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第7章 离子交换分离 7.1 离子交换基本原理 7.2 离子交换剂 7.3 离子交换分离过程 7.4 离子交换应用 离子交换分离是利用离子交换剂与溶液中欲分离的离子之间发生交换反应而实现分离的方法，是在固液两相中进行的单元操作。 阳离子交换反应： Resin-SO3H + Na+ = Resin-SO3Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3H + Na + 阴离子交换反应： Resin-N(CH3)3OH+Cl- =Resin-N(CH3)3Cl+ OH- Resin-N(CH3)3Cl+OH- =Resin-N(CH3)3OH+Cl– 离子交换反应是一可逆反应。 离子交换过程的特点： 选择性高：主要去除离子化的物质，并进行等物质的量交换； 去除效率高； 适用性强，应用范围广(无机、有机及高纯物的制备）； 交换剂可反复使用； 操作简便，分离容易 7.1 离子交换的 基本理论 7.1 离子交换机理 离子交换热力学——平衡问题，反应的方向和限度 离子交换动力学——速率问题，反应的历程和达到平衡的时间 质量作用定律： [H+]内[Cl-]内=[H+]外[Cl-]外 由于膜两边电荷呈中性，即 [H+]外=[Cl-]外， [H+]内=[Cl-]内+[R-] 将[H+]外[H+]内代入质量作用定律，得 [Cl-] 外2 =[Cl-]内[[Cl-]内+[R-]] 由于膜内有较多的固定离子存在,因此[R-]很大，则 [Cl-] 外 [Cl-]内, [H+]内[H+]外 ∴ 阳离子可进入与[H+]内交换，而阴离子则不行，这称为唐南原则。阴离子少量扩散进入阳离子树脂的内部称唐南入侵 根据唐南原则，阳离子交换树脂只能交换阳离子, 不能交换阴离子; 阴离子交换树脂只能交换阴离子,不能交换阳离子。 离子交换过程可看作是固相的交换树脂和液相中电解质之间的化学置换反应。其反应一般是可逆的。 阳离子交换：R-A+ + B+ = R-B+ + A+ 阴离子交换：R+C- + D- = R+D- + C- 如：树脂上有可交换离子Na+，溶液中有Ca2+ ?Ca2+与树脂上的Na+交换? Na+进入溶液。 当溶液Na+ 浓度很高时? Na+又置换树脂上的Ca2+ 由于离子交换反应是可逆的，进行的方向主要取决于树脂相和溶液相中各种离子的相对浓度。 树脂相和溶液相中离子浓度差作为推动力，推动着交换反应的进行。当反应进行到一定程度时，就达到了离子交换平衡状态。此时，每一种物质在树脂相中的化学势与在溶液相中的化学势相等，即： 离子交换平衡可用平衡常数来表示。 例如：将树脂R-A浸入含有B＋的溶液中，B+与A+能通过半透膜进行交换： R-A+内+ B+外= R-B+内+ A+外 达到平衡后，平衡常数 　　 　　 如果 KAB 1，表示B+比较牢固地结合在树脂上； 如果 KAB 1，则表示A+比较牢固的结合在树脂上。 ∴ KAB的数值说明了离子交换树脂对A+ 、 B+ 两种离子的选择性，因此称为选择系数。 KAB越大，离子交换树脂对B+的选择性越大。 严格来说，平衡常数 应用离子的活度来表示，但在稀溶液中，离子的活度系数非常接近于1，可近似的用浓度来代替。 [定义]:离子与树脂上的活性基团的交换能力称离子对树脂的亲和力。 总规律： 离子与树脂的亲和力大小与水合离子的半径、电荷数、离子的极化程度有关： 稀溶液中，离子电荷越大，亲和力越大 例： Na+ Ca2+ Al3+ Th(Ⅳ) 相同电荷时，水合半径越小，亲和力越大 例：Li + H + Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs + Ag + Tl + 1. 强酸型阳离子交换树脂 (1) 不同价态的离子，电荷越高，亲和力越大 ； 例如：Na+Ca2+Al3+Th(Ⅳ) (2) 价态相同时，水合离子半径越小，亲和力越大; 例如：Li + H + Na + NH4+K + Rb + Cs + Ag + Tl+ (3) 二价离子的亲和力顺序： UO2 2+＜Mg 2+＜ Zn 2+