污染控制化学6.pptx

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1、第4章污染物的离子交换分离控制第1页/共44页离子交换剂的早期应用沸石净水土壤保肥自从人工合成有机高分子离子交换树脂以来，离子交换剂的应用发展很快。第2页/共44页第3页/共44页第4页/共44页4.1离子交换剂及其基本性质离子交换剂及其基本性质第5页/共44页第6页/共44页离子交换剂离子交换剂基本组成：基本组成：骨架骨架功能团功能团 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基本性质：基本性质：交联度、溶胀性、交换容量、孔径、稳定性交联度、溶胀性、交换容量、孔径、稳定性等等第7页/共44页离子交换树脂的骨架 苯乙烯-二乙烯苯的共聚物类骨架 酚醛树脂骨架 乙烯吡啶型骨架 第8

2、页/共44页苯乙烯-二乙烯苯的共聚物类骨架CH=CH2CHCH2+CH=CH2CH=CH2CHCH2CHCH2CHCH2CHCH2HCCH2酚醛树脂骨架 第9页/共44页离子交换树脂的类型阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂（含磺酸基或苯磺酸基）弱酸性阳离子交换树脂（含羧基或酚基）中等酸性阳离子交换树脂（含-PO3H2，-AsO3H2，-SeO3H等中强酸性功能团）第10页/共44页阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂（含季胺盐或叔胺基）弱碱性阴离子交换树脂（含叔胺基、仲胺基或伯胺基）第11页/共44页两性离子交换树脂 第12页/共44页螯合型离子交换树脂 硼树脂8-羟基喹啉CH2CH CH2CH

3、 CH2HOCH CH2CH2CH2CH2CH2HONCH2OHSO3H第13页/共44页其它的特种树脂萃淋树脂（Levextrel树脂）以苯乙烯和二乙烯苯为骨架的大孔结构和液态有机萃取剂的共聚物。大环聚醚及穴醚类树脂（含O杂原子）苯基18-冠-6树脂（B-18-C-6）C=crown（王冠）锚合基团K+第14页/共44页离子交换树脂的命名一般凝胶型离子交换树脂命名方法：功能团分类代号（产品的分类）骨架分类代号（骨架的差异）顺序号（区分基团及交联剂的差别）联接符号凝胶型树脂后所注明的交联度数值凡是具有物理孔结构的树脂称为大孔树脂，在全名称前加D，以示与普通的凝胶型树脂的区别。第15页/共44页

4、表4-2国产离子交换树脂分类名称及代号和骨架分类名称及代号分类名称分类名称数字数字代号代号对应的功能团对应的功能团数字数字代号代号骨架名称骨架名称强酸性强酸性0磺酸基（磺酸基（-SO3H）0苯苯 乙乙 烯烯 系系弱酸性弱酸性1羧酸基（羧酸基（-COOH），磷酸基（），磷酸基（-PO3H2）等）等1丙丙 烯烯 酸酸 系系强碱性强碱性2季胺基季胺基2酚酚 醛醛 系系弱碱性弱碱性3伯、仲、叔胺基（伯、仲、叔胺基（-NH2,-NHR,-NR2）等）等3环环 氧氧 系系螯合性螯合性4胺羧基胺羧基4乙烯吡啶系乙烯吡啶系两性两性5强碱弱酸（强碱弱酸（-N(CH3)3,-COOH）弱碱弱酸（弱碱弱酸（-NH2

5、-COOH）等）等5脲脲 醛醛 系系氧化还原性氧化还原性6硫醇基（硫醇基（-CH2SH），对苯二酚），对苯二酚基基6氯氯 乙乙 烯烯 系系第16页/共44页举例：0017强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂（交联度7%）D001大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂D113大孔弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂第17页/共44页另外，用其它符号表示树脂的用途字符组5：不同用途的树脂的代号：SC-双层床；FC-浮动床；MB-混合床；MBP-凝结水混床；P-凝结水单床；TR-三层床混床字符组6：特殊用途竖直代号：-NR-核级树脂；-ER-电子级树脂；-FR-食品级树脂第18页/共44页第19页/共44页离子交换剂的基

6、本性质（1）交联度（DCL）交联剂(Cross-linkingagent)：在有机离子交换树脂合成中，将树脂的多条骨架相互连在一起形成树脂的立体网状结构的化合物称为离子交换树脂的交联剂。如二乙烯苯（DVB）是树脂的交联剂；在酚醛树脂的合成中，甲醛也是一种交联剂。交联度（Degreeofcross-linking）：交联剂在树脂内的百分含量称为交联度。第20页/共44页（2）网孔）网孔一般微孔树脂网孔：一般微孔树脂网孔：=2nm4nm（一般分子（一般分子0.52nm）大网孔树脂：大网孔树脂：=100nm1000nm(macroporousresin)R1：=3.22nmR2：=1.60nmR3：

7、=1.28nm苯酚（0.57nm）芦丁（1.5nm）人参皂甙（1.98nm）高等学校化学学报，2005,26(4):765768第21页/共44页（3）溶胀性干树脂吸水发生膨胀的性质称为树脂的溶胀性。溶胀率：在树脂的溶胀过程，干树脂在浸入液体后体积发生膨胀，其膨胀程度可用溶胀率表示，溶胀率实际上就是树脂浸泡在溶液前后的体积比。第22页/共44页表4-3强酸性离子交换树脂在水中的溶胀性交联度交联度(DVB%)溶胀性溶胀性mg H2O/mmol(+)树脂树脂HRLiRNaRKRCsR2943625513500345441735730329423382191961721671441214513011

8、511210016128119999586249680716959水合阳离子半径水合阳离子半径(nm 10)9.06.04.23.02.5注：DVB为二乙烯苯，即强酸性树脂的交联剂第23页/共44页溶胀性ml/mol(+)溶胀性ml/mol(+)第24页/共44页（4）交换容量交换容量表示的是一定量离子交换树脂内含有可交换离子的量。全交换容量：是以树脂中含交换基团的总数来表示，即为树脂内所有可交换离子全部发生交换时的交换容量。这也是树脂可能达到的最高交换容量。工作交换容量：工作交换容量也称为有效交换容量，是指交换树脂在一定的操作条件下，实际所测得的交换容量。第25页/共44页常用两种单位来表示

9、树脂的交换容量：一种是用单位重量干树脂所能交换的相当于一价阳离子的毫摩尔数，即用mmol(+)/g干树脂来表示；另一种是用单位体积充分溶胀的湿树脂所能交换的相当于一价阳离子的毫摩尔数来表示，如mmol(+)/ml湿树脂。现在更多的是用cmol(+)/kg来表示固体物质的阳离子交换量。第26页/共44页必须指出，树脂交换容量的数值上总是与吸附的离子有关。例如，某氢型磺酸型阳离子交换树脂的交换容量为5.2mmol(+)/g干树脂。若转化成钠型后，因1g氢型树脂因交换Na后将增重至1.114g，由此可以算 出 按 钠 型 树 脂 计 算 其 交 换 容 量 将 为 4.67mmol(+)/g干树脂。

10、一般阳离子树脂的交换容量均指干燥的氢型树脂的交换容量，而阴离子树脂则以干燥的氯型树脂来表示。第27页/共44页（5）酸碱性离子交换树脂的酸碱特性可以由“pH滴定曲线”来表示。pH滴定曲线测定：称取相同重量待测干树脂样品若干份，置于锥形瓶内，加入等量的蒸馏水或一定浓度的盐溶液(如如1mol/LNaCl)，再分别加入不同量已知浓度的酸或碱的标准溶液，待振荡平衡后，分别测定上层清液的pH值即可（强酸（碱）性离子交换剂放置24，弱酸（碱）性离子交换剂放置日）。第28页/共44页 滴定曲线是检验和测定离子交换剂性能的重要数据。利用滴定曲线的转折点，可估算离子交换剂的交换容量，而由转折点的数目，可推算不同

11、离子交换基团的数目。同时，滴定曲线还表示交换容量随pH的变化。因此，滴定曲线比较全面地表征了离子交换剂的性质。第29页/共44页A:强酸型强酸型B:弱酸型弱酸型C:中强酸型中强酸型D:强碱型强碱型E:弱碱型弱碱型第30页/共44页A:强酸型强酸型B:弱酸型弱酸型C:中强酸型中强酸型D:强碱型强碱型E:弱碱型弱碱型第31页/共44页（6）稳定性（自学）物理稳定性化学稳定性：忌强酸、强碱长时间浸泡；强氧化剂作用破坏树脂的交联度，树脂的交联度愈低，则树脂的化学稳定性也愈差；辐照稳定性：树脂骨架以及交换功能团的性质都与树脂的辐照稳定性有关。骨架中含有芳香环结构的树脂要比脂肪链结构的树脂稳定。骨架交联度

12、大的树脂又比交联度小的树脂更稳定。第32页/共44页4.2离子交换分离法的基本原理离子交换分离法的基本原理H+型阳离子交换剂H3PO4C2H5OHKH2PO4C2H5OHOH-型阴离子交换剂KOHC2H5OHKH2PO4C2H5OH第33页/共44页离子交换的质量作用定律 因为r=a/C，所以有：XAr、XBr和分别表示和分别表示A、B离子在树脂相中的当量分数离子在树脂相中的当量分数第34页/共44页 Ka 称称表表观观平平衡衡常常数数，表表示示两两种种离离子子对对树树脂脂的的相相对对亲亲和和力力，相相当当于于选选择择系系数数，在在某某些些理理想想情况下是一常数。情况下是一常数。第35页/共4

13、4页表表4-5不同离子在不同离子在Dowex50树脂上的选择系数树脂上的选择系数离离 子子交交 联联 度度离离 子子交交 联联 度度4%8%12%4%8%12%Li+1.001.001.00Mg2+2.953.293.51H+1.321.271.47Zn2+3.133.473.78Na+1.581.982.37Co2+3.233.743.81NH4+1.902.553.34Cu2+3.293.854.46K+2.272.904.50Cd2+3.373.884.95Rh+2.463.164.62Ni2+3.453.934.05Cs+2.673.254.66Ca2+4.155.167.27Ag+4

14、.738.522.9Sr2+4.706.5110.1Tl+6.7112.428.5Pb2+5.569.9118.0UO22+2.362.453.34Ba2+7.4711.520.8注：Dowex50树脂为一种亚氨基二乙酸型树脂第36页/共44页离子交换的亲和力离子交换的亲和力（1）在稀溶液中，不同价数的简单离子的交换亲和力随价数的升高而增大；（2）在高温、高浓度或非水溶液中，则上述规律不完全适用；（3）H+和OH-的交换亲和力视树脂的交换剂功能团而定；（4）高分子量的有机离子或金属络阴离子，一般与离子交换剂的亲和力都较大；（5）能与交换剂基团生成络合物或难溶化合物的离子，其交换的亲和力都较大。

15、第37页/共44页分离系数：（46）第38页/共44页离子交换动力学离子交换动力学离子交换步骤与交换速率（1）膜扩散过程膜扩散过程(A离子离子)（2）颗粒扩散过程颗粒扩散过程(A离子离子)（3）化学交换反应过程化学交换反应过程(A=B)（4）颗粒扩散过程颗粒扩散过程(B离子离子)（5）膜扩散过程膜扩散过程(B离子离子)表示静止液膜的厚度，代表流动相的线速度，r为树脂颗粒半径（通常为10-210-3cm）。第39页/共44页影响离子交换速率的主要因素（1）树脂颗粒大小表4-6H+和Na+离子在磺酸型聚苯乙烯阳离子交换树脂上的交换反应动力学数据序序号号交联度交联度DVB%树脂颗粒半树脂颗粒半径径c

16、m温度温度树脂中扩散系树脂中扩散系数数 106交换反应半交换交换反应半交换时间，时间，s150.0273506.13.72170.0273502.210.43170.0273251.0821.04170.0446251.2349第40页/共44页（2）树脂交联度第41页/共44页（3）溶液的浓度（4）温度（5）其它因素搅拌的速度树脂的溶胀网孔结构非水介质（树脂溶胀性很小，离子不易交换）第42页/共44页u离子交换剂有哪些骨架类型？u 根据树脂酸碱度划分，离子交换树脂有哪些类型？u 某一磺酸型离子交换树脂，怎样对其进行命名？u 离子交换树脂有哪些基本性质，交换容量怎样表达？u 与离子交换速率有关的过程有哪些？u 影响交换速率的主要因素有哪些，其影响机理如何？思考题：第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页