离子交换与吸附.ppt

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1、第二节离子交换平衡与交换动力学一、离子交换平衡和选择性二、分配系数与分离系数三、离子交换的动力学一、离子交换平衡和选择性各种离子交换树脂相当于各种酸和碱，螯合树脂与氧化还原树脂相当于一般螯合试剂与氧化还原试剂。R：树脂骨架。各种树脂的典型反应可概括如下：（1）强酸树脂相当于硫酸一元酸R-SO3H+NaOH⇌R-SO3Na+H2OR-SO3H+NaCl⇌R-SO3Na+HClR-SO3Na+CaCl2⇌(R-SO3)2Ca+2NaCl（2）弱酸树脂相当于羧酸R-COOH+NaOH⇌R-COONa+H2OR-COONa+CaCl2⇌(R-COO)2Ca+2NaCl（3）强碱树脂相当于季铵

2、R-N(CH3)3OH+HCl⇌R-N(CH3)3Cl+H2OR-N(CH3)3OH+NaCl⇌R-N(CH3)3Cl+NaOH2R-N(CH3)3Cl+H2SO4⇌[R-N(CH3)3]2SO4+2HCl（4）弱碱树脂相当于相应的（伯、仲、叔）胺R-NH2+HCl⇌RNH2·HClR-NH2·HOH+HCl⇌RNH2·HCl+H2OR-NH3Cl+H2SO4⇌(R-NH3)2SO4+2HCl（5）螯合树脂相当于螯合试剂R-N(CH2COONa)2+Cu2+⇌(R-NCH2COO)2Cu+2Na+各种树脂的离子交换反应是一种两相间的可逆反应。选择性系数：表示反应中树脂对各种离子亲和力的

3、差别。考虑一种氢型的阳离子树脂同一价离子M+的交换反应：⇌，：树脂相以下写作，水相中离子略去电荷。反应平衡常数：相应组分的活度系数选择性系数是K略上f的值该值随溶液的浓度，温度变化。离子在树脂相与溶液相浓度之比和氢在树脂相与溶液相之比的比值。若此值大于1，则＞表明M更倾向于留在树脂相，其亲和力更强，树脂倾向于选择性地将它吸附。反之，树脂对氢的亲和性更大些。对于n价离子Mn＋与H+交换的选择性系数表示为：阴离子树脂的选择性系数常用OH-或Cl－作为参考离子。离子与树脂亲和能力的差别，与离子电荷多少及其半径的大小有关。不同价的离子亲和力大小顺序：Na＋＜Ca2+＜Al3+＜Th4+亲和力随

4、电荷增多而增大对于同价离子：Li+＜Na+＜K+＜Rb+＜Cs+,Mg2+＜Ca2+＜Sr2+＜Ba2+即亲和力随水合离子半径的减小而增大。以上顺序是指稀溶液。溶液较浓时，选择性系数与顺序可能变化，酸的存在及浓度大小对选择性也有影响。树脂的交联度提高，一般会增加离子选择性，即增加筛分能力。二、分配系数和分离系数分配系数D：表示某一种离子在树脂相和液相得分配。通常定义为：分配系数：表示两种离子在离子交换中的分离程度。越偏离1，表明M1和M2越容易分离，=1时完全没有分离效果。对于1价离子，值等于该两离子间的选择性系数。三、离子交换的动力学离子交换反应发生在固、液相之间，反应速度较慢，所以

5、反应速率对于分离情况影响较大。溶液中离子A与树脂上离子B发生交换反应时，整个过程分为以下五步：（2）离子A在树脂内扩散到交换位置。（3）A和B在交换位置上发生交换反应。（1）离子A到达树脂表面。溶液的搅拌或在树脂柱中的流动有利于此过程。（4）反应后释放出的B从交换位置扩散到树脂表面。（5）离子B从树脂表面通过液膜扩散到溶液中。为了保持电中性条件，(1)和(5)必须同时以同样的速度发生，(2)和(4)也是同时发生。实际上就是三个步骤：膜扩散、树脂颗粒内的扩散和化学交换。三个步骤中最慢的一步为控制步骤，决定了交换反应速度。这一步骤往往是两扩散步骤之一。扩散速度：单位时间内通过单位面积的离子

6、量。C1,C2：表示扩散界面两侧的离子浓度，C1＞C2；δ：界面层厚度；D：扩散系数，单位是cm2/s影响离子交换速度的因素：1、树脂粒度：树脂颗粒大小对交换速度有很大影响。不管哪步是控制步骤，小颗粒树脂总是相应于大的交换速度。若是膜扩散控制，小颗粒增大了树脂的比表面，单位时间内可以有更多的离子达到单位质量树脂的表面，从而增大总的膜扩散速度。若是颗粒内部扩散为控制步骤，则小颗粒使离子通过的路程缩短，从而加快了过程的速度。颗粒均匀的树脂比不均匀的树脂交换速度高，因为其中大的颗粒数目少。2、树脂交联度：交联度越大，树脂的溶胀性越差，从而影响了离子在树脂颗粒内扩散速度。交联度很大时，树脂内扩

7、散速度可能成为整个过程的控制步骤。3、温度提高温度既提高了扩散速度，又提高了交换反应速度，从而加快整个交换速度。4、溶液浓度溶液浓度小于0.01mol/L时，总的交换速度可由膜扩散决定。当浓度增加时，膜扩散速度上升，浓度达到1.0mol/L以上时，树脂内扩散常变成控制步骤。5、搅拌速度加大搅拌速度可减小膜厚度从而提高扩散速度。搅拌强度达到一定值后，交换速度不再上升。6、交换离子的性质主要是离子的价态和水化离子的大小。在树脂内扩散的离子是由于树脂