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第三章离子交换平衡
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一、离子交换反应
离子交换树脂功能团上的可交换离子(即反离子)由于热运动的结果,它们可在树脂网状结构空间内自由运动(但由于功能团上固定离子的相反电荷的静电引力的束缚,运动只限于网状结构空间内),当溶液中的离子与树脂的可交换离子所带电荷符号相同,并且扩散到树脂内部时,两者便会发生交换反应,而树脂的骨架及固定离子基团在交换反应中不发生变化。
1、离子交换反应发生的原理
2、离子交换反应的表示方法
R—SO3H + NaCl = R—SO3Na + HCl
R—NOH + NaCl = R—NCl + NaOH
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在反应式中各种离子交换树脂的表示方法
磺酸型阳离子交换树脂: R—SO3H
羧酸型阳离子交换树脂: R—COOH
季铵型阴离子交换树脂: R NCl
叔***型阴离子交换树脂: R N·HCl
仲***型阴离子交换树脂: R NH·HCl
伯***型阴离子交换树脂: R—NH2·HCl
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二、离子交换柱内离子的吸附交换过程
欲交换的离子流经离子交换柱时,树脂对溶液中离子的吸附(或交换)是自上而下逐渐进行的。以氨型磺酸阳离子交换树脂吸附溶液中的Men+离子为例说明柱内吸附过程。
I
II
III
料液
0
1
C/C0
I 区:该区域树脂已全部被Men+所饱和,在该区域溶液中Me的浓度C等于初始浓度C0,称为饱和带。
II 区:该区域树脂只吸附了部分Men+离子,正在继续吸附自上而下流入的Men+离子。树脂上同时含有NH4+和Men+离子,但各点的交换程度不同,自上而下吸附的Men+离子浓度逐渐减小,该区域称为交换带(或交换层)。
III区:该区域的树脂还没有与Men+离子进行交换,仍保留原来的NH4+型,该区域溶液中的Men+离子浓度等于0,该区域称为空白带。
1、交换带、饱和带及空白带
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2、流出曲线
流出曲线的形成过程
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C/C0
流出曲线:当料液不断流入交换柱时,交换带将不断向下移动,但是从交后液中Men+的浓度一直为零。当交换带移动到柱底时,则交后液中开始检测到有Me出现,称为“漏穿点”。随后交后液中Men+浓度逐渐增大,一直增大到原始浓度C0。如果以交后液体积V或流出时间t为横坐标,以交后液中Men+浓度与料液中Men+浓度之比c/c0为纵坐标作图,所得曲线称为“流出曲线”。
a
b
c
d
e
f
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◆在流出曲线中,曲线bfe左边区域的abfecd面积与吸附于树脂上的Me离子的量相对应,右边区域的面积则与流入交后液中的Me离子的量相对应。
◆b—漏穿点;
◆abcd—与树脂的穿透交换容量相对应;
◆abfed—与树脂的饱和交换容量相对应;
3、影响流出曲线的因素:
流出曲线的“波形(斜率变化)、宽度(漏穿点至饱和点)、漏穿点出现的位置”三者称为贯穿参量。贯穿参量所表征的柱操作流出曲线是反映离子交换过程动态行为的一种特征曲线,它反映了“交换体系”、“设备结构”、“操作条件”、“交换平衡”、“传质动力学”的综合影响。
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影响流出曲线或贯穿参量的因素:
(1)树脂对交换离子的亲和力
亲和力越大,则交换带(Ⅱ)高度越小,故流出曲线斜率变化大,波形陡峭,漏穿点出现晚,漏穿容量越大,柱利用率也越高。
(2)树脂粒度
(3)树脂交联度
(4)树脂容量
(5)操作流速
(6)料液浓度
降低料液浓度有利于提高柱效率,而在扩散控制的情况下增加料液浓度有利于提高交换速度
(7)操作温度
(8)柱形、柱高
H/D大可改善柱内的树脂填充状态、改善液流分布有利于交换
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总之,越利于反应快速进行、越有利于反应进行完全的因素,越有利于交换带宽度变窄、斜率变大、穿透点出现变晚。
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4、交换带高度的计算
浓度剖面线: