食品分离技术—离子交换全解课件.ppt

离子交换技术的发展离子交换技术的发展1814年，英国人开始认识了交换现象年，英国人开始认识了交换现象利利用用离离子子交交换换技技术术法法软软化化水水始始于于20世世纪纪初期初期在在30年年代代，由由于于离离子子交交换换树树脂脂的的出出现现，离离子子交交换换技技术术的的应应用用迅迅速速发发展展，广广泛泛应应用于化工、医药、食品等领域用于化工、医药、食品等领域离子交换在食品及有关工业的应用离子交换在食品及有关工业的应用制糖工业：采用阳离子交换树脂如制糖工业：采用阳离子交换树脂如Na型阳离型阳离子交换剂进行糖汁一级提纯的方法子交换剂进行糖汁一级提纯的方法水解工业：对木材和各种农业废物水解时所得水解工业：对木材和各种农业废物水解时所得糖溶液进行净化糖溶液进行净化酵母工业：废蜜的提纯酵母工业：废蜜的提纯水处理：水的软化、水的软化和部分脱盐、水水处理：水的软化、水的软化和部分脱盐、水的脱盐制药工业的应用制药工业的应用废水处理废水处理其他：碘的提取、电解质和非电解质的分离其他：碘的提取、电解质和非电解质的分离一、离子交换的基本概念一、离子交换的基本概念 定义：利用定义：利用离子交换剂离子交换剂能吸附溶液中一能吸附溶液中一种离子同时放出另一种相同电荷的离子种离子同时放出另一种相同电荷的离子的特点，使这种的特点，使这种交换剂和溶液交换剂和溶液之间进行之间进行的的同号离子同号离子相互相互交换交换现象叫离子交换。

现象叫离子交换二、离子交换树脂(一一)离子交换剂的基本概况离子交换剂的基本概况1 1定义：凡具有离子交换能力的物质，统定义：凡具有离子交换能力的物质，统称为离子交换剂称为离子交换剂一种多孔状的固体，不一种多孔状的固体，不溶于水，也不溶于电解质溶液，但能从溶溶于水，也不溶于电解质溶液，但能从溶液中吸取离子而进行离子交换液中吸取离子而进行离子交换2 2、离子交换剂的构成、离子交换剂的构成离子交换剂是由固定的离子交换剂是由固定的”骨架骨架”本体本体成成分和可交换的离子基团构成分和可交换的离子基团构成3、分分类类：按按“骨骨架架”成成分分分分：可可分分为无机和有机两大类为无机和有机两大类有机有机合成离子交换树脂根据树脂所含有的合成离子交换树脂根据树脂所含有的活性基团的不同，树脂的分类如下活性基团的不同，树脂的分类如下：(1)、阳离子交换树脂cation-exchange resin 阳离子交换树脂：合成树脂的本体上带阳离子交换树脂：合成树脂的本体上带有酸性活性基团，可以被阳离子所交换有酸性活性基团，可以被阳离子所交换的树脂不能交换的离子称固定离子，可交换的不能交换的离子称固定离子，可交换的离子称平衡离子。

离子称平衡离子磺酸型离子交换树脂所含有的活性基团磺酸型离子交换树脂所含有的活性基团磺酸基磺酸基(一一SO3H)中，含有一个可被交换中，含有一个可被交换的阳离子的阳离子H+和一个不能交换的阴离子和一个不能交换的阴离子S03-能交换阳离子的活性基团，除磺酸基以能交换阳离子的活性基团，除磺酸基以外，还有次甲基磺酸基外，还有次甲基磺酸基(一一CH2SO3H)、磷酸基磷酸基(一一PO3H2).羧基羧基(一一COOH)、酚、酚基基(一一0H)酸性强弱由活性基团决定，酸性强弱由活性基团决定，根据活性基团酸性强弱的不同，顺序如根据活性基团酸性强弱的不同，顺序如下：下：强强酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂：磺磺酸酸基基(一一SO3H)弱弱酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂：羧羧基基(一一COOH)、酚基、酚基(一一OH)2)、阴离子交换树脂anion exchange resin 阴离子交换树脂：本体上带有碱性活性阴离子交换树脂：本体上带有碱性活性基团，可以被阴离子所交换的树脂基团，可以被阴离子所交换的树脂其活性基团，都含有一个可以交换的阴其活性基团，都含有一个可以交换的阴离子和一个不能交换的阳离子。

离子和一个不能交换的阳离子强碱性阴离子交换树脂：季胺基（聚苯强碱性阴离子交换树脂：季胺基（聚苯乙烯型季胺基强碱性阴离子交换树脂）乙烯型季胺基强碱性阴离子交换树脂）弱弱碱碱性性阴阴离离子子交交换换树树脂脂：伯伯胺胺基基(一一NH2)仲仲 胺胺 基基 (一一 NH(CH3)及及 叔叔 胺胺 基基(一一N(CH3)2的树脂3).特殊的离子交换树脂 螯合树脂：氨基二乙酸基的树脂对螯合树脂：氨基二乙酸基的树脂对Cu2+、Co2+、Ni2+有很高的选择性有很高的选择性大孔径离子交换吸附树脂：大孔径离子交换吸附树脂：合成过程中加入了合成过程中加入了一定量的致孔剂，如汽油或苯等，待聚合完毕一定量的致孔剂，如汽油或苯等，待聚合完毕后，再将这些惰性溶剂从聚合物中赶走，由此后，再将这些惰性溶剂从聚合物中赶走，由此而形成海绵状的高强度大孔径树脂而形成海绵状的高强度大孔径树脂树脂在极性和非极性溶剂中溶胀程度的差异树脂在极性和非极性溶剂中溶胀程度的差异较一般树脂小，对氧化剂的稳定性好，对大较一般树脂小，对氧化剂的稳定性好，对大离子的交换较快因此，可以在非水溶液和离子的交换较快因此，可以在非水溶液和混合介质中进行离子交换，可用于交换相对混合介质中进行离子交换，可用于交换相对分子质量高的离子。

分子质量高的离子萃淋树脂萃淋树脂(Levextrelresin)它是将液体萃它是将液体萃取剂加入到苯乙烯和二乙烯苯单体混合取剂加入到苯乙烯和二乙烯苯单体混合物中，用特殊的悬浮聚合法制成物中，用特殊的悬浮聚合法制成型号为了区别离子交换树脂同一类型的不同品型号为了区别离子交换树脂同一类型的不同品种，有三位阿拉伯数字表示，第一位：代表产种，有三位阿拉伯数字表示，第一位：代表产品分类；第二位：代表骨架的差异；第三位：品分类；第二位：代表骨架的差异；第三位：为顺序号，用以区别基团为顺序号，用以区别基团二二)离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能含水量和密度含水量和密度粒度粒度交联度交联度溶胀变化溶胀变化 交换容量交换容量 选择性选择性 1含水量和密度含水量和密度商品离子交换树脂具有亲水性，常含有一定的商品离子交换树脂具有亲水性，常含有一定的结合水分结合水的含量与其官能基的性质及结合水分结合水的含量与其官能基的性质及交联度有关，并随着空气湿度变化而改变交联度有关，并随着空气湿度变化而改变测定树脂含水分的方法可用烘干法，或测定树脂含水分的方法可用烘干法，或用用KarlFisher试剂滴定法试剂滴定法。

树脂的湿真密度，是指树脂在水中充分树脂的湿真密度，是指树脂在水中充分膨胀后，树脂颗粒本身的密度膨胀后，树脂颗粒本身的密度(g/cm3)，一般在一般在1.041.3g/cm3左右2 2、粒度、粒度 树脂的粒度关系到离子交换速度、树脂床树脂的粒度关系到离子交换速度、树脂床中液流分布均匀性和液流压强降，以及反中液流分布均匀性和液流压强降，以及反洗时树脂流失等洗时树脂流失等通常树脂床使用的树通常树脂床使用的树脂，其颗粒粒径约脂，其颗粒粒径约0.31.2mm特殊用途特殊用途的细磨树脂，其半径可小至的细磨树脂，其半径可小至0.04mm粒度的方法有两种粒度的方法有两种：以颗粒半径表示以颗粒半径表示以筛子以筛子(目数目数)表示标准筛又有两种即：美表示标准筛又有两种即：美国筛和英国标准筛（国筛和英国标准筛（BSS)BSS)3、交联度 将树脂的骨架用交联法形成一个巨大且可与热将树脂的骨架用交联法形成一个巨大且可与热固性塑料相比拟的分子网这种交联的程度称固性塑料相比拟的分子网这种交联的程度称为交联度为交联度树脂的交联度是按合成时所用单体中含有交联树脂的交联度是按合成时所用单体中含有交联剂的质量分数来表示的剂的质量分数来表示的。

例如，聚苯乙烯树脂的交联度为例如，聚苯乙烯树脂的交联度为8%DVB，它的意它的意义是这种树脂合成时单体中苯乙烯占义是这种树脂合成时单体中苯乙烯占92%，二乙烯，二乙烯苯占苯占8%离子交换树脂的交联度与其许多性质离子交换树脂的交联度与其许多性质(溶解度、溶解度、交换容量、膨胀性、选择性、含水量，稳定性交换容量、膨胀性、选择性、含水量，稳定性等等)都有关系都有关系交联度大的树脂特点空隙率小，相对密度大，含水率高空隙率小，相对密度大，含水率高交交联联网网孔孔直直径径小小，因因而而离离子子交交换换选选择择性性大，但交换速度变慢大，但交换速度变慢导入活性基团较困难，故交换容量较小导入活性基团较困难，故交换容量较小树脂机械强度较大树脂机械强度较大稳定性好稳定性好4、溶胀变化干的离子交换树脂浸入纯水后，水即扩干的离子交换树脂浸入纯水后，水即扩散入树脂交联网孔内此时，树脂交换散入树脂交联网孔内此时，树脂交换基团在水中即发生解离，并形成水合离基团在水中即发生解离，并形成水合离子，从而使树脂交联网孔增大，发生膨子，从而使树脂交联网孔增大，发生膨胀，称为树脂膨胀胀，称为树脂膨胀溶胀变化通常按干树脂所吸取的水的百溶胀变化通常按干树脂所吸取的水的百分率来表示，或称溶胀率分率来表示，或称溶胀率树脂溶胀影响因素所接触的介质所接触的介质(空气、水、溶剂空气、水、溶剂)树脂本身的结构特征树脂本身的结构特征电荷密度电荷密度(离子时的性质和浓度离子时的性质和浓度)反离子的种类反离子的种类5、交换容量交交换换容容量量是是说说明明树树脂脂的的交交换换能能力力，通通常常按按每每克克干干树树脂脂所所能能交交换换的的离离子子的的毫毫摩摩尔尔来表示来表示.在在工工业业上上，常常按按单单位位体体积积树树脂脂所所能能交交换换的物质的量的物质的量(摩尔摩尔)表示。

表示交换容量的表示法 全全交交换换容容量量它它是是指指树树脂脂活活性性基基团团中中所所有有可可交交换换离离子子全全部部被被交交换换的的交交换换容容量量，其其单单位位常常用用mol/kg或或mol/m3表示工工作作交交换换容容量量它它是是指指动动态态工工作作状状态态下下的的交交换换容容量量，其其影影响响因因素素主主要要是是:进进液液的的离离子子浓浓度度、交交换换操操作作的的控控制制指指标标、树树脂脂层层的的高高度度、交交换换速速度度、树树脂脂粒粒度度以以及及活活性性基基团团的的形形式式等等工工作作交交换容量的单位常用换容量的单位常用mmol/cm3表示有有效效交交换换容容量量它它为为工工作作交交换换容容量量减减去去因因正正洗洗损失的交换容量单位常用损失的交换容量单位常用mmol/cm3表示6、选择性 选择性是指离子交换剂对不同离子的亲选择性是指离子交换剂对不同离子的亲和力在低浓度的水溶液中和室温条件下，多在低浓度的水溶液中和室温条件下，多价离子比单价离子优先交换等价离子价离子比单价离子优先交换等价离子的选择性随着原子序数的增加而增加的选择性随着原子序数的增加而增加在高浓度溶液中，多价离子的选择性随在高浓度溶液中，多价离子的选择性随着浓度的提高而减小着浓度的提高而减小 三、离子交换的基本原理三、离子交换的基本原理1 1、作用实质上是一种溶液中的电解质和、作用实质上是一种溶液中的电解质和不溶性电解质的固、液两相接触时所进不溶性电解质的固、液两相接触时所进行的复分解反应。

行的复分解反应离子交换反应是可逆的，逆反应称之为离子交换反应是可逆的，逆反应称之为再生因此，离子交换剂经再生后可反再生因此，离子交换剂经再生后可反复使用例如以泡沸石软化水，泡沸石可以用例如以泡沸石软化水，泡沸石可以用Na2R来表示，其中来表示，其中R表示极大的阴离子表示极大的阴离子部分，而部分，而Na+则是可被置换的离子则是可被置换的离子泡沸石中的泡沸石中的Na+和水中的和水中的Ca2+起了交换反起了交换反应，水中的应，水中的Ca2+被离子交换剂吸附而水被离子交换剂吸附而水被软化2、唐南理论(Donnan Theory)认为离子交换树脂是一种具有弹性的凝认为离子交换树脂是一种具有弹性的凝胶，因吸收水分而溶胀溶胀后的离。