子交换剂的分类 离子交换树脂的结构和作用 离子交换树脂的性质 离子交换树脂的合成 离子交换树脂的种类 离子交换树脂的名称、牌号、命名
第二节 离子交换树脂
一、离子交换剂的分类 离子交换剂：具有离子交换能力的所有物质，通常指 固体离子交换剂，固体离子交换剂又称为吸着离子交换
剂。
无机离子交换剂
有机离子交换剂
力学/化学性能差，交换速率快，交换容量大。
第二节 离子交换树脂
三、离子交换树脂的性质 6. 交换容量：总交换容量、操作交换容量 树脂的交换能力决定于树脂中活性基团的数目。交换 溶量表示交换能力的大小。 总交换容量：单位体积湿树脂或单位质量干树脂中，
所有交换基团的总数（注意：它是常数，不代表真实交
换能力）。
第二节 离子交换树脂
五、种类 2. 阴离子交换树脂 1) 强碱性阴离子交换树脂 特点：
• 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。
第二节 离子交换树脂
五、种类 2. 阴离子交换树脂 2) 弱碱性阴离子交换树脂
第二节 离子交换树脂
五、种类
物理结构分：凝胶型、大孔型、载体型 原料单体分：苯乙烯型、丙烯酸型、酚醛型、环氧型、
乙烯吡啶型。
用途分：工业级、食品级、分析级、核等级、床层专
用、混合床专用等。
交换基团的类别分：
第二节 离子交换树脂
五、种类 按照交换基团的类别分： 阳离子交换树脂 强酸性阳离子交换树脂
树脂的分类（母体骨架）：酚醛树脂、苯乙烯树脂
第二节 离子交换树脂
四、离子交换树脂的合成 1. 酚醛树脂：苯酚甲醛聚合
第六章离子交换分离技术
第六章离子交换分离技术1.离子交换法是应用离子交换剂作为吸附剂通过静电引力吸附在离子交换器上，然后用洗脱剂洗脱下来从而达到分离、浓缩、纯化的目的。
现已广泛应用于生物分离过程在原料液脱色、除臭、目标产物的提取，浓缩和粗分离等方面发挥着重要作用。
2.离子交换法要使用离子交换剂，常用的离子交换剂有两种：使用人工高聚物作载体的离子交换树脂是使用多糖做载体的多糖基离子交换剂3.离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子聚合物。
4.离子交换树脂的构成：载体或骨架：功能基团；平衡离子或可交换离子5.离子交换反应是可逆的，符合质量作用定律6.离子交换树脂按照活性离子的分类树脂活性离子带正电荷，可与溶液中的阳离子发生交换，称为阳离子交换树脂树脂活性离子带负电荷，可以溶液中的阴离子发生交换，称为阴离子离子交换树脂7.离子交换树脂分离纯化物质主要通过选择性吸附（进行吸附时具有较强的结合力）和分步洗脱这两个过程来实现8.强酸性阳离子交换树脂洗脱顺序：酸性<中性<碱性9.离子交换树脂的分类方法有4种按树脂骨架的主要成分分：聚苯乙烯型树脂；聚苯烯酸型树脂；多乙烯多氨-环氧氯苯烷树脂；酚-醛型树脂；按骨架的物理结构来分：凝胶型树脂（微孔树脂，呈透明状态，高分子骨架）；大网格树脂（大树树脂，填充剂）；均孔树脂（等孔树脂）；按活性基团分类：阳离子交换树脂，对阳离子具有交换能力强酸性阳离子交换树脂：活性基团为硫酸基团（-SO3H）和次甲酸磺酸基团（-CH2SO3H）。
都是强酸性基团能在溶液中解离出H+。
弱酸性阳离子交换树脂：活性基团由羧基（-COOH）和酚羟基（-OH），交换能力差。
阴离子交换树脂：活性基团为碱性，对阴离子具有交换能力强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团（-NR3OH），能在水中解离出OH-而呈碱性弱碱性阴离子交换树脂：伯氨基（-NH2）仲氨基（-NHR）或叔氨基（-NR2），能在水中解离出OH-，但解离能力较弱，交换能力差以上4种树脂是树脂的基本类型，各种树脂的强弱最好用其活性基团的pK来表示11.大孔型离子交换树脂的特点载体骨架交联度高，有较好的化学和物理稳定性和机械强度孔径大表面积大，表面吸附强孔隙率大，密度小12.离子交换树脂的命名由3位阿拉伯数字组成：第一位数字代表产品的分类，第二位数字代表骨架，第三位数字微顺序号13.离子交换树脂的理化性能：交联度；交换容量；粒度和形状（色谱用50到100目树脂，一般提取纯化用20到60目树脂）；滴定曲线（是检验和测定离子交换树脂性能的重要数据）；稳定性；膨胀性（膨胀度）14.交换容量（名解）：是每克干燥的离子交换树脂或每毫升完全溶胀的离子交换树脂所能吸附的一价离子的毫摩尔数。
《离子交换分离法》ppt课件
对象广，分别容易，运用设备简单、操作方便、 劳动条件较好等优点。 几乎一切无机离子以及许多构造复杂、性质类似的 有机化合物都适用。顺应工业消费大规模分别要 求，也适宜实验室超微量物质的分别。
1．定义及原理
① 定义 离子交换是经过一种称为离子交换树脂的物质来 进展的。 离子交换树脂遇水溶液时，可以从水溶液中吸着 某种(类)离子，而把本身所具有的另外一种一样 电荷符号的离子等摩尔量地交换到溶液中去，这 种景象称为离子交换。
分配层析：是指在一个有两相存在的系 统中，利用不同物质的分配系数不同而 使其分别的方法。
纸上层析的展开方式可分为三种： ⑴ 上升法〔上行法〕 ⑵ 下降法〔下行法〕 ⑶ 环行法〔程度法〕
柱层析
一、吸附柱层析 1. 原理
吸附柱层析是利用吸附剂对混合试样各组分的吸 附力不同而使各组分分别。
固 定 相 ： 固 体 吸 附 剂 流 动 相 ： 即 洗 脱 剂 。 三 种 ： 纯 溶 剂 或 原 试 样 或 吸 附 力 更 强 的 溶 液 。
=
LA LC
各种组分具有各自的分配系数K，同一物质， 温度不同时，K不同。
在分配的各组分中，某组分K↗，那么固定 相中浓度 C固 ↗，
C流↘，后出柱。
第五章、离子交换分别法
内容
〔一〕离子交换分别法概述 〔二〕离子交换剂 〔三〕离子交换树脂的物理性能 〔四〕离子交换树脂的化学特性 〔五〕 离子交换实验技术 〔六〕 运用
2. 挪动速率Rf Rf主要是用于比较各组分挪动速度的大小，即在同一 时间内，各组分挪动间隔的大小，作为定性之用。
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 速 率
R f 洗 脱 剂 上 层 液 面 移 动 速 率
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 距 离
1．定义及原理
① 定义 离子交换是经过一种称为离子交换树脂的物质来 进展的。 离子交换树脂遇水溶液时，可以从水溶液中吸着 某种(类)离子，而把本身所具有的另外一种一样 电荷符号的离子等摩尔量地交换到溶液中去，这 种景象称为离子交换。
分配层析：是指在一个有两相存在的系 统中，利用不同物质的分配系数不同而 使其分别的方法。
纸上层析的展开方式可分为三种： ⑴ 上升法〔上行法〕 ⑵ 下降法〔下行法〕 ⑶ 环行法〔程度法〕
柱层析
一、吸附柱层析 1. 原理
吸附柱层析是利用吸附剂对混合试样各组分的吸 附力不同而使各组分分别。
固 定 相 ： 固 体 吸 附 剂 流 动 相 ： 即 洗 脱 剂 。 三 种 ： 纯 溶 剂 或 原 试 样 或 吸 附 力 更 强 的 溶 液 。
=
LA LC
各种组分具有各自的分配系数K，同一物质， 温度不同时，K不同。
在分配的各组分中，某组分K↗，那么固定 相中浓度 C固 ↗，
C流↘，后出柱。
第五章、离子交换分别法
内容
〔一〕离子交换分别法概述 〔二〕离子交换剂 〔三〕离子交换树脂的物理性能 〔四〕离子交换树脂的化学特性 〔五〕 离子交换实验技术 〔六〕 运用
2. 挪动速率Rf Rf主要是用于比较各组分挪动速度的大小，即在同一 时间内，各组分挪动间隔的大小，作为定性之用。
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 速 率
R f 洗 脱 剂 上 层 液 面 移 动 速 率
色 带 中 心 （ 浓 度 中 心 ） 移 动 距 离
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1.1 离子交换树脂合成
• 反应槽上方是原料(如苯乙烯、二乙烯苯及助剂) • 反应槽下方是水
致孔剂： 甲苯、石油醚、 石蜡、正庚烷等
1.3 离子交换树脂分类（功能基团）
种类
1
强酸型
2
弱酸性
3
强碱性
活性基团
磺酸基（-SO3H） 磷酸基（-PO3H2）、羧酸基（-COOH） 季铵型：三甲胺基 （-N+(CH3)3)
螯合树脂： 聚异硫脲树脂 弱碱性，加合质子带正电荷。 不加合质子时，可以配位金 属离子交换； 加合质子时，以阴离子负载 金属配阴离子，如四氯合钯 阴离子。
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含氮杂环树脂
n
N S
N
N-甲基-2-硫-咪唑树脂
N-甲基-2-硫-咪唑树脂在13mol/L盐酸中对钯（II）有选 择性，容量可达247mg/g；
3-甲基咪唑树脂可从铜、锌、 硒等元素中分离出微量的铂、 铱、金；
胺基吡啶树脂在盐酸溶液中 可与金（III）、铂（IV）、 钯（II）发生交换。
3-甲基吡唑树脂 胺基吡唑树脂
4
1.5 离子交换树脂物化性能
交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量 或称表观交换容量（在某一条件下）；
• 单位质量的干离子交换剂 或单位体积的湿离子交换 剂所能吸附的一价离子的 物质的量(mmol)。
• 滴定曲线：以单位质量干 离子交换剂加入NaOH或 HCl的量（mmol）为横坐 标，以平衡值为纵坐标.
1.5 离子交换树脂物化性能
溶胀和含水量：
树脂碳氢主链憎水，但功能基团亲水； 当功能基团的离子由水化半径小的离子交换为水化半径
大的离子，也导致体积膨胀： 阳离子树脂，不同一价离子树脂溶胀率：
强酸性 强碱性
(CH 3 )3 N
(CH 3) 2NC 2H 4OH
工业用量 占总用量 的 95% 以 上！
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。 强酸性
弱酸性
3,5-二羟基苯甲酸
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
丙烯酸系离子交换树脂： 丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与二乙烯基苯共聚再水解
酸/碱等去除； 食品及添加剂提纯分离、脱色脱
盐等； 催化：酯的水解、糖水解、
Michael加成等；
应用 ： 脱盐、海水淡化； 废水处理，如重金属离子、有机
酸/碱等去除； 废水中酸碱或金属离子回收等； 能源：燃料电池、液流电池等；
1
一、离子交换树脂
含水状态下的离 子交换树脂内部溶 胀存在細孔，离子 就在其间扩散交换。
2014/12/17 什么是离子交换？
摩西带领以色列人经过一处 Marah的地方，到处是苦咸水， 摩西向上帝祷告，上帝赐给他 一棵“神树”，当他把“神树” 投进水里，水就变甜了。
-----《圣经》 “神树”能交换（吸附）Ca2+、Mg2+？
离子交换树脂&离子交换膜
应用 ： 水的软化、脱盐； 废水处理，如重金属离子、有机
阴/阳离子交换树脂
1.2 离子交换树脂微观形貌
凝胶型樹脂 比表面积：1m2/g； 体积交换容量大； 生产工艺简单成本低； 耐渗透强度差； 抗有机污染差；
大孔型樹脂 比表面积：100m2/g； 孔径：20-500nm； 耐渗透强度高； 抗有机污染 生产成本高； 再生费用高；
2014/12/17
H+>Na+>NH4+>K+>Ag+ Na+型转为H+型体积膨胀5% 阴离子树脂溶胀顺序： OH->HCO3->SO42->Cr2O72Cr2O72-转为OH-体积膨胀30%
2014/12/17 1.5 离子交换树脂物化性能
孔隙率、孔径、比表面积
孔隙率：孔的总体积与树脂体积的比值，也可用孔度表示， 即单位质量或体积的树脂所具有的孔体积，常用单位ml/g 或ml/ml；
到的表观平衡常数的比值
[RA][H + ]
A/ B
KA
/
KB
[RH][A ]
[RB][H + ]
[RA][B+ ] [RH][A ]
[RH][B ]
2014/12/17
1.6 离子交换平衡
平衡常数：
溶液中：
各项均为活度
而树脂相中确定活度系数非常困难，溶液中离子浓 度非常低，实际上计算时用浓度代替活度：
n
COOH N
COOH N
COOH
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含硫树脂
硫作为给体的配位基对贵金 属特别是汞有很强的亲和力；
巯基对金、银、汞离子有选 择性；
盐酸溶液中，负载金可达 1970mg/g,负载银428mg/g,而 铁、锰钴、铜等离子几乎没 有干扰。
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
酸性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
弱碱性
多亚乙基多胺
强碱性
N,N-二甲基-1,3丙二胺
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。
弱碱性
间苯二胺
强碱性
环氧氯丙烷+多亚乙基多胺
3
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 胺基羧酸螯合树脂
n
COOH N
COOH
乙二胺四乙酸（EDTA）能和碱金属、稀土 元素和过渡金属等形成稳定的水溶性络合物。
孔径：凝胶树脂孔径平均2~4nm，大孔树脂20~500nm； 比表面积：凝胶树脂约1m2/g，大孔树脂10~100m2/g.
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
5
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
1.6 离子交换平衡
选择系数：同一种树脂，在相同条件下交换不同离子所得
一、离子交换树脂
离子交换树脂及应用； 离子交换膜及应用
什么是离子交换？
不溶性物质（树脂或膜）从水溶液中除去阴离子 或阳离子，并放出相同电荷离子进入溶液中的一 种可逆式相互交换反应。 R-SO3H + Na+ → R-SO3Na + H+
R-N(CH3)4 Cl+ OH- → R-N(CH3)4 OH + Cl-
二甲基乙醇胺
4
弱碱性
5
螯合型
伯、仲、叔氨基（-NH2，-NHR，-NR2） 羧胺基：
6
两性
强碱+弱酸：（-N+(CH3)3 + -COOH） 弱碱+强酸：（-NH2 + -COOH）
7
氧化-还原性
巯基（-CH2SH），对苯二酚基（
2
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
苯乙烯基离子交换树脂： 苯乙烯-二乙烯基苯在水相悬浮共聚得到共聚物珠体再功能化
• 反应槽上方是原料(如苯乙烯、二乙烯苯及助剂) • 反应槽下方是水
致孔剂： 甲苯、石油醚、 石蜡、正庚烷等
1.3 离子交换树脂分类（功能基团）
种类
1
强酸型
2
弱酸性
3
强碱性
活性基团
磺酸基（-SO3H） 磷酸基（-PO3H2）、羧酸基（-COOH） 季铵型：三甲胺基 （-N+(CH3)3)
螯合树脂： 聚异硫脲树脂 弱碱性，加合质子带正电荷。 不加合质子时，可以配位金 属离子交换； 加合质子时，以阴离子负载 金属配阴离子，如四氯合钯 阴离子。
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含氮杂环树脂
n
N S
N
N-甲基-2-硫-咪唑树脂
N-甲基-2-硫-咪唑树脂在13mol/L盐酸中对钯（II）有选 择性，容量可达247mg/g；
3-甲基咪唑树脂可从铜、锌、 硒等元素中分离出微量的铂、 铱、金；
胺基吡啶树脂在盐酸溶液中 可与金（III）、铂（IV）、 钯（II）发生交换。
3-甲基吡唑树脂 胺基吡唑树脂
4
1.5 离子交换树脂物化性能
交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量 或称表观交换容量（在某一条件下）；
• 单位质量的干离子交换剂 或单位体积的湿离子交换 剂所能吸附的一价离子的 物质的量(mmol)。
• 滴定曲线：以单位质量干 离子交换剂加入NaOH或 HCl的量（mmol）为横坐 标，以平衡值为纵坐标.
1.5 离子交换树脂物化性能
溶胀和含水量：
树脂碳氢主链憎水，但功能基团亲水； 当功能基团的离子由水化半径小的离子交换为水化半径
大的离子，也导致体积膨胀： 阳离子树脂，不同一价离子树脂溶胀率：
强酸性 强碱性
(CH 3 )3 N
(CH 3) 2NC 2H 4OH
工业用量 占总用量 的 95% 以 上！
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。 强酸性
弱酸性
3,5-二羟基苯甲酸
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
丙烯酸系离子交换树脂： 丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯与二乙烯基苯共聚再水解
酸/碱等去除； 食品及添加剂提纯分离、脱色脱
盐等； 催化：酯的水解、糖水解、
Michael加成等；
应用 ： 脱盐、海水淡化； 废水处理，如重金属离子、有机
酸/碱等去除； 废水中酸碱或金属离子回收等； 能源：燃料电池、液流电池等；
1
一、离子交换树脂
含水状态下的离 子交换树脂内部溶 胀存在細孔，离子 就在其间扩散交换。
2014/12/17 什么是离子交换？
摩西带领以色列人经过一处 Marah的地方，到处是苦咸水， 摩西向上帝祷告，上帝赐给他 一棵“神树”，当他把“神树” 投进水里，水就变甜了。
-----《圣经》 “神树”能交换（吸附）Ca2+、Mg2+？
离子交换树脂&离子交换膜
应用 ： 水的软化、脱盐； 废水处理，如重金属离子、有机
阴/阳离子交换树脂
1.2 离子交换树脂微观形貌
凝胶型樹脂 比表面积：1m2/g； 体积交换容量大； 生产工艺简单成本低； 耐渗透强度差； 抗有机污染差；
大孔型樹脂 比表面积：100m2/g； 孔径：20-500nm； 耐渗透强度高； 抗有机污染 生产成本高； 再生费用高；
2014/12/17
H+>Na+>NH4+>K+>Ag+ Na+型转为H+型体积膨胀5% 阴离子树脂溶胀顺序： OH->HCO3->SO42->Cr2O72Cr2O72-转为OH-体积膨胀30%
2014/12/17 1.5 离子交换树脂物化性能
孔隙率、孔径、比表面积
孔隙率：孔的总体积与树脂体积的比值，也可用孔度表示， 即单位质量或体积的树脂所具有的孔体积，常用单位ml/g 或ml/ml；
到的表观平衡常数的比值
[RA][H + ]
A/ B
KA
/
KB
[RH][A ]
[RB][H + ]
[RA][B+ ] [RH][A ]
[RH][B ]
2014/12/17
1.6 离子交换平衡
平衡常数：
溶液中：
各项均为活度
而树脂相中确定活度系数非常困难，溶液中离子浓 度非常低，实际上计算时用浓度代替活度：
n
COOH N
COOH N
COOH
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 含硫树脂
硫作为给体的配位基对贵金 属特别是汞有很强的亲和力；
巯基对金、银、汞离子有选 择性；
盐酸溶液中，负载金可达 1970mg/g,负载银428mg/g,而 铁、锰钴、铜等离子几乎没 有干扰。
2014/12/17
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
酸性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
弱碱性
多亚乙基多胺
强碱性
N,N-二甲基-1,3丙二胺
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
缩聚型离子交换树脂： 酚类与甲醛缩聚物功能化。
弱碱性
间苯二胺
强碱性
环氧氯丙烷+多亚乙基多胺
3
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
螯合树脂： 胺基羧酸螯合树脂
n
COOH N
COOH
乙二胺四乙酸（EDTA）能和碱金属、稀土 元素和过渡金属等形成稳定的水溶性络合物。
孔径：凝胶树脂孔径平均2~4nm，大孔树脂20~500nm； 比表面积：凝胶树脂约1m2/g，大孔树脂10~100m2/g.
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
5
1.5 离子交换树脂物化性能
稳定性：化学稳定性、热稳定性；
1.6 离子交换平衡
选择系数：同一种树脂，在相同条件下交换不同离子所得
一、离子交换树脂
离子交换树脂及应用； 离子交换膜及应用
什么是离子交换？
不溶性物质（树脂或膜）从水溶液中除去阴离子 或阳离子，并放出相同电荷离子进入溶液中的一 种可逆式相互交换反应。 R-SO3H + Na+ → R-SO3Na + H+
R-N(CH3)4 Cl+ OH- → R-N(CH3)4 OH + Cl-
二甲基乙醇胺
4
弱碱性
5
螯合型
伯、仲、叔氨基（-NH2，-NHR，-NR2） 羧胺基：
6
两性
强碱+弱酸：（-N+(CH3)3 + -COOH） 弱碱+强酸：（-NH2 + -COOH）
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氧化-还原性
巯基（-CH2SH），对苯二酚基（
2
1.4 离子交换树脂分类（骨架）
苯乙烯基离子交换树脂： 苯乙烯-二乙烯基苯在水相悬浮共聚得到共聚物珠体再功能化