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利用離子交換技術法軟化水始于20世紀初期

¨在30年代，由于離子交換樹脂的出現，離子交換技術的應用迅速發展，廣泛應用于化工、醫藥、食品等領域

¨1814年，英國人開始認識了交換現象

一、離子交換的基本概念 

¨定義：利用離子交換劑能吸附溶液中一種離子同時放出另一種相同電荷的離子的特點，使這種交換劑和溶液之間進行的同號離子相互交換現象叫離子交換。

二、離子交換樹脂 

¨1定義：凡具有離子交換能力的物質，統稱為離子交換劑。一種多孔狀的固體，不溶于水，也不溶于電解質溶液，但能從溶液中吸取離子而進行離子交換。

¨(一)離子交換劑的基本概況

2、離子交換劑的構成

?離子交換劑是由固定的”骨架”本體成分和可交換的離子基團構成。

?3、分類：

①按“骨架”成分分：可分為無機和有機兩大類。

有機合成離子交換樹脂根據樹脂所含有的活性基團的不同，樹脂的分類如下 ：

(1)、陽離子交換樹脂
cation-exchange resin

¨陽離子交換樹脂：合成樹脂的本體上帶有酸性活性基團，可以被陽離子所交換的樹脂。

¨不能交換的離子稱固定離子，可交換的離子稱平衡離子。

^¨磺酸型離子交換樹脂所含有的活性基團磺酸基 (-SO₃H)中，含有一個可被交換的陽離子H⁺和一個不能交換的陰離子S0₃ ^-

¨能交換陽離子的活性基團，除磺酸基以外，還有次甲基磺酸基(一CH₂SO₃H)、磷酸基(一PO₃H₂). 羧基(一COOH)、酚基 (一0H)。酸性強弱由活性基團決定，根據活性基團酸性強弱的不同，順序如下：

?強酸性陽離子交換樹脂：磺酸基 (-SO₃H)

?弱酸性陽離子交換樹脂 ：羧基(-COOH)、酚基(一OH) 。

(2)、陰離子交換樹脂
anion exchange resin

離子交換技術的發展

¨陰離子交換樹脂：本體上帶有堿性活性基團，可以被陰離子所交換的樹脂。

¨其活性基團，都含有一個可以交換的陰離子和一個不能交換的陽離子。

?強堿性陰離子交換樹脂：季胺基（聚苯乙烯型季胺基強堿性陰離子交換樹脂）

?弱堿性陰離子交換樹脂 ：伯胺基 (-NH₂ )仲胺基 (-NH(CH₃))及叔胺基(-N(CH₃)₂的樹脂。

(3).特殊的離子交換樹脂 

?螯合樹脂：氨基二乙酸基的樹脂對Cu²⁺、Co²⁺、

Ni²⁺有很高的選擇性

?大孔徑離子交換吸附樹脂：合成過程中加入了

一定量的致孔劑，如汽油或苯等，待聚合完畢

后，再將這些惰性溶劑從聚合物中趕走，由此而

形成海綿狀的高強度大孔徑樹脂。

?樹脂在極性和非極性溶劑中溶脹程度的差異

較一般樹脂小，對氧化劑的穩定性好，對大離子的交換較快。因此，可以在非水溶液和混合介質中進行離子交換，可用于交換相對分子質量高的離子。

¨萃淋樹脂(Levextrel resin)它是將液體萃取劑加入到苯乙烯和二乙烯苯單體混合物中，用特殊的懸浮聚合法制成。

¨型號為了區別離子交換樹脂同一類型的不同品種，有三位阿拉伯數字表示，位：代表產品分類；第二位：代表骨架的差異；第三位：為順序號，用以區別基團。

(二)離子交換樹脂的基本性能

¨含水量和密度

¨粒度

¨交聯度

¨溶脹變化

¨交換容量

¨選擇性

1．含水量和密度

¨商品離子交換樹脂具有親水性，常含有一定的結合水分。結合水的含量與其官能基的性質及交聯度有關，并隨著空氣濕度變化而改變。

¨測定樹脂含水分的方法可用烘干法，或用Karl Fisher試劑滴定法。

¨樹脂的濕真密度，是指樹脂在水中充分膨脹后，樹脂顆粒本身的密度 (g/cm³)，一般在1.04～1.3g/cm³左右。 

2、粒度 

? 樹脂的粒度關系到離子交換速度、樹脂床中液流分布均勻性和液流壓強降，以及反洗時樹脂流失等 。通常樹脂床使用的樹脂，其顆粒粒徑約0.3～1.2mm。特殊用途的細磨樹脂，其半徑可小至0.04mm

?粒度的方法有兩種：

?以顆粒半徑表示

?以篩子 (目數)表示。標準篩又有兩種即：美國篩和英國標準篩（BSS) 。

3、交聯度 

?將樹脂的骨架用交聯法形成一個巨大且可與熱固性塑料相比擬的分子網。這種交聯的程度稱為交聯度。

?樹脂的交聯度是按合成時所用單體中含有交聯劑的質量分數來表示的。

?例如，聚苯乙烯樹脂的交聯度為8%DVB，它的意義是這種樹脂合成時單體中苯乙烯占92%，二乙烯苯占8%。

?離子交換樹脂的交聯度與其許多性質 (溶解度、交換容量、膨脹性、選擇性、含水量，穩定性等)都有關系。

交聯度大的樹脂特點

¨空隙率小，相對密度大，含水率高

¨交聯網孔直徑小，因而離子交換選擇性大，但交換速度變慢

¨導入活性基團較困難，故交換容量較小

¨樹脂機械強度較大

¨ 穩定性好

4、溶脹變化

¨干的離子交換樹脂浸入純水后，水即擴散入樹脂交聯網孔內。此時，樹脂交換基團在水中即發生解離，并形成水合離子，從而使樹脂交聯網孔增大，發生膨脹，稱為樹脂膨脹。

¨溶脹變化通常按干樹脂所吸取的水的百分率來表示，或稱溶脹率

樹脂溶脹影響因素

¨所接觸的介質 (空氣、水、溶劑)

¨樹脂本身的結構特征

¨電荷密度 (離子時的性質和濃度)

¨反離子的種類

5、交換容量

¨交換容量是說明樹脂的交換能力，通常按每克干樹脂所能交換的離子的毫摩爾來表示.

¨在工業上，常按單位體積樹脂所能交換的物質的量 (摩爾)表示。

交換容量的表示法 

¨全交換容量  它是指樹脂活性基團中所有可交換離子全部被交換的交換容量，其單位常用"mol/kg"或"mol/m³表示。

¨工作交換容量  它是指動態工作狀態下的交換容量，其影響因素主要是:進液的離子濃度、交換操作的控制指標、樹脂層的高度、交換速度、樹脂粒度以及活性基團的形式等。工作交換容量的單位常用mmol/cm³表示。

¨有效交換容量  它為工作交換容量減去因正洗損失的交換容量。單位常用mmol/cm³表示。

6、選擇性 

¨選擇性是指離子交換劑對不同離子的親和力。

¨在低濃度的水溶液中和室溫條件下，多價離子比單價離子優先交換。等價離子的選擇性隨著原子序數的增加而增加

¨在高濃度溶液中，多價離子的選擇性隨著濃度的提高而減小

三、離子交換的基本原理

¨1、作用實質上是一種溶液中的電解質和不溶性電解質的固、液兩相接觸時所進行的復分解反應。

¨離子交換反應是可逆的，逆反應稱之為再生。因此，離子交換劑經再生后可反復使用。

¨例如以泡沸石軟化水，泡沸石可以用Na₂R來表示，其中R表示極大的陰離子部分，而Na⁺則是可被置換的離子。

¨泡沸石中的Na⁺和水中的Ca²⁺起了交換反應，水中的Ca²⁺被離子交換劑吸附而水被軟化。

2、唐南理論 (Donnan Theory)

¨認為離子交換樹脂是一種具有彈性的凝膠，因吸收水分而溶脹。溶脹后的離子交換樹脂內部看作是一滴濃的電解質溶液，樹脂顆粒和外部溶液的界面看作是一種半透膜。

¨樹脂內部活性基團上電離出來的平衡離子和外部溶液中帶同種電荷的離子可以通過半透膜往來擴散進行交換，樹脂骨架上的固定離子是不能擴散的。

¨對于陽離子交換樹脂，它的平衡離子是陽離子，因而可以和外部溶液中的陽離子進行交換，它的固定離子是帶負電荷的陰離子。由于陽離子交換樹脂內部存在著眾多的帶負電荷的固定離子，它們所產生的排斥力使溶液中的陰離子不能進入樹脂顆粒內部進行交換。這種現象稱為唐南排斥。

¨這就是陽離子交換樹脂能交換陽離子，不能交換陰離子的原因。

3、離子交換動力學 

¨離子交換過程包括下面5個步驟:

?交換離子從溶液主體中擴散到樹脂顆粒與溶液的界面上

?交換離子在樹脂顆粒內部交換網孔中的擴散

?交換離子與樹脂基團上離子進行交換反應

?被交換下來的離子，在樹脂交聯網內向界面擴散

?被交換下來的離子從界面向溶液主體擴散    

?因此，交換過程包括：交換反應和一系列擴散過程。

5、離子交換速率 

¨外部擴散速率

¨內部擴散速率

¨離子交換過程

  的總傳質系數

6、影響離子交換速率的因素 

¨考慮流體力學條件的影響

¨樹脂直徑也影響交換的機理

¨樹脂粒度一定，增加溶液中交換離子的濃度，將會增加外部擴散速率，但對內部速率則幾乎無影響。

¨另外，樹脂的結構和化學性質以及交換離子的價數等也是影響離子交換速率的因素

四、離子交換的操作過程、裝置及其設計原理 

¨(一)離子交換的操作過程

¨大致可分為4個階段，即交換、反洗、再生、正洗。

交換柱內的再生

¨反洗的目的

?松動壓緊的樹脂床層，，使床層膨脹

?清除截留在樹脂層內的懸浮物和有機雜質

?沖洗細小的樹脂碎粉

¨再生的目的：使交換終了失效的樹脂上已吸附的離子除去，并代之以新的被交換離子，從而達到反復使用的目的。

¨(二)裝置分類：

¨可粗分為間歇式、固定床、連續式移動床及連續式流動床離子交換設備。

1、間歇式離子交換

¨是指把離子交換劑與被處理的溶液混合，加以適當攪拌，使之達到適當交換平衡，然后濾出溶液使之分離的一種操作方式。通常用于實驗室或小型工業生產。

¨簡單的裝置就是采用一個具有攪拌器的罐。

2、固定床離子交換 

¨是把離子交換劑放在交換柱內處于固定態，被處理的溶液在動態下流過交換柱。

¨固定床的優點：設備簡單，操作方便，適用于各種規模的生產；

¨固定床的缺點是離子交換劑的利用率低，再生費用大；濾速增高時，壓強降增大也快。

柱式固定床剖視圖 

¨結構特點：

¨①有一個合適的離子交換樹脂床支撐體；

¨②有一個分布器，使進料能均勻分布流過樹脂床；

¨③有反洗控制裝置，要使反洗壓力分布均勻。

3、連續式離子交換

¨原理：離子交換和再生的過程在單元裝置的不同部位同時進行。真正的連續過程應是從交換柱出來的已飽和樹脂被連續地轉移并與新鮮再生劑接觸，經過再生和清洗的樹脂在循環回到交換柱使用。

¨(三)設計主要解決下面幾個問題:

?選擇離子交換劑的類型和操作方式

?確定操作條件和計算離子交換劑的用量

?確定離子交換單元設備的尺寸

?考慮各種附屬裝置

吸附過程原理與設備

¨吸附是利用適當的吸附劑，在一定的操作條件下，使有用目標產物或有害成分被吸附劑吸附，富集在吸附劑表面，然后再以適當的洗脫機          將吸附的物質從吸附劑上解吸下來，從而達到濃縮和提純的作用。

層析原理與設備

¨特點：

              純化倍數高

              操作規模小，放大困難

              終產品純化

              適用于價格昂貴的產品

分類

¨按溶質分子與固定相相互作用機理：

               吸附層析

               分配層析

               凝膠過濾

分類

¨根據固定相形狀分類：

                柱層析

                紙層析

                薄層層析

¨根據流動相分類：

                氣相層析

                液相層析

                超臨界流體層析

基本概念

¨分配系數

¨解離常數

¨分離因素

¨阻滯因子

層析介質的要求

¨   不溶于流動相

¨   化學穩定

¨   機械強度

¨   大的表面積

¨   粒度均勻

親和層析

¨是利用生物體內存在的特異性相互作用的分子對而設計的層析方法

¨生物體內相互作用的分子對：

              酶----底物或抑制劑

              抗原----抗體

              激素----受體

              糖蛋白 ----凝集素

              生物素----生物素結合蛋白 

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