冶金设备基础离子交换

多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第1页/共24页第8章离子交换学习目的与要求掌握离子交换的概念，离子交换剂的结构，离子交换树脂的分类及性质、离子交换反应过程、离子交换势及规律。了解离子交换工艺及典型设备。掌握离子交换的应用和离子交换膜的原理及应用。多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第2页/共24页离子交换过程的基本知识(1)离子交换的定义利用离子交换剂与溶液的离子发生交换作用，使欲提取的组分与其它组分进行分离的工艺过程。天然沸石人造沸石的磺化煤离子交换树脂(2)选用原料：用于除杂、废水处理、离子转换以及分离和富集微量有价金属(3)应用领域：优点：设备简单、分离效率高、所用的离子交换树脂有再生能力，重复使用性能好。缺点：工艺过程周期长，操作比较复杂。(4)特点：多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第3页/共24页8.1离子交换剂的结构和性质高分子网状骨架(母体)固定在骨架上不能自由移动的活性基团与活性基团相连，可以离解的离子7.1.1离子交换剂结构7.1.2离子交换树脂的分类按活性基团性质分强酸性：含-SO3H弱酸性：含-COOH，-OH-混合型：含-SO3H及-COOH或-OH-阳离子交换树脂阴离子交换树脂特殊树脂强碱性：含-N(CH3)3或≡N+Cl-弱碱性：含-NH2，=NH，≡N混合型：兼有上述两种活性基团螯合树脂、蛇笼树脂、磁性树脂氧化还原树脂、萃淋树脂、粉状树脂吸附树脂、碳化树脂、热再生树脂微孔型树脂，孔径：10-9mm量级巨孔型树脂：孔径：10-7~10-8mm量级按孔隙大小分类按形态分类粉状：0.3~1.2mm；粒状：10um；膜状：0.1~1mmHSOR3用于硬水软化、纯水制备、湿法冶金、稀有金属分离、抗生素提取。用于纯水、高纯水制备、废水处理、生化制品的提取。多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第4页/共24页(1)泡胀性：树脂活性基团上的离子遇水而膨胀。(2)密度和含水量：表观密度、结合水分。(3)粒度：0.3~1.2mm。(4)交联度：4~14%。(5)交换容量：3~6mmol/g或1~2mmol/ml。8.1.3离子交换树脂的性质理论交换容量：树脂所含反离子全部发生交换时的交换容量。工作交换容量：实际测得的交换容量。表观密度:是指树脂在交换柱中的装填密度，数值上等于溶胀后树脂重量与这一重量树脂在水中表观体积的比值。常用树脂的表观密度在0.6~0.9之间。含水量：树脂含有结合水分的含量，与树脂功能团性质和关联度有关。商品树脂大约含有50%水分。粒度：颗粒越小表面积越大，交换速度越快，分离效果越好。但溶液阻力增大，流速减慢。交联度：树脂合成时交联剂在原料总重量中所占的百分比。交换容量：单位质量干树脂或单位体积湿树脂，所能交换的离子相当于一价离子物质的量。部分国外离子交换树脂的主要性能国产常用离子交换树脂的主要性能多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第5页/共24页8.2离子交换的基本原理8.2.1离子交换反应过程强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂1.在树脂颗粒表面进行2.在树脂颗粒内部进行溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置进行交换反应交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第6页/共24页7.2.2离子交换势及规律1.离子交换势的定义树脂对预交换离子的吸着(交换)能力，把这种吸着能力称为“势”。2.离子交换势的规律(1)常温下稀溶液，阳离子交换势随离子电荷增高而增大；相同电荷同族元素离子交换势随离子半径增大而增大。Th4+Al3+Ca2+Na+Rb+K+Na+Li+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第7页/共24页(2)强酸性阳离子交换树脂对不同金属离子交换势顺序：Ba2+Pb2+Ag+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Cs+Rb+UO22+K+NH4+Na+H+Li+(3)强碱性阴离子交换树脂对不同阴离子的交换势顺序：C6H5O73-SO42-C2O42-I-NO3-Br-Cl-CH3COO-OH-F-(4)在高温、高浓度或非水溶液中，上述各类交换势差别将减小，甚至相反。(5)高分子量的有机离子、金属络阴离子、高极化度的离子（如Ag+）具有很高交换势。(6)在离子交换实践中，交换势高的离子易发生交换而被吸着，位于树脂层上部，交换势低的离子位于树脂的下部。离子交换势相差越大，它们在树脂相分层分布越明显。思考题：选用一种强酸性阳离子交换树脂，写出它与稀溶液中Ag+、Ba2+和Ni2+三种离子的交换顺利及交换反应。思考题：选用一种强碱性阴离子交换树脂，写出它与某稀溶液中NO3-、C6H5O73-、C2O42-和三种离子的交换顺利及交换反应。36FeCl多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第8页/共24页7.2.3选择系数(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换(2)树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：E1时，交换反应向右进行。E1时，交换反应向左进行。离子交换平衡方程式多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第9页/共24页凸形：离子交换反应能向右进行，有利于交换，且被交换离子价数越高，曲线形状越凸；凹形：交换反应向左进行。交换势的大小决定了平衡曲线的形状。等价离子交换平衡曲线离子交换平衡曲线：一价、二价离子交换平衡曲线多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第10页/共24页8.3.1离子交换工艺1.树脂的选择原则在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。强酸性阳离子树脂吸附金属阳离子强碱性阴离子树脂吸着金属络阴离子。带有-SO3H基强酸性树脂吸附重金属阳离子强酸性树脂-弱碱性树脂-强酸性、强碱性混合树脂的联合床净化水螯合树脂吸附从碱金属离子中除去的过渡金属离子。8.3.离子交换工艺及设备常见规律选择原则多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第11页/共24页将交换液体与树脂一同放入容器中，借搅拌等方式使之充分接触，但两相不作相对运动。达到交换平衡时，用过滤、离心等方法将液体排放,从而达到液固分离的操作。2.离子交换的操作方式静态交换周期式动态交换连续式将树脂放在柱中不移动，交换液在柱中流经树脂层并发生交换。移动床的离子交换：把交换、转移、再生和洗净集为一体的过程，分别在柱的不同部位同时进行。已饱和或失去交换能力的树脂连续进入再生洗涤部分，洗脱后的新树脂同时又连续进入交换部位。树脂的运动靠活塞的运动完成。交换反洗再生正洗洗净固定床移动床移动床操作脉冲转移交换再生洗脱段反洗多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第12页/共24页8.3.2离子交换设备设备特性及操作方式不同固定床设备连续床设备设备主体结构类型罐型槽型塔型移动床流化床(1)固定床离子交换设备上、中和下三个布液装置:保证溶液沿交换柱截面的分布均匀，并能阻止树脂被带出,柱内树脂层不超过2/3。树脂层上空约1.5m高，该空间通空气或充以水，用于树脂的松动、洗涤和分离。加料可采用重力式或压力式完成。多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第13页/共24页(2)移动床连续交换设备(3)流化床离子交换设备悬浮床式离子交换槽阻挡树脂并使之与矿浆分离使料液沿设备横断面分布均匀并支撑树脂移动床操作脉冲转移交换再生洗脱段反洗多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第14页/共24页设备名称特点固定床离子交换设备柱体结构简单，树脂磨损少，适应于处理清液。但由于吸附、洗脱、漂洗等操作均在同一柱中进行，管路复杂，阀门众多，树脂利用率低，吸附速度较慢。移动床连续交换设备树脂用量少，为固化床的15~30%,树脂利用率高，设备生产能力大，操作速度快，适合处理低浓度的溶液。缺点是结构复杂、树脂易破损，不能用于悬浮液与矿浆的吸附。流化床离子交换设备结构简单、适应性强、树脂磨损少。吸附速度度，操作周期长，树脂利用率低。三种离子交换设备的特点对比多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第15页/共24页8.4离子交换的应用1.除去杂质纯净的去离子水去除工业盐酸中微量的Fe3+2.离子转换硬水软化处理3.废水处理用含磷、胺类萃取剂的萃淋树脂，脱除湿法冶金废水中的铜、锌、钒、汞、铁、铀以及一些有机物质。具有深度净化、效率高以及能综合回收等优点。4.分离或富集微量有价值金属利用离子交换层析法可有效分离性质相似金属离子。将待分离的离子全部交换到树脂层上，然后用一种含有比树脂吸着力更强的离子的淋洗液淋洗树脂，在洗脱过程中，几种离子按交换选择性顺序而展开。离子交换纯水制备原理：R-H+Na+→R-Na+H+R-OH+Cl-→R-Cl+OH-H++OH-→H2OClFeClRFeClRCl336336思考题：写出纯净去离子水的制备原理。电厂、化工专用水处理设备离子交换柱多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第16页/共24页8.5离子交换膜的应用1.离子交换膜原理离子交换膜是将离子交换树脂制成很薄的膜，利用它对不同的离子具有选择性吸收，使离子选择性地透过膜达到分离的目的。阳离子交换膜---能阻止阴离子渗过而选择性透过阳离子的膜。阴离子交换膜---能阻止阳离子渗过而选择性透过阴离子的膜。多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第17页/共24页2.两性离子与非两性离子分离ZnSO4与Na2SO4溶液的电渗分离阳离子交换膜阴离子交换膜(1)制备浓溶液和稀溶液加两种膜的电渗多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第18页/共24页一、离子交换过程的基本知识本章小结离子交换定义选用原料应用领域特点二、离子交换剂的结构和性质1.离子交换剂结构高分子网状骨架(母体)固定在骨架上不能自由移动的活性基团与活性基团相连，可以离解的离子泡胀性密度和含水量粒度交联度交换容量2.离子交换剂性质多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第19页/共24页三、离子交换的基本原理1.离子交换反应过程溶液中欲交换离子穿过树脂颗粒表面液膜离子继续在树脂颗粒内扩散达到交换位置进行交换反应交换下来的离子在树脂内扩散，扩散到颗粒表面离子穿过颗粒表面的液膜，进入溶液中在树脂表面进行在树脂内部进行多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第20页/共24页2.离子交换势及规律离子交换势的定义离子交换势的规律选择系数(2)树脂RA与溶液中的某离子B+进行交换：(1)氢型阳离子交换树脂与金属离子A+进行的交换多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第21页/共24页四、离子交换工艺及设备1.树脂的选择原则在分离体积相差较大的离子时，树脂网孔必须小于大离子的直径而又大于小离子的直径。用交换吸附除去半径大的离子时，应选用交联度小的树脂或者多孔性树脂。多孔阴离子树脂对有色金属络阴离子有良好的交换性能。大孔径强碱性阴离子对除去大体积离子与分子效果好。选择交换容量大树脂。2.离子交换的操作方式静态交换周期式动态交换连续式固定床多媒体教学课程：冶金过程及设备昆明理工大学材料与冶金工程学院第22页/共24页3.离子交换设备固定床离子交换设备移动床连续交换设备流化床离子交换设备五、离子交换的应用除