第四章 离子交换分离法

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1、13级应用化学专业第第4章章 离子交换分离法离子交换分离法4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类4-2 离子交换树脂的性质离子交换树脂的性质4-3 离子交换的基本理论离子交换的基本理论4-4 离子交换动力学离子交换动力学4-5 离子交换分离的操作方法与应用离子交换分离的操作方法与应用13级应用化学专业目的及要求：目的及要求：1.了解离子交换的定义、离子交换树脂的合成、性质和分类，了解离子交换的定义、离子交换树脂的合成、性质和分类，了解离子交换动力学了解离子交换动力学 ；2.掌握离子交换法的基本理论（杜南理论的推导、原则和方程掌握离子交换法的基本理论（杜南理论的推导、原则和方程

2、式、掌握离子交换法的操作方法式、掌握离子交换法的操作方法 ；3.关注离子交换法的应用。关注离子交换法的应用。 重点和难点：重点和难点：重点：重点：离子交换树脂的交联度与溶胀离子交换树脂的交联度与溶胀 ；交换容量；杜南理论；交换容量；杜南理论； 选择系数和平衡系数；交换过程；选择系数和平衡系数；交换过程； 树脂的选择和处理；柱上操作；树脂的选择和处理；柱上操作；难点：难点：杜南理论和离子交换亲和力杜南理论和离子交换亲和力。第第4章章 离子交换分离法离子交换分离法13级应用化学专业概述概述1850年，Thompson和Way，土壤中钙、镁离子与水中的钾、铵离子的交换现象；1903年，Harms和R

3、umpler，硅酸铝盐离子交换剂的合成； 1933年，Adams和Holms，人工方法制造酚醛类型的阳、阴离子交换树脂； 1945年，D. A1elio，制备聚苯乙烯型强酸性及聚丙烯酸型弱酸性阳离子交换树脂； 聚苯乙烯阴离子交换树脂、氧化还原树脂以及螯合型树脂等也相继出现；二十世纪五十年代后期，各种大孔型的树脂又相继发展。第第4章章 离子交换分离法离子交换分离法13级应用化学专业“离子交换树脂之父离子交换树脂之父”何炳林何炳林南开大学教授南开大学教授, ,中国科学院院士中国科学院院士19421942年毕业于西南联合大学年毕业于西南联合大学19521952年获美国印第安纳大学博士学位年获美国印第

4、安纳大学博士学位 开创并发展了我国的离子交换树脂开创并发展了我国的离子交换树脂和吸附工业，发明了大孔离子交换树脂，和吸附工业，发明了大孔离子交换树脂，系统研究了新型离子交换树脂和大孔新系统研究了新型离子交换树脂和大孔新型吸附树脂的合成、结构、性质及应用。型吸附树脂的合成、结构、性质及应用。第第4章章 离子交换分离法离子交换分离法13级应用化学专业离子交换离子交换离子交换剂中的可被交换离子与试液中带相同电荷的离子间的交换作用。离子交换分离法离子交换分离法利用这种离子交换进行元素间分 离的方法。 利用利用离子交换剂作为吸附剂离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其将溶液中的待分离组分，依

5、据其电荷差异电荷差异，依靠，依靠库仑力库仑力吸附在离吸附在离子交换剂上，然后利用合适的洗子交换剂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从交换剂上洗脱下脱剂将吸附质从交换剂上洗脱下来，达到分离的目的。来，达到分离的目的。第第4章章 离子交换分离法离子交换分离法13级应用化学专业离子交换剂离子交换剂 海绿砂、泡沸石、磷酸锆、磷酸铵等海绿砂、泡沸石、磷酸锆、磷酸铵等 无机离子交换剂 有机离子交换剂 碳质离子交换剂碳质离子交换剂 离子交换离子交换树脂树脂 弱酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子

6、交换树脂磺化煤磺化煤OHAlOSiNaanalcite22626)()(方沸石OHOAlSiNanatroliteOHOAlSiCaKharmotomeOHAlOSiCaNamordeniteOHAlOSiCaNachabazite22102322142521252262)()(5)(,()(3 . 3)(,()(6)(,()(钠沸石交沸石丝光沸石菱沸石阳离子交换树脂阳离子交换树脂 阴离子交换树脂阴离子交换树脂 特殊树脂特殊树脂 螯合树脂螯合树脂大孔树脂大孔树脂萃淋树脂萃淋树脂。4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业一、离子交换树脂的结构一、离子交换树脂的结

7、构 离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂的网状结构离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂的网状结构的功能高分子化合物。的功能高分子化合物。具有三维空间立体结构的网络具有三维空间立体结构的网络骨架；骨架；联接在骨架上的联接在骨架上的活性基团；活性基团；活性基团所带的相反电荷的活性基团所带的相反电荷的活性离子活性离子（可交换离子可交换离子）。）。4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业 组成组成 离子交离子交换树脂换树脂母体母体-骨架骨架活性基团活性基团固固 定定 离离 子子可交换离子可交换离子苯乙烯苯乙烯( (单体单体) )+ +二乙烯苯二乙烯苯( (交联剂交

8、联剂) )母体母体共聚共聚H2SO4功功能能基基反反应应R SO3 H固定离子固定离子 可交换离子可交换离子母体母体u可交换离子为阳离子，称阳离子交可交换离子为阳离子，称阳离子交换树脂，与阳离子发生交换换树脂，与阳离子发生交换u可交换离子为阴离子，称阴离子交可交换离子为阴离子，称阴离子交换树脂，与阴离子发生交换换树脂，与阴离子发生交换13级应用化学专业离子交换树脂结构骨架：骨架：接有功能基团，本身是惰性接有功能基团，本身是惰性功能基团：功能基团：连接在骨架上，可与相连接在骨架上，可与相反离子结合反离子结合待交换离子：待交换离子：在吸附阶段可与活在吸附阶段可与活性离子交换，与骨架上的功能基性离子

9、交换，与骨架上的功能基团结合团结合可交换离子：可交换离子：与功能基团所带电荷与功能基团所带电荷相反的可移动的离子相反的可移动的离子13级应用化学专业4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业交换前交换前交换达到平衡后交换达到平衡后阳离子交换树脂阳离子交换树脂4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业交换前交换前交换达到平衡后交换达到平衡后阴离子交换树脂阴离子交换树脂4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业 1、按聚合物的生成分、按聚合物的生成分 缩聚法缩聚法在反应过程中有低分子产物（通常是水）产生

10、。在反应过程中有低分子产物（通常是水）产生。 以甲醛为交联剂、稳定性不好。以甲醛为交联剂、稳定性不好。 加聚法加聚法在反应过程中没有水产生。在反应过程中没有水产生。 以以二乙烯苯二乙烯苯等为交联剂树脂结构确定，常为单功能团，树等为交联剂树脂结构确定，常为单功能团，树脂一般性能较好，为球形。脂一般性能较好，为球形。二、离子交换树脂的合成方法二、离子交换树脂的合成方法CH=CH2+CH=CH2CH=CH2CH2 -CH2-CH2-CH2 - CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2-CH2-CH2CH2-CH24-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂

11、的合成和分类13级应用化学专业2、按功能基的反应分、按功能基的反应分由单体和交联剂 进行悬浮共聚，制成交联共聚体，再引入 功能基团；用带功能基团的单体与交联剂混合进行悬浮共聚，直接得 到离子交换树脂。 (常用常用) 最常用的是聚苯乙烯类的离子交换树脂，它是由苯乙烯与二乙烯基苯的悬浮共聚得到体型共聚物小珠，再通过苯环的取代反应及功能基转化而制成。4-1 离子交换树脂的合成和分类离子交换树脂的合成和分类13级应用化学专业阳离子交换树脂的合成阳离子交换树脂的合成 在水相中以明胶为分散剂，过氧化苯甲酰为引发剂在水相中以明胶为分散剂，过氧化苯甲酰为引发剂8585进行悬浮聚合。进行悬浮聚合。在二氯乙烷中溶