食品分离技术(7) 离子交换技术

6．树脂与交换离子间的辅助力：
凡能与树脂间形成辅助力（氢键、范德华力等）的离子，树脂 对其吸附力就大；能破坏这些辅助力，离子从树脂上易洗脱。
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4.4、离子交换过程和速度
离子交换反应是在动态下进行的，不 论溶液的运动情况怎样，在树脂表面上始 终存在着一层薄膜，起交换的离子只能借 分子扩散而通过这层簿膜。
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4．弱碱性阴离子树脂
这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(—NH2)、仲胺 基 (—NHR)或叔胺基(—NR2)，反应简式为：
R NH2 H2O R NH3 OH
离解能力较弱，只能在低pH值下工作，可用弱碱再生。
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四种基本类型树脂的实用型
1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠 型树脂；避免了溶液PH值下降和由此产生的副 作用，如对设备的腐蚀。进行再生时，用盐水 而不用强酸。
换带一般0.2—1m。B离子浓度高、操作温度低、料液流速 高、树脂老化等都会使交换带加宽，不利；应控制，但有
限。
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3、交换
始漏点：流出液中开 始出现未被交换的离 子（承接检验有试液 离子）
始漏量：达始漏点时， 被交换到柱子上的离 子的量（mmol）< 树脂的总交换容量
交界层：部分被交换 的树脂层称为交界层
R SO3 Na R SO3Na
强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶
液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时的
pH没有限制。
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树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化 学药品使树脂的官能团回复原来状态再次使用。 强酸性阳离子树脂是用强酸进行再生处理。
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2．弱酸性阳离子树脂
这类树脂含有弱酸性基团，如羧基—COOH、 酚羟基 —OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。 反应简式为：
因此，离子交换反应的速度主要取决于扩散速度。 35
五、 离子交换的装置及应用
5.1 离子交换装置 按操作方式分为：
间歇式分批操作及柱式操作两种。
按是否敞口分为：
有开放式(即敞口式)和密闭式两种。
开放式：便于树脂的装入、吸出，只能在常压下操作。柱的 反洗和清污容易，但由于敞口，易混入外界杂质。
密闭式：上下全封，能克服开放式的缺点，但清污和装住较
分类名称 强酸性 弱酸性 强碱性 弱碱性 螯合性
两性 氧化还原
骨架名称 苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯哌啶系 脲醛系 氯乙烯系
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三 、 离子交换树脂的理化性能
(1)外观：颜色、形状； (2)交联度 (3)化学稳定性 (4)机械强度 (5)交换容量 (6)酸碱度 (7)含水量 (8)膨胀度 (9)密度
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2.2 离子交换反应
典型的离子交换反应： Ca2++Na2R==CaR+2Na+ SO42-+RCl2==RSO4+2Cl-
离子交换的逆反应称为再生，实际上也是离子交换。 离子交换与吸附的最大区别：
离子交换是一个化学计量过程。
离子交换反应是可逆的。
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2.3 离子交换树脂的分类
① 按物理结构分类： 凝胶型（孔径为5nm); 大孔型（孔径为20—100nm); ② 按合成的树脂所用原料单体分类： 苯乙烯系、酚醛系、丙烯酸系、环氧系、 乙烯吡啶系。
麻烦。
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5.2 离子交换操作步骤
1．树脂预处理：
去除未参与聚合反应的低、高分子成分的分解产物， 铁、铜、铝等金属物质及灰尘； 装柱，去离子水浸泡12h， 2-3倍10%食盐水浸泡4h；水洗，酸、碱处理，调pH。
2．上柱交换：
关键，可采用正上柱或倒上柱 ，柱上树脂分三层： 已 交、交换、未交。交换带逐渐下移，达底部称漏出点。交
纤维交换剂 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
萃淋树脂
有机高分子大孔结构与 萃取剂的共聚物型树脂
—SO3H —COOH 或—OH 季铵碱—N(CH3)+OH伯胺、仲胺或叔胺 —CH2—N(CH2COOH）2
—COOH 或—SO3H 季 铵 碱 — N(CH3)+OH- 或 伯胺、仲胺或叔胺 磷酸三丁酯与苯乙烯— —二乙烯苯聚合物
4 ．树脂的再生：
交换吸附的逆反应。水洗，再生剂再生，清水洗至所需PH值。 钠型强酸性树脂用NaCI再生；氢型强酸性树脂用强酸再生，氯型 强碱性阴树脂主要用NaCI溶液再生，羟型强碱性阴树脂用Na0H 溶液再生。恢复程度为70％一80％。
1—14 6—14
型脂
树 阴 离 子 强碱性阴离子交换树脂 季铵碱—N(CH3)+OH脂 交 换 树 弱碱性阴离子交换树脂 伯胺、仲胺或叔胺
0—12 0—9
脂
螯合（离子交换）树脂
—CH2—N(CH2COOH）2 弱酸—弱
碱
氧化还原（离子交换）树脂
含氧化或还原基团
—
大 阳离子交 强酸性阳离子交换树脂 孔 换树脂 弱酸性阳离子交换树脂 型 阴离子交 强碱性阴离子交换树脂 树 换树脂 弱碱性阴离子交换树脂 脂 螯合（离子交换）树脂
CH=CH2 +
CH=CH2
CH=CH—COOH
碱性基团 —N+R3 —NR2
特殊基团
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聚苯乙烯型磺酸基阳离子交 换树脂 图中以波形线条代表树脂的 骨架，活性基团 磺酸基（ —SO3H）。
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树脂的网络骨架
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二、 离子交换原理
❖ 2.1 离子交换推动力 ❖ 2.2 离子交换反应 ❖ 2.3 离子交换树脂分类及反应原理 ❖ 2.4 离子交换树脂的命名
离子交换速度：
在单位时间内，溶液中A+浓度减少或
B+浓度增加的量。
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离子交换机理
A+自溶液中扩散到树脂表面
A+从树脂表面进入树脂内部的活性中 心
A+与RB在活性中心上发生复分解反应
解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂 表面
B+离子从树脂表面扩散到溶液中
交换速度的控制步骤是扩散速度，不 同的分离体系可能由内部扩散或外部 扩散控制.
离子交换技术
赵林
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主要内容
一、 离子交换基本概念 二、 离子交换原理 三、 离子交换树脂的理化性能 四、 离子交换过程及其影响因素 五、 离子交换装置及应用
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一、离子交换的基本概念
离子交换技术：借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液 中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目 的,是一种属于传质分离过程的单元操作。它是一种固—液分 离法。离子交换过程可看做是一种特殊的吸附过程。
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交换容量是表征树脂性能的重要参数。 它用单位质量干树脂或单位体积湿树脂
所能吸附的1价离子的毫摩尔数来表示。 ❖ a. 理论交换容量（全交换容量）：树脂活性基团中
所有可交换离子全部被交换时的交换容量。 ❖ b. 工作交换容量：工作状态下的交换容量。 ❖ c. 有效交换容量或再生交换容量：再生后树脂的
较善于吸附大分子有机物，耐有机物 的污染。
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2.4 树脂的命名
根据离子交换树脂官能团的性质，将其分为强 酸、弱酸、强 碱、弱碱、螯合、两性及氧化还原等7类。
离子交换树脂的全名由分类名称、骨架(或基 团)名称、基本 名称(离子交换树脂)排列组成。
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离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号
代号 0 1 2 3 4 5 6
强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯
型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它
们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性
和工作的pH范围宽等。
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5. 凝胶型和大孔型树脂
按骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大 孔型树脂。
凝胶型树脂：
是以苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯 聚合得到具 有交联网状结构的聚合体。
离子交换的工业应用举例： （1）水处理：工艺用水制备、锅炉给水的软化、
纯水制备。 （2）产品精制：蔗糖，葡萄糖，甜菊苷，甘油等。 （3）分离：蛋白质，氨基酸，核酸，维生素等。
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优点： 分离效率高，设备简单，操作不复杂，树脂 具有再生能力，可反复使用。
缺点： 分离周期长，耗时过多。不一定能找到合适 的树脂，生产过程中pH值变化较大。
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离子交换树脂的构成
离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂的具有 网状结构的功能高分子化合物.
❖ 具有三维空间立体结构的网络骨架 ❖ 连接在骨架上的活性基团 ❖ 活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离
子）
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离子交换树脂的结构
骨架
酚醛树脂
聚苯乙烯树脂 活性基团
带有活性基团的网状高分子聚合物
OH + CH2O
R COOH R COO H
只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用(羧 基pH＞6，酚羟基PH＞9)。这类树脂也是用酸 进行再生。
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3．强碱性阴离子树脂
这类树脂含有强碱性基团，如季铵基—NR3OH，能在水 中离解出—OH-而呈碱性，反应简式为：
R NR3OH R NR3 OH
离解性很强，使用的pH范围没有限制，再生一般用强碱。
3. 离子的水化半径：
离子在水溶液中的大小应用水化半径来表征，而不是原子量。
水化半径较小的离子优先吸附。
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4．树脂物理结构：
通常交联度高的树脂对离子的选择性较强。大孔型树脂的选择 性低于凝胶型树脂。但对于大分子的吸附，情况较复杂。
5．有机溶剂：
有机溶剂常会使树脂对有机离子的选择性降低，而容易吸附无 机离子，可利用有机溶剂从树脂上洗脱难洗脱的有机物质。
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离子交换树脂的种类
强酸性阳离子交换树脂 阳离子交换树脂
弱酸性阳离子交换树脂