Ch7-离子交换法教学课件.ppt
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- Ch7 离子交换法 教学 课件
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1、Ch7 离子交换法离子交换法 第八章第八章 离子交换法离子交换法 (Ion-exchange)(a)氢型阳离子交换树脂与)氢型阳离子交换树脂与Na+交换交换(b)羟型阴离子交换树脂与)羟型阴离子交换树脂与Cl 交换交换 u活性离子为阳离子,称活性离子为阳离子,称阳离子交换树脂阳离子交换树脂,与阳离子发生交换与阳离子发生交换u活性离子为阴离子,称活性离子为阴离子,称阴离子交换树脂阴离子交换树脂,与阴离子发生交换与阴离子发生交换l一、一、离子交换树脂的离子交换树脂的分类:分类:l1按树脂骨架的主要成分:聚苯乙烯型按树脂骨架的主要成分:聚苯乙烯型树脂树脂、聚丙烯酸型、聚丙烯酸型树脂树脂l2按聚合的化
2、学反应:共聚型、缩聚型按聚合的化学反应:共聚型、缩聚型l3按骨架的物理结构分类:凝胶型(微按骨架的物理结构分类:凝胶型(微孔)、大网格树脂孔)、大网格树脂 l4按活性基团分类:阳离子交换树脂、按活性基团分类:阳离子交换树脂、阴离子交换树脂(碱)阴离子交换树脂(碱)强强 酸酸弱弱 酸酸强强 碱碱弱弱 碱碱此外,还有含其它功能基因的整合树脂,氧化还原的、此外,还有含其它功能基因的整合树脂,氧化还原的、两性树脂等。两性树脂等。依据活性基团分类依据活性基团分类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螯合树脂螯合树脂两性交换树脂两性交换树脂强酸型强酸型弱酸型弱酸型交换基为酸性,交换基为酸
3、性,H H+与阳离子交换与阳离子交换SO3HCOOHOHpH 2pH 6使用使用 pH pH 范围范围pH 10交换基为碱性,交换基为碱性,阴离子发生交换阴离子发生交换强碱型强碱型弱碱型弱碱型N+(CH3)3Cl-N+H3 OH-N+H2R OH-N+HR2 OH-pH 12pH 4二、四种二、四种离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能(1)强酸性阳离子交换树脂)强酸性阳离子交换树脂(R树脂的骨架)树脂的骨架)典型的反应:典型的反应:RSO3H+NaCl RSO3Na+HCll(2)弱酸性阳离子交换树脂)弱酸性阳离子交换树脂l典型的反应:典型的反应:RCOOH+NaoH RCOONa+H2Ol(
4、钠型树脂)(钠型树脂)用用NaoH处理后的树脂称为,处理后的树脂称为,用水洗不到中性,一般洗至用水洗不到中性,一般洗至pH9左右。左右。(3)强碱性阴树脂)强碱性阴树脂活性基活性基团团:季铵基:季铵基团团,有三甲胺基有三甲胺基团团 RN+(CN3)3OH 等。等。典型的反应:典型的反应:RN(CH3)3Cl+NaOH RN(CH3)3OH+NaCl 这类树脂可以是氯型的和羟型的,前者较稳定这类树脂可以是氯型的和羟型的,前者较稳定,耐热性等较好,因此,商品大多以氯型出售。,耐热性等较好,因此,商品大多以氯型出售。l这类树脂主要用于制备无盐水(除去这类树脂主要用于制备无盐水(除去SiO2 、CO3
5、2 等弱酸根)及抗生素的生产。等弱酸根)及抗生素的生产。(4)弱碱性阴离子交换树脂)弱碱性阴离子交换树脂功能基因有伯胺基功能基因有伯胺基-NH2、仲胺基、仲胺基=NH、叔胺基、叔胺基N和吡啶和吡啶C6H5N等基团。等基团。再生容易,易水解再生容易,易水解消耗碱(消耗碱(NaOH),),量少量少RNH3Cl+H2ORNH3OH+HCl类型类型结构结构活性基团活性基团使用使用pH值值商品号商品号强酸型强酸型交联的聚苯交联的聚苯乙烯乙烯SO3H(磺酸基)(磺酸基)014国产国产#732Amberlite1R-120(美美)Dowex 50(美美)Zerolit225(英英)神胶神胶1号(日)号(日)
6、弱酸型弱酸型聚丙烯酸聚丙烯酸COOH(羧基)(羧基)OH(酚羟基)(酚羟基)不能小不能小4不能小于不能小于9.5国产国产#724 类型类型 结构结构 活性基团活性基团 使用使用 pH值值 商品号商品号强碱型强碱型交联的交联的聚苯乙烯聚苯乙烯N(CH3)3Cl(磺酸基)(磺酸基)014国产国产#717国产国产#201Amberlite1RA-400(410)(美美)Dowex 50(美美)Zerolit225(英英)神胶神胶801(日)(日)弱碱型弱碱型交联的交联的聚苯乙烯聚苯乙烯NH(CH3)2OHNH2(CH3)OH07国产国产#704和和#330Amberlite1R-45(410)(美美
7、)Dowex 3(美美)Zerolit H (5 5)四类树脂的特性比较)四类树脂的特性比较 性能性能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强酸性强酸性弱酸性弱酸性强碱性强碱性 弱碱性弱碱性活性基团活性基团磺酸磺酸羧酸羧酸季氨季氨 胺胺pHpH对交换能力对交换能力的影响的影响 无无在酸性中交在酸性中交换能力很小换能力很小 无无在碱性溶液中交在碱性溶液中交换能力很小换能力很小盐的稳定性盐的稳定性 稳定稳定洗涤要水解洗涤要水解 稳定稳定洗涤时要水解洗涤时要水解再生再生需过量的需过量的强酸强酸很容易很容易需要过量需要过量的强碱的强碱再生容易,可用再生容易,可用碳酸钠或氨碳酸钠或氨交
8、换速度交换速度快快慢慢(除非离除非离子化后子化后)快快慢慢(除非离子化后除非离子化后)二、树脂的命名:二、树脂的命名:732、717、724学,习惯命名学,习惯命名 三、离子交换树脂的理化性能和测定方法:三、离子交换树脂的理化性能和测定方法:1外观和粒度(颗粒度);外观和粒度(颗粒度);2总交换容量(交换当量);总交换容量(交换当量);总总交换容量是表征树脂活性基团数量交换能力的交换容量是表征树脂活性基团数量交换能力的重要参数。表示方法有质量交换容量(重要参数。表示方法有质量交换容量(mmol/g干树干树脂)和体积交换容量(脂)和体积交换容量(mmol/ml湿树脂)湿树脂)注意:它是常数,不代
9、表真实交换能力。注意:它是常数,不代表真实交换能力。查相关手册!查相关手册!l测定方法:测定方法:l 阳离子交换树脂的总交换容量的测定:阳离子交换树脂的总交换容量的测定:阴离子交换树脂的总交换容量的测定,不能用羟阴离子交换树脂的总交换容量的测定,不能用羟型树脂来测定,而应用氯型树脂来测定。型树脂来测定,而应用氯型树脂来测定。3机械强度(不破损率机械强度(不破损率%)4含水量;含水量;5滴定曲线:它能定性地反映树脂活性基团的特滴定曲线:它能定性地反映树脂活性基团的特征,从滴定曲线图谱便可鉴别树脂的酸碱度的强征,从滴定曲线图谱便可鉴别树脂的酸碱度的强弱。弱。Ref课本,课本,P109图图20-5,
10、6,7,8一、交换常数:离子交换树脂的选择性就是某种树脂一、交换常数:离子交换树脂的选择性就是某种树脂对不同离子交换亲和能力的差别。离子和树脂活性基对不同离子交换亲和能力的差别。离子和树脂活性基的亲和力越大,就越易被该树脂所吸附,离子交换选的亲和力越大,就越易被该树脂所吸附,离子交换选择性集中地反映在交换常数择性集中地反映在交换常数K的数值上。的数值上。可用下式表示:可用下式表示:sBARsABRKKBAAB,KB,A或或 表示表示B离子取代树脂上离子取代树脂上A离子的交换常数离子的交换常数 ABK,BAKl第四节第四节 离子交换过程的选择性离子交换过程的选择性 lR-A、R-B表示结合在树脂
11、(表示结合在树脂(R骨架)上的骨架)上的A+、B+的浓度的浓度lAs、Bs表示溶液中表示溶液中A+、B+的浓度的浓度 上式可以改写为上式可以改写为交换常数,可表示为树脂上交换常数,可表示为树脂上B、A离子浓度之比与溶离子浓度之比与溶液中液中B、A离子浓度之比的比值。离子浓度之比的比值。KB,A1,表示,表示B离子对树脂的亲和力大于离子对树脂的亲和力大于A离子离子KB,A越大,越大,B离子越易被交换离子越易被交换sAsBARBRKAB/,l二、影响离子交换过程选择性的各种因素:二、影响离子交换过程选择性的各种因素:1离子的水化半径(水合离子半径)离子的水化半径(水合离子半径)(1)对无机离子而言
12、,离子水合半径越小,离子和树)对无机离子而言,离子水合半径越小,离子和树脂活性基团的亲和力就越大,也就越容易被吸附。脂活性基团的亲和力就越大,也就越容易被吸附。依据水化半径的次序,排序如下:(与树脂亲和力的大小排序)依据水化半径的次序,排序如下:(与树脂亲和力的大小排序)一价阳离子:一价阳离子:Li+Na+NH4+Ro+Cr+Ag+Ti+二价阳离子:二价阳离子:Mg2+Zn2+Cu2+Ni2+Co2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+一价阴离子:一价阴离子:F HCO3 Cl HSO3 Br NO3 I ClO4 l一般来说,同价离子中水化半径小的能取代水一般来说,同价离子中水化半径小的能取代水
13、化半径大的,但在非水介质中在高温高浓度下,化半径大的,但在非水介质中在高温高浓度下,差别缩小,有时甚至相反。差别缩小,有时甚至相反。强酸型树脂:与强酸型树脂:与H+结合力很弱,序位和结合力很弱,序位和Li+相当相当弱酸型树脂:与弱酸型树脂:与H+具有最强的置换能力,序位排在同价金具有最强的置换能力,序位排在同价金 属离子之后属离子之后(2)H+、OH 与树脂的亲和力与树脂的性质有关与树脂的亲和力与树脂的性质有关强强碱性树脂:和碱性树脂:和OH 结合力弱,序位排在结合力弱,序位排在F 之前之前弱碱性树脂:和弱碱性树脂:和OH 结合力最强序位排在结合力最强序位排在ClO4 之后之后OH H+l结论
14、:结论:强酸、强碱树脂比弱酸、弱碱树脂难以强酸、强碱树脂比弱酸、弱碱树脂难以再生,酸、碱用量大,原因在于此。再生,酸、碱用量大,原因在于此。l在进行离子交换时,除了考虑离子被吸附是否在进行离子交换时,除了考虑离子被吸附是否容易外,还必须考虑被吸附上去的离子是否容易容易外,还必须考虑被吸附上去的离子是否容易被解吸下来。被解吸下来。如链霉素的提炼中,不用强酸,而用弱酸性树脂进如链霉素的提炼中,不用强酸,而用弱酸性树脂进行交换吸附。行交换吸附。2离子的化合价:在常温的稀溶液中,离子交换呈离子的化合价:在常温的稀溶液中,离子交换呈 现明显的规律性。离子的化合价越高,就越易被交换,现明显的规律性。离子的
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