新型功能材料----分离材料课件.ppt

Titre,Cliquez pour modifier les styles du texte du masque,Deuxime niveau,Troisime niveau,Quatrime niveau,Cinquime niveau,*,分离材料,第八章,第一节 离子交换材料,第二节 分子筛,第三节 膜分离材料,第一节 离子交换材料,离子交换材料的分类,离子交换材料,是一类具有离子交换功能的物质,无机,离子交换材料,有机,离子交换材料,含磷、锆、钛、钡、钒、钨、钼、锰、铝、镁等元素为主的无机材料,主链含碳、氢，与主链相连的功能基常有氧、氮、磷等元素的一类有机材料,第一节 离子交换材料,全自动钠离子交换器,连续离子交换设备,无机离子交换材料,100,多年前,就已发现并应用磷酸锆为代表的,磷酸盐系列无机离子交换剂的研制和应用发展很快具有耐高温、耐氧化、耐辐射等优良性能；,能与大多数金属离子发生离子交换，并且具有沸石一样的选择吸附和催化功能，应用范围广；,原料易得，制备技术不太复杂，可望实现工业化生产一、离子交换材料的发展,与分类,有机离子交换材料,一、离子交换材料的发展,与分类,离子交换树脂,1935,年英国的,Adams,和,Holmes,发表了酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂领域。

离子交换树脂的组成,（,1,）网状结构的高分子骨架（基块）,（,2,）连接在骨架上的功能基团,离子交换树脂的分类,离子交换树脂,离子交换树脂储存罐,离子交换树脂交换基团分类,阳离子交换树脂,(1),按交换基团的性质分类,阴离子交换树脂,弱酸型,强酸型,中酸型,R-SO,3,H,R-PO(OH),2,R-COOH,强碱型,弱碱型,R,3,-NCl,R-NH,2,强酸型阳离子交换树脂的制备,将干燥的球状共聚物用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有机溶剂溶胀，然后用浓硫酸或氯磺酸等磺化强酸型阳离子交换树脂,为,聚苯乙烯系骨架,，采用,悬浮聚合法,合成树脂，然后,磺化,接上交换基团功能基,磺酸基,弱酸型阳离子交换树脂的制备,弱酸型阳离子交换树脂为,聚丙烯酸系骨架,，可用带有功能基的单体直接聚合而成交换基团,将聚苯乙烯系白球进行氯甲基化，然后利用苯环对位上的氯甲基的活泼氯，定量地与各种胺进行胺基化反应苯环可在路易氏酸如,ZnCl,2,AlCl,3,SnCl,4,催化下与氯甲醚氯甲基化强碱型阴离子交换树脂的制备,强碱型阴离子交换树脂以,季胺基,作为离子交换基团，以,聚苯乙烯,作骨架具体方法,强碱型阴离子交换树脂的制备,型的碱性很强对,OH,-,离子的亲合力小，再生效率低，但耐氧化性和热稳定性较好,型引入了带羟基的烷基，利用羟基吸电子的特性，降低了胺基的碱性，再生效率提高,利用羧酸类基团与胺类化合物进行酰胺化反应，可制得含酰胺基团的,弱碱型阴离子交换树脂,弱碱型阴离子交换树脂的制备,例如将交联的聚丙烯酸甲酯在二乙烯基苯或苯乙酮中溶胀，然后在,130,150,下与多乙烯多胺反应，形成多胺树脂。

再用甲醛或甲酸进行甲基化反应，可获得性能良好的叔胺树脂离子交换树脂物理结构分类,（,2,）按树脂骨架的物理,结构分类,将离子交换树脂分为,凝胶型、大孔型和载体型,凝胶型离子交换树脂,凝胶型离子交换树脂,是外观透明、具有均相高分子凝胶结构的离子交换树脂,表面光滑，球粒内部没有大的毛细孔在水中会溶胀成凝胶状，呈现大分子链的间隙孔；,大分子链之间的间隙约为,2,4nm,无机小分子的半径在,1nm,以下，可自由地通过；,在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能,凝胶型离子交换树脂,的制备,凝胶型离子交换树脂制备过程,可先合成网状结构大分子，然后使之溶胀，通过化学反应将交换基团连接到大分子上也可先将交换基团连接到单体上，或直接采用带有交换基团的单体聚合成网状结构大分子的方法,具体方法,合成一种三维网状结构的大分子,连接上离子交换基团,大孔型离子交换树脂,大孔型离子交换树脂,弥补了凝胶型离子交换树脂的缺点,大孔型离子交换树脂,表面粗糙，为非均相凝胶结构，既使在干燥状态，内部也存在不同尺寸的毛细孔可在非水体系中起离子交换和吸附作用,原因,载体型离子交换树脂,载体型离子交换树脂,用作液相色谱的固定相,一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成。

它可经受液相色谱中流动介质的高压，又具有离子交换功能特殊用途,为了特殊的需要，已研制多种特殊功能的离子交换树脂：螯合树脂、氧化还原树脂、两性树脂等其他离子交换树脂,离子交换树脂物理结构分类,（,3,）按树脂骨架的化学,结构分类,将离子交换树脂分为,七大系列,苯乙烯系 丙稀酸系,酚醛系 环氧系,乙烯吡啶系 脲醛系,氯乙烯系,二、离子交换树脂的功能,离子交换树脂最主要的功能是,离子交换,，,此外还具有,吸附、催化、脱水,等功能,1.,离子交换,当于多元酸和多元碱，可发生三种类型离子交换反应,中和反应,二、离子交换树脂的功能,复分解反应,中性盐反应,二、离子交换树脂的功能,阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可进行,中和反应和复分解反应,仅由于交换功能基团的性质不同，交换能力有所不同上述反应均是平衡可逆反应，这正是离子交换树脂可以再生的本质只要控制溶液的,pH,值、离子浓度和温度等因素，就可使反应向逆向进行，达到再生的目的中性盐反应,则仅在强酸型阳离子交换树脂和强碱型离子交换树脂的反应中发生二、离子交换树脂的功能,2.,吸附功能,凝胶型或大孔型离子交换树脂，均有很大的比表面积根据表面化学的原理，表面具有吸附能力。

吸附是范德华力作用，因此是可逆的，吸附量主要决定于表面的极性和被吸附物质极性大孔型树脂的吸附能力远远大于凝胶型树脂,二、离子交换树脂的功能,2.,吸附功能,树脂中醇的浓度,吸附量,丁醇,乙醇,甲醇,溶液中醇的浓度,离子交换树脂对醇的吸附行为,烷基越大的醇，吸附性越好是由于树脂表面的非极性大分子与醇中烷基亲和力不同引起的二、离子交换树脂的功能,3.,脱水功能,强酸型阳离子交换树脂中的,-SO,3,H,基团是强极性基团，有很强吸水性可用作脱水剂,以强酸型阳离子交换树脂作为脱水剂，对各种有机溶剂进行脱水的实验曲线0.001,0.1,0.01,树脂中的水分,溶剂中残留水分（,ppm,）,1,10,100,1000,（克水,/,克树脂）,4,3,2,1,1,氯仿,2,苯,3,三氯乙烯,4,二氯乙烷,氯仿,苯,三氯乙烯,二氯乙烷,二、离子交换树脂的功能,4.,催化功能,离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，可对化学反应起催化作用特点：,离子交换树脂催化剂具有易于分离、不腐蚀设备、不污染环境、产品纯度高、后处理简单等优点利用大孔型树脂的强吸附功能，将易于分解失效的催化剂吸附在微孔中，在反应过程中则逐步释放出来以提高催化剂的效率。

三,、无机离子交换材料的应用,层状磷酸锆类,无机离子交换材料的主要应用,用于核工业、冶金工业、水处理和有机合成化学,离子交换性能、质子酸性以及耐高温、耐强氧化剂和耐电离辐射,1,、核工业中放射性同位素的分离和回收,磷酸锆类离子交换剂可用于从裂变产物中分离,Cs,，从铀裂变产物中分离,Pu,，及锕系元素的分离三,、无机离子交换材料的应用,层状磷酸锆类,无机离子交换材料的主要应用,2,、水处理剂,利用磷酸锆类的良好离子交换性能，可以从海水中回收钾、钠等金属元素，将卤水中的盐在高温脱去，除去水中,Ca,2-,、,Mg,2+,离子使水软化；,利用,-,ZrP,层状结构的离子交换与吸附，可以回收,Pd,贵重金属3,贵重金属萃取剂,4,有机合成催化剂,磷酸锆类作为质子酸催化剂在有机合成化学中有重要用途第二节 分子筛,分子筛,是一类能筛分分子的固体材料,气体或液体混合物通过这种材料后，就按照不同的分子特性彼此分离开来,许多物质，如晶体硅酸盐（又称为沸石或泡沸石）、多孔玻璃、特制活性炭、凝胶等都有分子筛效应第二节 分子筛,分子筛,结构形成与外部相通的微孔，,具有选择性吸附性能,比分子筛孔径小的分子可通入孔道中，而较大者则留在孔外，借此筛分不同分子大小的混合物。

作用机理,分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂中痕量水的除去用途,分子筛的分类,按化学组成和结构骨架分,无机分子筛,和,凝胶树脂型分子筛,在天然成分及生物工程产物提取分离、,精制和色谱分析方面有着重要意义,沸石分子筛已经在吸附分离、离子交换、催化等多方面广为应用沸石分子筛,分,子,筛,无机分子筛,凝胶树脂型分子筛,多孔玻璃,特制活性炭,天然沸石分子筛,合成沸石分子筛,天然改性凝胶,人工合成凝胶,菊聚糖类凝胶,琼脂糖类凝胶,聚苯乙烯凝胶,聚甲基丙烯酸酯凝胶,聚丙烯酰胺凝胶,磷酸铝分子筛,（,沸石分子筛,）,磷酸铝分子筛,(AlPO,4-n,),是美国联合碳化物公司,(UCC)1982,年开发的新型分子筛骨架结构中不含硅氧四面体，具新颖的晶体结构和独特的骨架表面选择性，在吸附分离和催化性能方面有新的应用前景磷酸铝系列分子筛的结构和组成,AlPO,4-n,结晶组成,可用氧化物的摩尔比表示,xRAl2O31.00.2P2O5yH2O,有机胺或季铵盐,在骨架形成时起模板作用,x,和,y,表示填充于骨架内的,R,和,H,2,O,的物质的量,在,AlPO,4-n,分子筛中，,AlO,4,和,PO,4,四面体交替排列,呈电中性，不含可交换的金属阳离子。

SAPO,:,磷酸硅铝（,0,0.3,）,R(Si,x,Al,y,P,z,)O,2,MeAPO,:,金属（,Me,）改性的磷酸铝,磷酸铝分子筛的性质,AlPO,4-n,分子筛具有优良的热稳定性和水热稳定性,1.,热稳定性,AlPO,4-n,分子筛在,1000,高温下灼烧结构仍然稳定,SAPO-n,在,600,用,20,水蒸气处理、骨架结构仍保持不变,磷酸铝系分子筛可以用于气体的吸附和分离,2.,吸附性,磷酸铝分子筛的性质,3.,酸性,AlPO,4-n,分子筛呈中性,SAPO,4-n,分子筛合成过程中若不引入碱性阳离子，即表现出酸性；若引入碱金属阳离子，可通过离子交换使其转化为,H,型4.,催化活性,磷酸铝系分子筛具有独特的催化性能，尤其是杂原子引入,AlPO,4-n,分子筛中，改善了离子交换性能、增加了表面的强酸活性中心、催化活性大为提高分子筛,适用范围：大中型空分装置原料气的净化（同时去除水和二氧化碳及部分碳氢化合物）及工业上用于一般气体或液体的干燥13X APG,分子筛,分子筛材料的电子显微镜图像,分子筛,磷酸铝分子筛的主要应用,.,催化剂,磷酸铝系分子筛在二氯甲苯异构体混合物中，可选择性吸附,2,6-,二氯甲苯，从而与其他异构体分离。

吸附分离剂,由于磷酸铝系分子筛具有新型的骨架结构和独特的性能，可作为催化剂、催化剂载体和吸附分离剂等,凝胶树脂系分子筛结构和性质,葡聚糖凝胶,葡聚糖凝胶,是最早的分子筛，也是凝胶分子筛层析中最为常用的材料,交联葡聚糖是以苷键连结的线性聚葡萄糖链，经,3-,氯,-1,2,环氧乙烷交联而成的具三维网状结构的高分子化合物结构,交联葡聚糖的化学结构,凝胶树脂系分子筛结构和性质,葡聚糖凝胶（商品名为,Sephadex,G,）的型号是按交联度大小来分类，其吸水量或膨胀量即每克干凝胶所吸收的水分质量来表示型号,G-25,的吸水量为,2.5ml/g(,型号即为,2.510,倍,),其它型号：,G-10,、,G-15,、,G-50,、,G-75,、,G-100,、,G-150,、,G-200,凝胶树脂系分子筛结构和性质,葡聚糖凝胶对稀酸、稀碱和盐溶液稳定，但能被强酸、强碱和氧化剂破坏性质,可耐受高压灭菌,(98kPa 30min),对许多有机溶剂，如醇类、砜类、甲酰胺等稳定稳定性随交联度增加而降低凝胶树脂系分子筛结构和性质,羟丙基葡聚糖凝胶,羟丙基葡。