离子交换法
离子交换法方程式
离子交换法方程式
（原创实用版）
目录
1.离子交换法的定义和原理
2.离子交换法的应用领域
3.离子交换法的方程式及其解析
正文
一、离子交换法的定义和原理
离子交换法是一种常用的物质分离和纯化方法，其基本原理是利用离子交换剂与待处理溶液中的离子进行交换，从而达到分离和纯化的目的。
离子交换剂通常是一种具有固定电荷和不同交换基团的高分子物质，它可以与溶液中的离子发生可逆的吸附和解吸附反应。
二、离子交换法的应用领域
离子交换法广泛应用于化学、生物学、环境科学等领域，主要用途包括：水处理、离子分离和浓缩、离子交换色谱、电镀废水处理等。
三、离子交换法的方程式及其解析
离子交换法的基本方程式如下：
R-H+ + Na+ → R-Na+ + H+
其中，R-H+ 代表待处理的阳离子，Na+ 代表交换剂上的可交换阳离子，R-Na+ 代表交换后的产物。
从方程式中可以看出，离子交换法的过程是一个动态平衡过程，其交换速度和交换效率受到多种因素的影响，如交换剂的物理和化学性质、溶液的 pH 值、反应时间等。
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第九章 离子交换法
离子交换法
本章需要掌握的知识点
什么是离子交换？ 离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？ 离子交换的机理是什么？
什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影
响？
基本的离子交换操作是怎样的？
如何利用离子交换法分离蛋白质？
§ 9.1 概述
离子交换的发展
十八世纪中期由Thompson所发现，后来J.Thomas Way全面研究。
稳定
稳定
需过量的强酸 很容易 快 慢(除非离子 化后)
需要过量的 再生容易，可用碳酸 强碱 钠或氨 快 慢(除非离子化后)
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，
在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能 基团，便可得到大孔离子交换树脂。
特点：
空隙大，抗有机物污染能力较强。
国内外离子交换树脂相应牌号对照
704 = 311×2 717 = 201×7 732 = 001×7
711 = 201×4
703 = D311 HD42 = 001 Amberlite IR系列 Zerolit 系列
§ 9.3 离子交换树脂的性质与测定
一、生物相容性 二、结构性能 三、理化性能
离子交换法概述
离子交换法是通过带电的溶质分子与离子交换剂中可
交换的离子进行交换而达到分离纯化的方法。该方法主要 依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中的电荷的微小差 异而进行分离，具有较高的分离容量。
几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电， 所以离子交换法已广泛用于生物大分子的分离纯化技术。
3．交换容量
第八章离子交换法1
丙烯酸-二乙烯苯羧基树脂 酚醛树脂
单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成 多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂
树脂类型
国内生产的树脂主要有：
苯乙烯—二乙烯苯型 丙烯酸—二乙烯苯型 酚醛型（水杨酸、苯酚、甲醛） 多乙烯多胺—环氧氯丙烷型
这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。
大孔型树脂： 是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异 构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形成大网 孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔 和大量的粗孔。 较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。
三、其他类型的树脂
1、两性离子交换树脂
将两种性质相反的阴、阳离子交换官 能团连接在同一树脂骨架上，构成两 性树脂。
3、吸附树脂
吸附树脂（脱色树脂）：
有较大表面积，具多孔性，吸附能力强； 但交换离子的能力很小，甚至不能交换； 多用于脱色、吸附大分子产物和除去蛋白质
等。
如：大网格树脂
4、电子交换树脂
不是进行离子交换而是电子转移； 能起氧化还原作用（又称氧化还原树
脂）。 按活性基团性质分，有两种类型：
离子交换树脂的合成
交联剂：二烯化合物（最常用的是二乙烯 苯），形成树脂的三元网状结构（不溶解 性能）。
交联度：合成时在单体相中所含二乙烯苯 含量。
分散剂：水溶性有机物—淀粉、明胶、聚 甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于 水的无机物—硫酸钙、磷酸钙、滑石粉等。
几种主要的离子交换树脂制备方法
按聚合反应类型分：缩聚型、加聚型树脂等。
我国按活性离子来分类：强酸、弱酸、强 碱、弱碱、螯合、两性、氧化还原等7类。
离子交换法
离子交换法简介离子交换法是一种常用的分离和提纯离子的方法。
它利用固体材料中存在的离子交换树脂来与溶液中的离子进行交换，并实现离子的选择性分离和浓缩。
离子交换法具有操作简便、工艺灵活、效果好等优点，被广泛应用于水处理、制药、饮料工业等领域。
原理离子交换法基于离子的化学性质和固体材料的物理性质，通过离子交换树脂将固态材料与溶液中的离子进行交换。
离子交换树脂是一种具有特殊结构的聚合物，其表面带有一定的正负电荷。
当离子溶液通过离子交换树脂时，其中的离子会与树脂表面的离子发生电荷交换，使离子从溶液中被吸附到固体材料上。
离子交换树脂可以根据其具有的功能基团而分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。
阳离子交换树脂具有负电荷，可吸附并固定阳离子，阴离子交换树脂具有正电荷，可吸附并固定阴离子。
在实际应用中，通常使用一定的工艺步骤和反应条件，调节离子交换树脂与溶液中离子之间的交换效率和选择性。
应用离子交换法在许多领域得到了广泛的应用。
水处理离子交换法在水处理中起着重要的作用。
水中的硬度主要由钙和镁离子引起，在水中存在一定量的钠、钾和氢离子。
使用针对特定离子的离子交换树脂，可以将水中的硬度离子与树脂上的钠、钾或氢离子进行交换，从而降低水中的硬度。
此外，离子交换法还可以去除水中的有害离子，如重金属离子、铵离子等。
制药在制药过程中，离子交换法常用于药物的纯化和提纯。
药物中常常存在各种离子杂质，通过选择性吸附这些离子杂质的离子交换树脂，可以有效地将其从溶液中去除，并得到纯净的药物。
饮料工业离子交换法在饮料工业中也发挥着重要作用。
饮料中常常存在着对人体健康有害的重金属离子和有机物。
通过使用离子交换树脂，可以去除饮料中的这些有害成分，提高饮料的质量和安全性。
实施步骤离子交换法的具体实施步骤如下：1.选择适当的离子交换树脂。
根据需要从阳离子交换树脂和阴离子交换树脂中选择合适的材料。
2.准备离子交换树脂。
将离子交换树脂按照要求进行预处理，如清洗、活化等。
离子交换法
离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。
生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。
在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。
离子交换法的特点是树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。
目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。
但离子交换法也有生产周期长，PH变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。
此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等。
图1 离子交换车间一、离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物．离子交换树脂的单元结构由两部分组成。
一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。
活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。
这种交换是等当量进行的。
如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。
(一)离子交换树脂的分类离子交换树脂通常有4种分类方法，一是按树脂骨架的主要成分将树脂分为聚苯乙烯型树脂，聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；二是按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；三是按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂(亦称微孔树脂)、大网络树脂(亦称大孔树脂)及均孔树脂。
由于活性基团的电离程度决定了树脂酸性或碱性的强弱，所以又将树脂分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。
活性基团决定着树脂的主要交换性能。
强酸性阳离子交换树脂这类树脂的活性基团有磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)。
离子交换法
离子交换法概述
①
开始
-
-
+
-
-
+
-
-
离子交换层析原理
②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
-
--+++-+++
-
+++++++
+++++++
++++++
RY + A+ → RA + Y+
←
从上面的反应式中可以看出，如果A离子与离子 交换剂的结合力强于Y离子，或者提高A离子的浓度， 或者通过改变其它一些条件，可以使A离子将Y离子 从离子交换剂上置换出来。也就是说，在一定条件 下，溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出 来，并通过电荷基团结合到固定相上，而平衡离子 则进入流动相，这就是离子交换层析的基本置换反 应。
二、离子交换层析原理
离子交换法是通 过带电的溶质分 子与离子交换剂 中可交换的离子 进行交换而达到 分离纯化的方法。
离子交换法概述
离子交换层析原理
主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。
选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态， 通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些 物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
第四章离子交换法
离子交换树脂的结构 离子交换树脂是具有特殊网状结构的高分子化合物，由空间
网状结构骨架（即母体）和附着在骨架上的许多活性基团所构成。 活性基团遇水电离，分成：固定部分和活动部分
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树脂的网络骨架
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2.2离子交换树脂的分类 一般按树脂所带功能团的性质不同分为阳离子交换树
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离子交换法的应用： （1）从贫液中富集和回收有价金属：贵金属和稀有金属； （2）提纯化合物和分离性质相似的元素：稀土分离； （3）处理某些工厂的废水； （4）生产软化水。
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2
第二节 离子交换树脂及其性能
2.1离子交换树脂的结构
（1）高分子部分：聚苯乙烯或聚丙烯酸酯等。连接树脂 的功能团的作用。
柱上离子交换分为运动树脂床和固定树脂床。
交换柱内离子交换过程：B A B A
柱上中层为交换层。
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漏穿容量 （V V1 )C mol / L
废水中只有一种离子B+
V2
V 至漏穿时流过的料液体积；V1 树脂床的空隙体积；
进水（C0）
C V2 树脂床的体积；C 料液中金属离子浓度。
(c V）Na OH 交换容量＝
(c
V)
HCl
100 25
m 树脂(g)
100
0.1100 0.112.5
25 5(mmol.g 1 )
1
阳离子交换树脂： 交换容量＝ c V NaOH NaOH c HCl VHCl
干树脂质量 (g)
离子交换法
离子交换法离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。
常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。
硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。
软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。
同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。
从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。
也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。
不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。
再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。
若将离子交换法与其他纯化水质方法(例如反渗透法、过滤法和活性碳吸附法)组合应用时，则离子交换法在整个纯化系统中，将扮演非常重要的一个部分。
离子交换法能有效的去除离子，却无法有效的去除大部分的有机物或微生物。
而微生物可附着在树脂上，并以树脂作为培养基，使得微生物可快速生长并产生热源。
因此，需配合其他的纯化方法设计使用。
活性碳吸附法有机物可能是阳离子、阴离子或非离子性的物质，离子交换树脂可去除原水中一些可溶性的有机酸和有机碱(阴离子和阳离子)，但有些非离子性的有机物却会被树脂包覆，这过程称为树脂的“污染阻塞”现象，不但会减少树脂的寿命，而且降低其交换能力。
为保护离子交换树脂，可将活性碳过滤器安装在离子交换树脂之前，以去除非离子性的有机物。
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离子交换法
离子交换法是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水，水中的离子会与固定在树脂上的离
子交换。
常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。
硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前，先将水质硬度降低的一种前处理程序。
软化机里面的球状树脂，以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。
离子交换树脂利用氢离子交换阳离子，而以氢氧根离子交换阴离子；以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、
Ca2+、Al3+)。
同样的，以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。
从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。
阴阳离子交换树脂可被分别包装在不同的离子交换床中，分成所谓的阴离子交换床和阳离子交换床。
也可以将阳离子交换树脂与阴离子交换树脂混在一起，置于同一个离子交换床中。
不论是那一种形式，当树脂与水中带电荷的杂质交换完树脂上的氢离子及(或)氢氧根离子，就必须进行“再生”。
再生的程序恰与纯化的程序相反，利用氢离子及氢氧根离子进行再生，交换附着在离子交换树脂上的杂质。
若将离子交换法与其他纯化水质方法(例如反渗透法、过滤法和活性碳吸附法)组合应用
时，则离子交换法在整个纯化系统中，将扮演非常重要的一个部分。
离子交换法能有效的去除离子，却无法有效的去除大部分的有机物或微生物。
而微生物可附着在树脂上，并以树脂作为培养基，使得微生物可快速生长并产生热源。
因此，需配合其他的纯化方法设计使用。
活性碳吸附法
有机物可能是阳离子、阴离子或非离子性的物质，离子交换树脂可去除原水中一些可溶性的有机酸和有机碱(阴离子和阳离子)，但有些非离子性的有机物却会被树脂包覆，这过程称为树脂的“污染阻塞”现象，不但会减少树脂的寿命，而且降低其交换能力。
为保护离子交
换树脂，可将活性碳过滤器安装在离子交换树脂之前，以去除非离子性的有机物。
活性碳的吸附过程是利用活性碳过滤器的孔隙大小及有机物通过孔隙时的渗透率来达到
的。
吸附率和有机物的分子量及其分子大小有关，某些颗粒状的活性碳较能有效的去除氯胺。
活性碳也能去除水中的自由氯，以保护纯水系统内其他对氧化剂敏感的纯化单元。
活性碳通常与其他的处理方法组合应用。
在设计纯水系统时，活性碳与其他相关纯化单位的相关配置，是一项极为重要的项目。
微孔过滤法
微孔过滤法包括三种类型：深层过滤(depth)、筛网过滤(screen)及表面过滤(surface)。
深层滤膜是以编织纤维或压缩材料制成的基质，利用随机性吸附或是捕捉方式来滞留颗粒。
筛网滤膜基本上是具有一致性的结构，就像筛子一般，将大于孔径的颗粒，都滞留在表面上
(这种滤膜的孔径大小是非常精确的)，而表面过滤则是多层结构，当溶液通过滤膜时，较滤膜内部孔隙大的颗粒将被滞留下来，并主要堆积在滤膜表面上。
由于上述三种滤膜的功能不同，因此对滤膜之间的分辨非常重要。
由于深层过滤是一种较为经济的方式，可去除98%以上的悬浮固体，同时保护下游的纯化单元不会败坏或堵塞，因此通常被作为预过滤处理。
表面过滤可去除99.99%以上的悬浮固体，所以也可作为预过
滤处理或澄清用。
微孔薄膜(筛网滤膜)一般被置于纯化系统中的最终使用点，以去除最后残留的微量树脂碎片、碳屑、胶质颗粒和微生物。
例如：0.22μm微孔滤膜，其可滤过所有的细菌，通常用于将静脉注射用的液体、血清及抗生素进行除菌用。
超滤法
微孔薄膜是依其孔径大小来去除颗粒，而超滤(UF)薄膜则是一个分子筛，它以尺寸为基准，让溶液通过极细微的滤膜，以达到分离溶液中不同大小分子的目的。
超滤膜是一种强韧、薄、具有选择性的通透膜，可截留大部分某种特定大小以上的分子，
包括：胶质、微生物和热源。
较小的分子，例如：水和离子，都可通过滤膜。
所以，超滤法可将截留液中的大分子加以浓缩，但是，仍有些大分子会渗漏至滤过液中。
超滤膜有数种不同的范围，在所有的实例中，超滤膜会留在大部分大于其分子筛所定义分子量的分子。
反渗透法
反渗透(RO)法是可达到90%~99%杂质去除率中最经济的方法。
RO膜的滤孔结构较UF 膜还要致密，RO膜可去除所有的颗粒、细菌以及分子量大于300的有机物(包括热源)。
当第二种不同浓度的溶液，由一个半透膜隔开时，渗透现象会自然发生。
渗透压将水压过半透膜，水将浓度较高的溶液稀释，最后造成浓度平衡。
在水纯化系统中，施加压力于高浓度的溶液中，以抗衡渗透压。
如此迫使得纯水由高浓度的液体通过RO膜，并可加以收集。
由于RO膜致密度极高，因此，产出的水流很慢，需要经过相当的时间，贮水箱内才会有足够的水量。
RO膜可执行离子排除，使得只有水可通过RO膜，其余所有的离子及溶解的分子都被截留，并加以排除(包括盐类和糖)。
RO膜以电荷反应将离子排除，带电荷愈大，排除性愈高，所以RO膜几乎可排除所有的(>99%)强离子性的高价离子，但是，对于弱离子性的单价离子(如钠离子)的效果只有95%。
不同的进水需要不同种类的RO膜，RO膜包括由乙酸纤维酯制成，或是以聚硫胺与聚砜基质的混合薄层聚合物。
如果以原水水质及产水水质为基准，经过适当设计后，RO是将自来水纯化的最经济有效方法。
RO同时也是试剂级纯水系统最好的前处理方法。