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1、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(yáng) 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(yáng) 離 子 進(jìn) 行 交 換 。 例 如 苯 乙 烯 和 二 乙 烯 苯 的 高 聚
2、 物經(jīng) 磺 化 處 理 得 到 強(qiáng) 酸 性 陽(yáng) 離 子 交 換 樹 脂 , 其 結(jié) 構(gòu) 式 可 簡(jiǎn) 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
3、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(guò) 程 。2、 是 一 種 特 殊 的 吸 附 過(guò) 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(dòng) 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(shí) 稱 為 再 生 反 應(yīng) 。 3.5.3離 子 交 換 動(dòng) 力 學(xué)離 子 交
4、換 過(guò) 程 分 五 個(gè) 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(guò) 程 ) 電 解 質(zhì) 離 子 通 過(guò) 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(guò) 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(guò) 程 ) 交 換 后 的 離 子 擴(kuò) 散 到 溶 液 中 。 ( 膜 擴(kuò) 散 過(guò) 程 ) 3.5.4離 子 交 換
5、 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(wú) 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
6、受 PH值 影 響 ) 陽(yáng) 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(guò) 直 徑 很 小 的 離 子 ;直 徑 較 大 的 分 子 通 過(guò) 時(shí) 容 易 堵 塞 孔 道 而 影 響 樹 脂 的 交 換
7、能 力 。b.大 孔 型 樹 脂 : 孔 徑 從 幾 十 到 上 萬(wàn) 埃 , 可 以 使 直 徑 較 大 的 分 子 通行 無(wú) 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
8、 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(yáng) 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(yáng) 離 子 。b. 弱 酸 型 陽(yáng) 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(yáng) 離 子 ;c.
9、 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(duì) 于 HCO3 , CO32 或SiO42 則 無(wú) 法 去 除
10、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
11、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(duì)于 交 換 柱 水 處 理 工 藝 來(lái) 說(shuō) , 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(duì) 水 處 理 的 工 藝 過(guò) 程 有 較 大 的 影 響 。 顆粒 大 , 交 換 速 度 就 慢 ; 顆 粒 小 , 水 通 過(guò) 樹 脂 層 的 壓 力 損 失 就 大 。如 果 各 個(gè) 顆 粒 的 大 小 相 差 很 大 , 則 對(duì) 水 處 理 的 工 藝
12、 過(guò) 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(shí) 流 速 過(guò) 大 會(huì) 沖 走 小 顆 粒 樹 脂 , 而 流速 過(guò) 小 , 又 不 能 松 動(dòng) 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(guò) 充 分 膨 脹 后 , 樹 脂 顆 粒的 密 度 : ( 3) 濕 視 密
13、度 . 是 指 樹 脂 在 水 中 充 分 膨 脹 后 的 堆 積密 度 , 濕 視 密 度 用 來(lái) 計(jì) 算 交 換 器 中 裝 載 時(shí) 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(shí) ,其 體 積 常 常 要 變大 ,這 種 現(xiàn) 象 稱 為 溶 脹 。 一 般 , 強(qiáng) 酸 性 陽(yáng) 離 子 交 換 樹 脂 由 Na轉(zhuǎn)變 成 H型 ,
14、 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(guò) 程 中 會(huì) 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(guò) 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
15、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(guò) H型 離 子 交換 樹 脂 時(shí) , 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(guò) 此失 效 的 離 子 交 換 樹 脂 , 以 恢 復(fù) 其 交 換 能
16、 力 , 其 反 應(yīng) 如 下 : R2Ca 2H 2RH Ca2 這 兩 種 反 應(yīng) , 實(shí) 質(zhì) 上 就 是 可 逆 反 應(yīng) 式 化 學(xué) 平 衡 的 移 動(dòng) 。 當(dāng) 水中 Ca 2 和 H型 離 子 交 換 樹 脂 多 時(shí) , 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(yáng) 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
17、 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(yáng) 離 子 ( 或陰 離 子 ) 進(jìn) 行 交 換 反 應(yīng) , 故 強(qiáng) 酸 性 陽(yáng) 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 O
18、H-) 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(lái) 就 比 較 困 難 ; 而 另 一 些 離子 很 難 被 吸 著 , 但 被 置 換 下 來(lái) 卻 比 較 容 易 , 這 種 性 能 稱 為 離 子交 換 的 選 擇 性 。 選 擇 性 會(huì) 影 響 到 離 子 交 換 樹 脂 的 交 換 和 再 生 過(guò) 程 。 影 響 離 子 交 換 樹 脂 選
19、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(shí) 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(jià) 數(shù) 高 的離 子 , 在 同 價(jià) 離 子 中 優(yōu) 先 交 換 原 子 序 數(shù) 大 的 離 子 。如 : 強(qiáng) 酸 性 陽(yáng) 離 子 交 換 樹 脂 : Fe3+ AL3+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ H+弱 酸 性 陽(yáng) 離 子 交 換 樹 脂 : H+ Fe3+ AL3+ Ca2+
20、 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(cè) 定 其 全
21、 部 交 換 下 來(lái) 的 量 。 對(duì) 于 同 一 種 離 子 交 換 樹 脂 來(lái) 說(shuō) ,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(shí) 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(dòng) 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
22、 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(shí) 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 !