实验三   离子交换法制备纯水

一、实验目的

  1、掌握阳离子交换树脂、阴离子交换树脂预处理的方法；

2、了解离子交换法制纯水的基本原理，掌握其操作方法；

3、掌握水质检验的原理和方法；

二、实验原理

  1、阳离子交换树脂、阴离子交换树脂净化水的原理。

离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物，它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如，聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物，经过浓硫酸处理，在共聚物的苯环上引入磺酸基(–SO₃H)而成。其中的H⁺可以在溶液中游离，并与金属离子进行交换。

R–SO₃H + M⁺ R–SO₃M + H⁺

R：聚合物的本体；–SO₃：与本体联结的固定部分，不能游离和交换；M⁺：代表一价金属离子。

阳离子交换树脂可表示为：

            本体       交换基团
          

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实验七 离子交换法制备纯水

一、实验目的

1．了解离子交换法制纯水的基本原理，掌握其操作方法；

2．掌握水质检验的原理和方法；

3．巩固酸度计的使用，学会电导率仪的使用。

二、实验原理

离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物，它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如，聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物，经过浓硫酸处理，在共聚物的苯环上引入磺酸基(–SO₃H)而成。其中的H⁺可以在溶液中游离，并与金属离子进行交换。

R–SO₃H + M⁺ R–SO₃M + H⁺

R：聚合物的本体；–SO₃：与本体联结的固定部分，不能游离和交换；M⁺：代表一价金属离子。

阳离子交换树脂可表示为：

　

本体交换基团
R –SO₃^–┆H⁺
 

起交换作用的阳离子

如果在共聚物的本体上引入各种胺基，就成为阴离子交换树脂。例如，季胺型强碱性阴离子交换树R–N⁺(CH₃)₃OH^–，其中OH^–在溶液中可以游离，并与阴离子交换。

离子交换法制纯水的原理就是基于树脂和天然水中各种离子间的可交换性。例如，R–SO₃H型阳离子交换树脂，交换基团中的H⁺可与天然水中的各种阳离子进行交换，使天然水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等离子结合到树脂上，而H⁺进入水中，于是就除去了水中的金属阳离子杂质。水通过阴离子交换树脂时，交换基团中的OH^–具有可交换性，将HCO₃^–、Cl^–、SO₄^2–等离子除去，而交换出来的OH^–与H⁺发生中和反应，这样就得到了高纯水。

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实验2  离子交换法制备去离子水

一、实验目的

1．了解离子交换法的原理。

2．掌握离子交换柱的制作方法及去离子水的制备方法。

3．学习电导率仪的使用及水中常见离子的定性鉴定方法。

二、实验原理

1．离子原理

无论是工农业生产用水、日常生活用水，还是科研实验用水，对水质都有一定的要求。在天然水或者自来水中含有各种各样的无机和有机杂质，常见的无机杂质有、、、、离子及某些气体。常见的处理方法有蒸馏法、电渗析法和离子交换法。本实验中主要介绍离子交换法的原理及应用。

离子交换法中起核心作用的物质就是离子交换树脂，它是一种具有网状结构的有机高分子聚合物，由本体和交换基团两部分组成，其中本体起的是载体作用，而本体上附着的交换基团才是活性成分。根据活性基团类型的不同，可以把离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。

典型的阳离子交换树脂是磺酸盐型交换树脂，其结构为

其中H⁺离子可以电离，进入溶液，并与溶液中阳离子如、、离子等进行交换，故名为阳离子交换树脂。

典型的阴离子交换树脂如季铵盐型离子交换树脂，其结构为

其中离子可以电离进入溶液，并与溶液中阴离子、离子等进行交换，故名为阴离子交换树脂

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实验十、醋酸电离常数的测定(电导率法)

一、实验目的：

1、学习用电导率测定解离常数的原理和方法

2、基本掌握使用DDS—307A型电导率仪。

二、实验原理：

弱电解质如醋酸，在一般浓度范围内，只有部分电离。因此有如下电离平衡：

HAc  =  H⁺  +  Ac^–

C(1 – α)   Cα   Cα

其中C为醋酸的起始浓度，α为电离常数，故C(1 – α)、Cα、各为HAc、H⁺及Ac^–的平衡状态下的浓度。如果溶液是理想的，在一定温度下，可由质量作用定律得到电离常数（K_HAc）为：

                    (1)

    电解质溶液是靠正负离子迁移传递电荷，因此电解质溶液的导电能力与溶液中离子数目的多少，离子电荷大小和离子运动速率有关。对于同一电解质,结构相同，故在一定温度时，对同一电解质不同浓度溶液的导电能力，只与电解质的总量和溶液的电离度有关。若定义电解质的摩尔电导率，则有：

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实验名称：用离子交换法制纯水

一、实验目的：

用离子交换法制备纯水，其目的就是通过实验加深对离子交换原理的理解，以及对设备的架构方法及基本操作的熟悉。离子交换是指固体颗粒和液体之间的界面上发生的离子交换过程，一般是指水溶液通过树脂时所发生的固—液间离子相互交换过程。

二、实验原理：

离子交换树脂是一类有机高分子离子交换剂。一般在离子交换树脂网状结构的骨架上有许多可以与溶液中离子起交换作用的活性基团。根据活性基团的不同阳离子交换树脂又分为强酸性和弱酸性离子交换树脂，阴离子交换树脂又可以分为强碱性和弱碱性离子交换树脂。制备纯水一般选用强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂。离子交换树脂制备纯水的交换机制如下：

强酸性阳离子交换树脂：

交换 + + R-SO3H+Na 再生

氢型 钠型

强碱性阴离子交换树脂：

交换 ?? RN(CH3)3OH+Cl 3)3Cl+OH

再生

羟型 氯型

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实验报告

课程名称：        水处理工程实验      指导老师：    ##      成绩：__________________

实验名称：       离子交换实验          类型：________________同组学生姓名： ##

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

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离子交换法制纯水的操作步骤

一、 准备树脂和再生剂

（1） 树脂用量 单柱装入柱高的2/3（按膨胀后的树脂体积计算）混

柱装入柱高的3/5，阳离子树脂与阴离子树脂的比例约为2：1.阳离子树脂装至加酸管上面一点。在接着装阴离子树脂，装至2倍阳离子树脂体积即可

（2） 再生剂的用量和配方： 再生阳离子树脂用5%盐酸，用量为树

脂体积的2倍。再生阴离子树脂用5%氢氧化钠，用量为树脂体积的2倍。

二、 树脂的预处理

新树脂含有低分子和高分子组分的分解产物。当树脂与水酸碱溶液接触时，上述这些有机杂质会进入溶液。树脂中还含有铁铅铜等金属离子，用前必须预处理，除去水中的杂质

阳离子交换树脂的预处理方法：将树脂置于塑料容器中，用清水漂洗，直至排水清晰为止。用水浸泡树脂12~24小时，使其充分膨胀。如为干树脂，应先用饱和氯化钠溶液浸泡，在逐步稀释氯化钠溶液，以免树脂突然急剧膨胀而破碎。用树脂体积2倍量的（2%~5%）盐酸溶液浸泡树脂2~4小时，并不时搅拌。也可将树脂装入柱中，用动态法使酸液以一定流速流过树脂层，然后用低纯水自上而下（间以自下而上）洗涤树脂，直至流出液PH≈4无氯离子即可。阴离子树脂的预处理与阳离子相同，只是在树脂用氢氧化钠处理时，可用（5%~8%）氢氧化钠，用量多加一些使树脂变为OH型后不要在用盐酸处理。

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（一）制药工业中大量使用的工艺用水的源水，来自自然界。天然条件下的水在自然界的循环过程中，通过不断与空气、地表、地层接触及对岩石与土壤的溶解等作用而被污染，含有各种杂质。各国药典均要求，制药用水应以符合饮用水标准的水为源水。

在自然界中，天然水中的杂质通常可以分为三类：第一类是悬浮物，其主要成分是泥沙、粘土、动植物残骸、微生物、有机物等；第二类是胶体，胶体颗粒是许多分子或离子的集合体，这种细小颗粒具有较大的比表面积，从而使它具有特殊的吸附能力，而被吸附的物质往往是水中的离子，因此胶体微粒带有一定的电荷；第三类杂质是溶解物，溶解物以分子或离子状态存在。

（1）水中的悬浮物；

①藻类与原生动物；

②泥沙和粘土；

③细菌；

④不溶性物质

（2）溶解状物质

①盐类物质；主要是钠盐、钙盐和锰盐。

②气体；在水体中，气体主要为二氧化碳、硫化物和有机物分解气体。

③胶体物质；胶体物质包括溶胶体和高分子化合物。

（二）制药用水制备方法选定原则

制药用水系统除控制化学指标及微粒污染外，必须有效地处理和控制微生物及细菌内毒素的污染。

纯化水制备常用的水处理技术

纯化水的质量取决于源水的水质及纯化水制备系统的组成和处理能力。纯化水制备系统的配置应根据源水水质、水质变化、用户对纯化水质量的要求、投资费用、运行费用等技术经济指标综合考虑确定。

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