1FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnology多媒體教學課程：冶金設備基礎任課教師：徐瑞東第8章離子交換

學習目的與要求掌握離子交換的概念，離子交換劑的結構，離子交換樹脂的分類及性質、離子交換反應過程、離子交換勢及規律。了解離子交換工藝及典型設備。掌握離子交換的應用和離子交換膜的原理及應用。

離子交換過程的基本知識(1)離子交換的定義利用離子交換劑與溶液的離子發生交換作用，使欲提取的組分與其它組分進行分離的工藝過程。天然沸石人造沸石的磺化煤離子交換樹脂(2)選用原料：用于除雜、廢水處理、離子轉換以及分離和富集微量有價金屬(3)應用領域：優點：設備簡單、分離效率高、所用的離子交換樹脂有再生能力，重復使用性能好。缺點：工藝過程周期長，操作比較復雜。(4)特點：(1)泡脹性：樹脂活性基團上的離子遇水而膨脹。(2)密度和含水量：表觀密度、結合水分。(3)粒度：0.3~1.2mm。(4)交聯度：4~14%。(5)交換容量：3~6mmol/g或1~2mmol/ml。8.1.3離子交換樹脂的性質理論交換容量：樹脂所含反離子全部發生交換時的交換容量。工作交換容量：實際測得的交換容量。表觀密度:是指樹脂在交換柱中的裝填密度，數值上等于溶脹后樹脂重量與這一重量樹脂在水中表觀體積的比值。常用樹脂的表觀密度在0.6~0.9之間。含水量：樹脂含有結合水分的含量，與樹脂功能團性質和關聯度有關。商品樹脂大約含有50%水分。粒度：顆粒越小表面積越大，交換速度越快，分離效果越好。但溶液阻力增大，流速減慢。交聯度：樹脂合成時交聯劑在原料總重量中所占的百分比。交換容量：單位質量干樹脂或單位體積濕樹脂，所能交換的離子相當于一價離子物質的量。部分國外離子交換樹脂的主要性能國產常用離子交換樹脂的主要性能8.2離子交換的基本原理8.2.1離子交換反應過程強酸性陽離子交換樹脂強堿性陰離子交換樹脂1.在樹脂顆粒表面進行2.在樹脂顆粒內部進行溶液中欲交換離子穿過樹脂顆粒表面液膜離子繼續在樹脂顆粒內擴散達到交換位置進行交換反應交換下來的離子在樹脂內擴散，擴散到顆粒表面離子穿過顆粒表面的液膜，進入溶液中7.2.2離子交換勢及規律1.離子交換勢的定義樹脂對預交換離子的吸著(交換)能力，把這種吸著能力稱為“勢”。2.離子交換勢的規律常溫下稀溶液，陽離子交換勢隨離子電荷增高而增大；相同電荷同族元素離子交換勢隨離子半徑增大而增大。Th4+>Al3+>Ca2+>Na+Rb+>K+>Na+>Li+Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+7.2.3選擇系數

(1)氫型陽離子交換樹脂與金屬離子A+進行的交換(2)樹脂RA與溶液中的某離子B+進行交換：E>1時，交換反應向右進行。E<1時，交換反應向左進行。離子交換平衡方程式凸形：離子交換反應能向右進行，有利于交換，且被交換離子價數越高，曲線形狀越凸；凹形：交換反應向左進行。交換勢的大小決定了平衡曲線的形狀。等價離子交換平衡曲線離子交換平衡曲線：一價、二價離子交換平衡曲線8.3.1離子交換工藝

1.樹脂的選擇原則

在分離體積相差較大的離子時，樹脂網孔必須小于大離子的直徑而又大于小離子的直徑。用交換吸附除去半徑大的離子時，應選用交聯度小的樹脂或者多孔性樹脂。多孔陰離子樹脂對有色金屬絡陰離子有良好的交換性能。大孔徑強堿性陰離子對除去大體積離子與分子效果好。選擇交換容量大樹脂。

強酸性陽離子樹脂吸附金屬陽離子強堿性陰離子樹脂吸著金屬絡陰離子。帶有-SO3H基強酸性樹脂吸附重金屬陽離子強酸性樹脂-弱堿性樹脂-強酸性、強堿性混合樹脂的聯合床凈化水螯合樹脂吸附從堿金屬離子中除去的過渡金屬離子。8.3.離子交換工藝及設備常見規律選擇原則8.3.2離子交換設備設備特性及操作方式不同固定床設備連續床設備設備主體結構類型罐型槽型塔型移動床流化床(1)固定床離子交換設備上、中和下三個布液裝置:保證溶液沿交換柱截面的分布均勻，并能阻止樹脂被帶出,柱內樹脂層不超過2/3。樹脂層上空約1.5m高，該空間通空氣或充以水，用于樹脂的松動、洗滌和分離。加料可采用重力式或壓力式完成。

(2)移動床連續交換設備(3)流化床離子交換設備懸浮床式離子交換槽阻擋樹脂并使之與礦漿分離使料液沿設備橫斷面分布均勻并支撐樹脂移動床操作脈沖轉移交換再生洗脫段反洗設備名稱特點固定床離子交換設備柱體結構簡單，樹脂磨損少，適應于處理清液。但由于吸附、洗脫、漂洗等操作均在同一柱中進行，管路復雜，閥門眾多，樹脂利用率低，吸附速度較慢。移動床連續交換設備樹脂用量少，為固化床的15~30%,樹脂利用率高，設備生產能力大，操作速度快，適合處理低濃度的溶液。缺點是結構復雜、樹脂易破損，不能用于懸浮液與礦漿的吸附。流化床離子交換設備結構簡單、適應性強、樹脂磨損少。吸附速度度，操作周期長，樹脂利用率低。三種離子交換設備的特點對比8.5離子交換膜的應用1.離子交換膜原理

離子交換膜是將離子交換樹脂制成很薄的膜，利用它對不同的離子具有選擇性吸收，使離子選擇性地透過膜達到分離的目的。陽離子交換膜---能阻止陰離子滲過而選擇性透過陽離子的膜。陰離子交換膜---能阻止陽離子滲過而選擇性透過陰離子的膜。

2.兩性離子與非兩性離子分離ZnSO4與Na2SO4溶液的電滲分離陽離子交換膜陰離子交換膜(1)制備濃溶液和稀溶液加兩種膜的電滲一、離子交換過程的基本知識本章小結離子交換定義選用原料應用領域特點二、離子交換劑的結構和性質1.離子交換劑結構高分子網狀骨架(母體)固定在骨架上不能自由移動的活性基團與活性基團相連，可以離解的離子泡脹性密度和含水量粒度交聯度交換容量2.離子交換劑性質2.離子交換勢及規律離子交換勢的定義離子交換勢的規律選擇系數

(2)樹脂RA與溶液中的某離子B+進行交換：(1)氫型陽離子交換樹脂與金屬離子A+進行的交換四、離子交換工藝及設備

1.樹脂的選擇原則

在分離體積相差較大的離子時，樹脂網孔必須小于大離子的直徑而又大于小離子的直徑。用交換吸附除去半徑大的離子時，應選用交聯度小的樹脂或者多孔性樹脂。多孔陰離子樹脂對有色金屬絡陰離子有良好的交換性能。大孔徑強堿性陰離子對除去大體積離子與分子效果好。選擇交換容量大樹脂。