第十章_離子交換法

1、 第十章第十章 離子交換法離子交換法 基本要求：基本要求： 掌握離子交換原理及分類，了解生化用掌握離子交換原理及分類，了解生化用離子交換劑的特點(diǎn)和種類，離子交換樹脂離子交換劑的特點(diǎn)和種類，離子交換樹脂的理化性能和測(cè)定及其應(yīng)用。的理化性能和測(cè)定及其應(yīng)用。 重點(diǎn)：重點(diǎn)： 離子交換原理；離子交換樹脂分類；離子交換原理；離子交換樹脂分類；離子交換過程的理論基礎(chǔ)；離子交換樹脂離子交換過程的理論基礎(chǔ)；離子交換樹脂的工作過程；樹脂和操作條件的選擇；離的工作過程；樹脂和操作條件的選擇；離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用。子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用。能與其它物質(zhì)發(fā)生離子能與其它物質(zhì)發(fā)生離子交換的物質(zhì)。交換的物質(zhì)。 離

2、子交換劑分為離子交換劑分為和和兩大類：兩大類：有：粘土礦物、沸石、雜有：粘土礦物、沸石、雜多酸、水合氧化物和不溶性的磷酸鹽等。多酸、水合氧化物和不溶性的磷酸鹽等。又稱離子交換樹脂，是一又稱離子交換樹脂，是一種合成高分子材料。種合成高分子材料。 離子交換法的特點(diǎn)：離子交換法的特點(diǎn)：成本低，工藝操作方便，設(shè)備結(jié)成本低，工藝操作方便，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約大量有機(jī)溶劑等；構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約大量有機(jī)溶劑等；不一定有合適的樹脂；生產(chǎn)周期長(zhǎng)；不一定有合適的樹脂；生產(chǎn)周期長(zhǎng)；酸堿用量大，環(huán)境污染嚴(yán)重。酸堿用量大，環(huán)境污染嚴(yán)重。 第一節(jié)第一節(jié) 離子交換原理及分類離子交換原理及分類一、離子交換原理一、離子交換原理 1 1

3、、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)、離子交換樹脂的結(jié)構(gòu) 離子交換樹脂是不溶于酸、堿和有機(jī)溶離子交換樹脂是不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的固態(tài)高分子材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，具劑的固態(tài)高分子材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有一定的孔隙度。有一定的孔隙度。 樹脂分子分為兩部分：樹脂分子分為兩部分：不能移動(dòng)的，多價(jià)高分子基團(tuán)構(gòu)成不能移動(dòng)的，多價(jià)高分子基團(tuán)構(gòu)成樹脂骨架，使樹脂具有溶解度和化學(xué)穩(wěn)定樹脂骨架，使樹脂具有溶解度和化學(xué)穩(wěn)定性。性?？梢苿?dòng)的離子，為活性離子，進(jìn)出可移動(dòng)的離子，為活性離子，進(jìn)出樹脂骨架，發(fā)生離子交換。樹脂骨架，發(fā)生離子交換。 即即離子交換樹脂離子交換樹脂是一類帶有官能團(tuán)的是一類帶有官能團(tuán)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)

4、由三部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，其結(jié)構(gòu)由三部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架；連分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架；連接在骨架上的官能團(tuán)；官能團(tuán)所帶的相反接在骨架上的官能團(tuán)；官能團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。電荷的可交換離子。 根據(jù)樹脂所帶的可交換的離子性質(zhì)，根據(jù)樹脂所帶的可交換的離子性質(zhì)，可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂?？煞譃殛栯x子交換樹脂和陰離子交換樹脂。樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架 對(duì)于對(duì)于，樹脂的空間網(wǎng)格，樹脂的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)樹脂的性能影響非常大。結(jié)構(gòu)對(duì)樹脂的性能影響非常大。2、離子交換機(jī)理、離子交換機(jī)理 1）樹脂浸在水溶液中時(shí)，活性離）樹脂浸在水溶液中時(shí)，活性離子因熱運(yùn)動(dòng)，在樹脂周

5、圍的一定距離內(nèi)子因熱運(yùn)動(dòng)，在樹脂周圍的一定距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 2）樹脂內(nèi)部有許多空隙，由于內(nèi)）樹脂內(nèi)部有許多空隙，由于內(nèi)外部溶液濃度不等，存在滲透壓的作用，外部溶液濃度不等，存在滲透壓的作用，外部水進(jìn)入樹脂內(nèi)部，發(fā)生溶脹現(xiàn)象，外部水進(jìn)入樹脂內(nèi)部，發(fā)生溶脹現(xiàn)象，即樹脂體積增大，但滲透壓相等時(shí)，溶即樹脂體積增大，但滲透壓相等時(shí)，溶脹停止。脹停止。 3）骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生）骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生解離，擴(kuò)散到水溶液中；在溶液中的同類解離，擴(kuò)散到水溶液中；在溶液中的同類離子也從水溶液擴(kuò)散到骨架的網(wǎng)格或孔中。離子也從水溶液擴(kuò)散到骨架的網(wǎng)格或孔中。 4）這兩類離子的濃度差較大時(shí)，產(chǎn)生）這

6、兩類離子的濃度差較大時(shí)，產(chǎn)生交換推動(dòng)力，由于離子與骨架基團(tuán)結(jié)合能交換推動(dòng)力，由于離子與骨架基團(tuán)結(jié)合能力的差別，發(fā)生離子可逆交換反應(yīng)。濃度力的差別，發(fā)生離子可逆交換反應(yīng)。濃度差越大，交換速度越快。差越大，交換速度越快。 樹脂飽和：當(dāng)樹脂中的活性離子全部被樹脂飽和：當(dāng)樹脂中的活性離子全部被溶液中的同樣離子交換后，此時(shí)稱為樹脂溶液中的同樣離子交換后，此時(shí)稱為樹脂飽和。飽和。 樹脂再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換樹脂再生：離子交換反應(yīng)的可逆性交換的逆反應(yīng)即為再生，的逆反應(yīng)即為再生，3 3、樹脂的主要性能、樹脂的主要性能 離子交換樹脂中骨架上的官能團(tuán)的活性離子交換樹脂中骨架上的官能團(tuán)的活性離子的性質(zhì)決定離

7、子交換樹脂的主要性能，離子的性質(zhì)決定離子交換樹脂的主要性能，包括決定樹脂的酸堿性及酸堿性的強(qiáng)弱。包括決定樹脂的酸堿性及酸堿性的強(qiáng)弱。 故樹脂可按照活性離子分類：如活性離故樹脂可按照活性離子分類：如活性離子是陽離子，即這種樹脂能和陽離子發(fā)生交子是陽離子，即這種樹脂能和陽離子發(fā)生交換，就稱為陽離子交換樹脂；如陰離子，稱換，就稱為陽離子交換樹脂；如陰離子，稱為陰離子交換樹脂。為陰離子交換樹脂。 陽離子交換樹脂是一類骨架上結(jié)合磺陽離子交換樹脂是一類骨架上結(jié)合磺酸（酸（-SO3H）或羧酸（）或羧酸（-COOH）等酸性官）等酸性官能團(tuán)的聚合物。能團(tuán)的聚合物。 該樹脂在水溶液中，交換基部分發(fā)生電該樹脂在水溶

8、液中，交換基部分發(fā)生電離，電離的程度決定了樹脂的酸性強(qiáng)弱，離，電離的程度決定了樹脂的酸性強(qiáng)弱，故分為強(qiáng)酸性、弱酸性陽離子交換樹脂。故分為強(qiáng)酸性、弱酸性陽離子交換樹脂。 樹脂中的樹脂中的有：羧基、有：羧基、磺基、苯磷酸基、硒酸基、巰基、磷酸基、磺基、苯磷酸基、硒酸基、巰基、磷酸基、砷酸和亞砷酸、羧基和羥苯基。砷酸和亞砷酸、羧基和羥苯基。 陰離子交換樹脂是一類骨架上結(jié)合堿陰離子交換樹脂是一類骨架上結(jié)合堿性官能團(tuán)的聚合物。性官能團(tuán)的聚合物。 該樹脂在水溶液中，交換基部分也發(fā)生該樹脂在水溶液中，交換基部分也發(fā)生電離，依電離的程度不同，分為強(qiáng)堿性、電離，依電離的程度不同，分為強(qiáng)堿性、弱堿性陰離子交換樹脂

9、。弱堿性陰離子交換樹脂。 樹脂中的樹脂中的有：季有：季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基。胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基。 二、離子交換樹脂分類二、離子交換樹脂分類 按離子交換樹脂的酸堿性及酸堿性強(qiáng)弱，按離子交換樹脂的酸堿性及酸堿性強(qiáng)弱，樹脂分為四類：樹脂分為四類： 強(qiáng)酸性陽離子樹脂強(qiáng)酸性陽離子樹脂; 弱酸性陽離子樹脂；弱酸性陽離子樹脂； 強(qiáng)堿性陰離子樹脂；強(qiáng)堿性陰離子樹脂； 弱堿性陰離子樹脂。弱堿性陰離子樹脂。 通常以通常以R表示樹脂的骨架部分。表示樹脂的骨架部分。 1、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂 含有強(qiáng)酸性活性基團(tuán)，如含有強(qiáng)酸性活性基團(tuán)，如-SO3H（磺酸基）和磺酸基）和-CH2S

10、O3H（次甲基磺酸次甲基磺酸基），能在溶液中離解基），能在溶液中離解H+而呈強(qiáng)酸性。而呈強(qiáng)酸性。 R.SO3H R.SO3-+H+ 樹脂中的樹脂中的SO3-基團(tuán)能吸附溶液中的基團(tuán)能吸附溶液中的其它陽離子，使樹脂中的其它陽離子，使樹脂中的H+與溶液中的與溶液中的陽離子互相交換。陽離子互相交換。 R.SO3-+Na+ R.SO3Na 強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或強(qiáng)酸性樹脂的離解能力很強(qiáng)，在酸性或堿性溶液中都能離解和產(chǎn)生離子交換，故堿性溶液中都能離解和產(chǎn)生離子交換，故在使用時(shí)的在使用時(shí)的pH沒有限制。沒有限制。 樹脂飽和后，要進(jìn)行再生處理，用化樹脂飽和后，要進(jìn)行再生處理，用化學(xué)藥品使其官能團(tuán)復(fù)

11、原，以便再次使用。學(xué)藥品使其官能團(tuán)復(fù)原，以便再次使用。 強(qiáng)酸性陽離子樹脂用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處強(qiáng)酸性陽離子樹脂用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹脂釋放出被吸附的陽離子，再理，此時(shí)樹脂釋放出被吸附的陽離子，再與與H+結(jié)合而復(fù)原。結(jié)合而復(fù)原。 2、弱酸性陽離子交換樹脂、弱酸性陽離子交換樹脂 含有弱酸性活性基團(tuán)，如羧基含有弱酸性活性基團(tuán)，如羧基-COOH 和酚羥和酚羥基基-OH，能在水溶液中離解，能在水溶液中離解H+而呈弱酸性。而呈弱酸性。 R.COOH R.COO-+H+ 樹脂中的樹脂中的R.COO-基團(tuán)能吸附溶液中的其它陽基團(tuán)能吸附溶液中的其它陽離子，而產(chǎn)生離子交換。離子，而產(chǎn)生離子交換。 由于離解性較弱，在

12、低由于離解性較弱，在低pH下，難以離解和交下，難以離解和交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中進(jìn)行離子換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中進(jìn)行離子交換。（交換。（R-COOH：pH6；R-OH：pH 9） 用酸進(jìn)行再生。用酸進(jìn)行再生。 3、強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂、強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂 含有強(qiáng)堿性含有強(qiáng)堿性活性基團(tuán)，如季銨基活性基團(tuán)，如季銨基-NR3OH，能，能在水溶液中離解出在水溶液中離解出-OH-而呈堿性。而呈堿性。 R.NR3OH R.NR3+OH- 樹脂中的離解基團(tuán)能吸附溶液中的其它陰離子，樹脂中的離解基團(tuán)能吸附溶液中的其它陰離子，而發(fā)生離子交換。而發(fā)生離子交換。 這類樹脂的離解能力很強(qiáng)，使用

13、時(shí)的這類樹脂的離解能力很強(qiáng)，使用時(shí)的pH沒有沒有限制。限制。 再生一般用強(qiáng)堿（如再生一般用強(qiáng)堿（如NaOH） 4、弱堿性陰離子交換樹脂、弱堿性陰離子交換樹脂 含有弱堿性活性基團(tuán)，如伯胺基（含有弱堿性活性基團(tuán)，如伯胺基（-NH2）或仲胺基（）或仲胺基（-NHR），堿性較弱；能），堿性較弱；能在水溶液中離解出在水溶液中離解出-OH-而呈弱堿性。而呈弱堿性。 R.NH2+H2O R.NH3+OH- 由于離解性較弱，在低由于離解性較弱，在低pH（19）下，）下，進(jìn)行離子交換。進(jìn)行離子交換。 可用可用Na2CO3、NH4OH等進(jìn)行再生。等進(jìn)行再生。 在實(shí)際使用過程中，樹脂常轉(zhuǎn)變成其它在實(shí)際使用過程中，樹

14、脂常轉(zhuǎn)變成其它離子型，避免離子型，避免pHpH的大幅度變化。這樣樹脂的大幅度變化。這樣樹脂不再具有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性，其它性質(zhì)相同。不再具有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性，其它性質(zhì)相同。 強(qiáng)酸性陽離子樹脂與強(qiáng)酸性陽離子樹脂與NaClNaCl作用轉(zhuǎn)為作用轉(zhuǎn)為鈉型鈉型樹脂；樹脂；強(qiáng)堿性陽離子樹脂與強(qiáng)堿性陽離子樹脂與NaClNaCl作用轉(zhuǎn)為作用轉(zhuǎn)為氯型樹脂；氯型樹脂；進(jìn)行再生只用食鹽水，而不用進(jìn)行再生只用食鹽水，而不用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。 弱酸性、弱堿性同樣，再生成氫型或羥弱酸性、弱堿性同樣，再生成氫型或羥型需用酸、堿，但消耗酸堿量少。型需用酸、堿，但消耗酸堿量少。 各種樹脂的強(qiáng)弱可用其官能團(tuán)的各種樹脂的強(qiáng)弱可用其官能

15、團(tuán)的量化表征。量化表征。 對(duì)于酸性樹脂，對(duì)于酸性樹脂，pK值低，酸性強(qiáng)。值低，酸性強(qiáng)。 對(duì)于堿性樹脂，對(duì)于堿性樹脂， pK值高，堿性強(qiáng)。值高，堿性強(qiáng)。 根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹脂分成根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹脂分成和和。三、其它類型的樹脂三、其它類型的樹脂 兩性離子交換樹脂兩性離子交換樹脂 選擇性離子交換樹脂選擇性離子交換樹脂 吸附樹脂吸附樹脂 電子交換樹脂電子交換樹脂 5、薄殼形樹脂薄殼形樹脂 四、樹脂的命名四、樹脂的命名 的命名：的命名： 分類名稱分類名稱+骨架（或基團(tuán)）名稱骨架（或基團(tuán)）名稱+基本基本名稱（離子交換樹脂）名稱（離子交換樹脂） 由于由于的命名：的命名： 基本名稱基本名

16、稱+骨架名稱骨架名稱+分類名稱分類名稱+樹脂樹脂 第二節(jié)第二節(jié) 離子交換樹脂的理化性能和測(cè)定離子交換樹脂的理化性能和測(cè)定 1、離子交換樹脂的理化性能離子交換樹脂的理化性能 （對(duì)離子交換樹脂的要求）（對(duì)離子交換樹脂的要求） （1）外觀）外觀 樹脂樹脂為半透明的物質(zhì)，為半透明的物質(zhì)，一般顏色與性能關(guān)系一般顏色與性能關(guān)系不大，交換過程會(huì)有變化，不大，交換過程會(huì)有變化，淺色為宜淺色為宜。 球形，可減少流體阻力。球形，可減少流體阻力。 粒度大小為粒度大小為2060目，顆粒大小會(huì)影響交換目，顆粒大小會(huì)影響交換能力：過小，增加流體阻力；過大，交換速度能力：過小，增加流體阻力；過大，交換速度降低。降低。交聯(lián)度

17、交聯(lián)度 大多數(shù)的樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯大多數(shù)的樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成，聚合而成，交聯(lián)度交聯(lián)度指二乙烯苯在樹脂母體指二乙烯苯在樹脂母體總重中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？傊刂兴嫉馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)。 樹脂具有一定的交聯(lián)度，可使其不溶樹脂具有一定的交聯(lián)度，可使其不溶于一般的酸、堿及有機(jī)溶劑。于一般的酸、堿及有機(jī)溶劑。 交聯(lián)度的變化，使樹脂對(duì)各種不同大小交聯(lián)度的變化，使樹脂對(duì)各種不同大小的離子具有選擇通過的能力。的離子具有選擇通過的能力。 交聯(lián)度的大小直接影響樹脂的性能。交交聯(lián)度的大小直接影響樹脂的性能。交聯(lián)度越高，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹脂的機(jī)聯(lián)度越高，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹脂的機(jī)械強(qiáng)度就越大，對(duì)離子的選擇性越

18、強(qiáng)，但械強(qiáng)度就越大，對(duì)離子的選擇性越強(qiáng)，但離子的交換速度就越慢。離子的交換速度就越慢。 這是因?yàn)榻宦?lián)度高，表明樹脂的結(jié)構(gòu)緊這是因?yàn)榻宦?lián)度高，表明樹脂的結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率低，同時(shí)樹脂在水中溶脹率也密，孔隙率低，同時(shí)樹脂在水中溶脹率也低，因而水中的離子在樹脂內(nèi)擴(kuò)散速度小，低，因而水中的離子在樹脂內(nèi)擴(kuò)散速度小，影響了離子間的交換能力。影響了離子間的交換能力。 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 樹脂應(yīng)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易分解樹脂應(yīng)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易分解破壞。破壞。 陰離子樹脂對(duì)堿敏感，處理時(shí)，堿液濃陰離子樹脂對(duì)堿敏感，處理時(shí)，堿液濃度不易超過度不易超過1mol/L；羥型陰離子樹脂即使；羥型陰離子樹脂即使在

19、水中也不穩(wěn)定，故常用氯型保存。在水中也不穩(wěn)定，故常用氯型保存。機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度 反映樹脂保持顆粒完整性的能力。反映樹脂保持顆粒完整性的能力。 樹脂在使用中由于受到?jīng)_擊、碰撞、樹脂在使用中由于受到?jīng)_擊、碰撞、摩擦以及脹縮作用，會(huì)發(fā)生破碎。因此，摩擦以及脹縮作用，會(huì)發(fā)生破碎。因此，樹脂應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證每年樹脂應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證每年樹脂的損耗量不超過樹脂的損耗量不超過3%7。 樹脂的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于交聯(lián)度和樹脂的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于交聯(lián)度和溶脹率。交聯(lián)度愈大，溶脹率愈小，則機(jī)溶脹率。交聯(lián)度愈大，溶脹率愈小，則機(jī)械強(qiáng)度越高。械強(qiáng)度越高。交換量交換量 交換量是樹脂具有交換離子的能力

20、，是指單交換量是樹脂具有交換離子的能力，是指單位質(zhì)量或體積（位質(zhì)量或體積（g或或mL）的離子交換樹脂所能夠）的離子交換樹脂所能夠交換出離子的物質(zhì)的量（交換出離子的物質(zhì)的量（mol）。）。 在樹脂結(jié)構(gòu)中，交換功能基越多，可交換的在樹脂結(jié)構(gòu)中，交換功能基越多，可交換的離子就越多，交換容量就越大。為使有較大的交離子就越多，交換容量就越大。為使有較大的交換量，制造時(shí)，應(yīng)使單位質(zhì)量樹脂所含的官能團(tuán)換量，制造時(shí)，應(yīng)使單位質(zhì)量樹脂所含的官能團(tuán)盡可能多，交換量大。盡可能多，交換量大。 樹脂不僅交換容量大，選擇性好，而且解吸樹脂不僅交換容量大，選擇性好，而且解吸要容易，即有良好的可逆性。要容易，即有良好的可逆性

21、。 2、樹脂性能的測(cè)定方法（、樹脂性能的測(cè)定方法（p230） 含水量：含水量： 膨脹度膨脹度 （密度密度交換容量交換容量滴定曲線滴定曲線 （方法見（方法見p231） 強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性樹脂的滴定曲線樹脂的滴定曲線中有一段水平部中有一段水平部分后，突然升高分后，突然升高或降低，說明樹或降低，說明樹脂上的官能團(tuán)已脂上的官能團(tuán)已飽和。飽和。 而弱酸性、弱而弱酸性、弱堿性樹脂，則無堿性樹脂，則無水平部分，曲線水平部分，曲線是逐漸變化。是逐漸變化。 離子強(qiáng)度對(duì)滴定曲線的影響離子強(qiáng)度對(duì)滴定曲線的影響 樹脂的滴定曲線與離子強(qiáng)度、種類、樹脂的滴定曲線與離子強(qiáng)度、種類、樹脂官能團(tuán)的強(qiáng)度有關(guān)。樹脂官能團(tuán)的強(qiáng)

22、度有關(guān)。 由滴定曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以估計(jì)其總由滴定曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以估計(jì)其總交換量；由轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)目，可推知官能團(tuán)交換量；由轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)目，可推知官能團(tuán)的數(shù)目。的數(shù)目。 滴定曲線還表示交換容量隨滴定曲線還表示交換容量隨pH的變化，的變化，故滴定曲線較全面地表征樹脂官能團(tuán)的性故滴定曲線較全面地表征樹脂官能團(tuán)的性質(zhì)。質(zhì)。 第三節(jié)第三節(jié) 離子交換過程的理論基礎(chǔ)離子交換過程的理論基礎(chǔ) 離子交換平衡離子交換平衡 離子交換選擇性離子交換選擇性 離子交換過程和速度離子交換過程和速度一、離子交換平衡一、離子交換平衡 離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，不是在均相離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，不是在均相溶液中進(jìn)行的，而是在固態(tài)的樹脂和

23、水溶溶液中進(jìn)行的，而是在固態(tài)的樹脂和水溶液接觸的界面間進(jìn)行的。液接觸的界面間進(jìn)行的。 設(shè)有一粒樹脂放在溶液中，發(fā)生下列交設(shè)有一粒樹脂放在溶液中，發(fā)生下列交換反應(yīng)：換反應(yīng)： B+R-A R-BA+ 在水溶液中，由于樹脂上的官能團(tuán)在水溶液中，由于樹脂上的官能團(tuán)A+與與溶液中的同類型離子溶液中的同類型離子B+之間的濃度差推動(dòng)之間的濃度差推動(dòng)而進(jìn)行離子交換，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度而進(jìn)行離子交換，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，就達(dá)到離子交換平衡狀態(tài)，使樹脂上時(shí)，就達(dá)到離子交換平衡狀態(tài)，使樹脂上和水溶液中都同時(shí)含有和水溶液中都同時(shí)含有A+和和B+兩種離子。兩種離子。 離子交換過程是按化學(xué)摩爾質(zhì)量關(guān)系離子交換過程是

24、按化學(xué)摩爾質(zhì)量關(guān)系進(jìn)行的，且交換過程是可逆的，最后達(dá)到進(jìn)行的，且交換過程是可逆的，最后達(dá)到平衡，平衡狀態(tài)和過程的方向無關(guān)。平衡，平衡狀態(tài)和過程的方向無關(guān)。 因此，離子交換過程可以看作可逆多因此，離子交換過程可以看作可逆多相化學(xué)反應(yīng)。但和一般的多相化學(xué)反應(yīng)不相化學(xué)反應(yīng)。但和一般的多相化學(xué)反應(yīng)不同，當(dāng)發(fā)生交換時(shí)，樹脂體積常發(fā)生改變，同，當(dāng)發(fā)生交換時(shí)，樹脂體積常發(fā)生改變，因而引起溶劑分子的轉(zhuǎn)移。因而引起溶劑分子的轉(zhuǎn)移。ssBABARABRKR-AR-A、R-BR-B表示結(jié)合在樹脂上的表示結(jié)合在樹脂上的A A離子和離子和B B離子濃度離子濃度AAS S、BBS S表示溶液中表示溶液中A A離子和離子和

25、B B離子離子ssBAABARBRK/BAK越大，越大，B B越易被交換。越易被交換。二、離子交換選擇性二、離子交換選擇性 實(shí)際應(yīng)用中，溶液中同時(shí)存在多種離子。實(shí)際應(yīng)用中，溶液中同時(shí)存在多種離子。樹脂對(duì)各種離子的吸附選擇性更為重要。樹脂對(duì)各種離子的吸附選擇性更為重要。 樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能樹脂對(duì)水中某種離子能優(yōu)先交換的性能稱為稱為選擇性選擇性，它是決定離子交換法處理效，它是決定離子交換法處理效率的一個(gè)重要因素，本質(zhì)上取決于交換離率的一個(gè)重要因素，本質(zhì)上取決于交換離子與活性基團(tuán)中固定離子的親合力。子與活性基團(tuán)中固定離子的親合力。 樹脂和離子間的親和力越大，越易吸附，樹脂和離子間的親

26、和力越大，越易吸附，樹脂的選擇性大小用交換系數(shù)樹脂的選擇性大小用交換系數(shù)K的數(shù)值表征。的數(shù)值表征。以以A型樹脂交換溶液中的型樹脂交換溶液中的B離子的反應(yīng)為例：離子的反應(yīng)為例： 為此交換反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，為此交換反應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，A交換交換B的交換系數(shù)為的交換系數(shù)為 AZRBZBZRAZBBAB ABABBAZZZZZZBARBBRAABRAARBK/ 式中（式中（i）表示）表示i離子的活度，離子的活度，ZA、ZB分別為分別為A、B離子的價(jià)數(shù)。離子的價(jià)數(shù)。 若若 =1，則樹脂對(duì)任一離子均無選，則樹脂對(duì)任一離子均無選擇性；若擇性；若 1，樹脂對(duì)，樹脂對(duì)B離子有選擇性，離子有選擇性，數(shù)值越大，選

27、擇性越強(qiáng)；反之，若數(shù)值越大，選擇性越強(qiáng)；反之，若 1，樹脂對(duì)對(duì)，樹脂對(duì)對(duì)A離子的選擇性大。離子的選擇性大。 故樹脂對(duì)不同離子親和能力的差別，故樹脂對(duì)不同離子親和能力的差別，表現(xiàn)在其選擇系數(shù)的大小。表現(xiàn)在其選擇系數(shù)的大小。 BAKBAKBAK 影響離子交換選擇性的因素：影響離子交換選擇性的因素： 選擇系數(shù)與化學(xué)平衡常數(shù)不同，除了與選擇系數(shù)與化學(xué)平衡常數(shù)不同，除了與溫度有關(guān)以外，還與離子性質(zhì)、溶液組成溫度有關(guān)以外，還與離子性質(zhì)、溶液組成及樹脂的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在常溫和稀溶及樹脂的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在常溫和稀溶液中，大致具有如下規(guī)律。液中，大致具有如下規(guī)律。 1、離子價(jià)數(shù)、離子價(jià)數(shù) 高價(jià)離子易于被吸附

28、；低價(jià)離子被吸附高價(jià)離子易于被吸附；低價(jià)離子被吸附時(shí)則較弱。時(shí)則較弱。 陽離子被吸附的順序：陽離子被吸附的順序： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+Na+ 陰離子順序：陰離子順序： 檸檬酸根檸檬酸根硫酸根硫酸根硝酸根硝酸根 2、溶液濃度的影響、溶液濃度的影響 稀溶液有利于樹脂對(duì)離子交換吸附的選稀溶液有利于樹脂對(duì)離子交換吸附的選擇性，可稀釋溶液。擇性，可稀釋溶液。3、離子的水化半徑、離子的水化半徑 樹脂在水溶液中發(fā)生水化，原子序數(shù)愈樹脂在水溶液中發(fā)生水化，原子序數(shù)愈大，離子水化半徑越小，親和力越大，優(yōu)大，離子水化半徑越小，親和力越大，優(yōu)先被吸附。先被吸附。 各種離子對(duì)樹脂的親和力大小為：各種離子對(duì)

29、樹脂的親和力大小為： 陽離子：陽離子：Th4+La3+Ni 3+Co3+Fe3+Al3+Ra2+Hg2+Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Ni2+Cd2+Cu2+Co2+Zn2+Mg2+Ti+Ag+Cs+Rb+K+NH4+Na+Li+ 陰離子：陰離子： C6H5O73-Cr2O72-SO42-C2O42-C4H4O52-AsO43-PO43-MoO42-ClO4-I-NO3-CrO42-Br-SCN-CN-HSO4-NO2-Cl-HCOO-CH3COO-F-HCO3- HSiO3- 4、溶液、溶液pH 影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量。但不影響

30、交換容量。 H+和和OH-的選擇性決定于樹脂活性基團(tuán)的選擇性決定于樹脂活性基團(tuán)的酸堿性強(qiáng)弱。對(duì)強(qiáng)酸性陽樹脂，的酸堿性強(qiáng)弱。對(duì)強(qiáng)酸性陽樹脂，H+的選的選擇性介于擇性介于Na+和和Li+之間。但對(duì)弱酸性陽樹之間。但對(duì)弱酸性陽樹脂，脂，H+的選擇性最強(qiáng)。同樣，對(duì)強(qiáng)堿性陰的選擇性最強(qiáng)。同樣，對(duì)強(qiáng)堿性陰樹脂，樹脂，OH-的選擇性介于的選擇性介于CH3COO-與與F-之間，之間，但對(duì)弱堿性陰樹脂，但對(duì)弱堿性陰樹脂，OH-的選擇性最強(qiáng)。的選擇性最強(qiáng)。 5、樹脂物理結(jié)構(gòu)的影響、樹脂物理結(jié)構(gòu)的影響 交聯(lián)度高的樹脂對(duì)離子的選擇性強(qiáng)；交聯(lián)度高的樹脂對(duì)離子的選擇性強(qiáng)；大孔型樹脂的選擇性低于凝膠型樹脂。大孔型樹脂的選擇

31、性低于凝膠型樹脂。 交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少。脹度大，吸附量減少。 分子篩方法：利用無機(jī)小離子和大分子分子篩方法：利用無機(jī)小離子和大分子對(duì)樹脂空間的要求，控制樹脂的交聯(lián)度，對(duì)樹脂空間的要求，控制樹脂的交聯(lián)度，將大分子和無機(jī)離子分開的方法。將大分子和無機(jī)離子分開的方法。 6、有機(jī)溶劑的影響、有機(jī)溶劑的影響 有機(jī)溶劑的存在不利于吸附有機(jī)離子，有機(jī)溶劑的存在不利于吸附有機(jī)離子，而容易吸附無機(jī)離子。而容易吸附無機(jī)離子。 7、樹脂與交換離子間的輔助力、樹脂與交換離子間的輔

32、助力 樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力。外，還有氫鍵和范德華力等輔助力。 與樹脂形成輔助力的離子，樹脂對(duì)其與樹脂形成輔助力的離子，樹脂對(duì)其的吸附力就越大；能破壞輔助力的溶液的吸附力就越大；能破壞輔助力的溶液就能容易將離子從樹脂上洗脫下來。就能容易將離子從樹脂上洗脫下來。 三、離子交換過程和速度三、離子交換過程和速度 離子交換是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，樹脂的表面離子交換是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，樹脂的表面存在一層薄膜，離子只能借助分子擴(kuò)散而存在一層薄膜，離子只能借助分子擴(kuò)散而通過這層薄膜。通過這層薄膜。 離子交換速度是表示在單位時(shí)間內(nèi)，溶離子交換速度是表

33、示在單位時(shí)間內(nèi)，溶液中液中A+濃度減少或濃度減少或B+濃度增加的量。濃度增加的量。1）A+自溶液中通過液膜擴(kuò)自溶液中通過液膜擴(kuò)散到樹脂表面；散到樹脂表面；2）A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心（交換位內(nèi)部的活性中心（交換位置）；置）；3）A+與與RB在活性中心上發(fā)在活性中心上發(fā)生離子交換反應(yīng)；生離子交換反應(yīng)；4）解吸附離子）解吸附離子B+自樹脂內(nèi)自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面；部擴(kuò)散至樹脂表面；5）B+離子從樹脂表面的液離子從樹脂表面的液膜擴(kuò)散到水溶液中膜擴(kuò)散到水溶液中 其中：（其中：（1）、（）、（5）是外擴(kuò)散或膜擴(kuò)散；）是外擴(kuò)散或膜擴(kuò)散； （2）、（）、（4）為內(nèi)擴(kuò)散或粒擴(kuò)散

34、；）為內(nèi)擴(kuò)散或粒擴(kuò)散； （3）為交換反應(yīng)。）為交換反應(yīng)。 反應(yīng)速度很快，而擴(kuò)散速度很慢，故交反應(yīng)速度很快，而擴(kuò)散速度很慢，故交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度。換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度。 不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制。散控制。影響交換速度的因素影響交換速度的因素 1 1）樹脂顆粒：）樹脂顆粒： 離子的外擴(kuò)散速度與樹脂顆粒大小成離子的外擴(kuò)散速度與樹脂顆粒大小成反比，反比，內(nèi)孔擴(kuò)散速度與粒徑的高次方成反內(nèi)孔擴(kuò)散速度與粒徑的高次方成反比。比。故故樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮樹脂顆粒越小，由于內(nèi)擴(kuò)散距離縮短和液膜擴(kuò)散的表面積增大，使擴(kuò)散速度短和液膜擴(kuò)散的

35、表面積增大，使擴(kuò)散速度越快，交換速度越快。越快，交換速度越快。 。 但顆粒不宜太小，否則會(huì)增加水流阻但顆粒不宜太小，否則會(huì)增加水流阻力，且在反洗時(shí)易流失。力，且在反洗時(shí)易流失。 2）樹脂的交聯(lián)度：）樹脂的交聯(lián)度： 交聯(lián)度小，樹脂易膨脹，內(nèi)擴(kuò)散較容交聯(lián)度小，樹脂易膨脹，內(nèi)擴(kuò)散較容易，交換速度快。易，交換速度快。 樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，孔隙樹脂的交聯(lián)度越大，網(wǎng)孔越小，孔隙度越小，則內(nèi)擴(kuò)散越慢。大孔樹脂的內(nèi)孔度越小，則內(nèi)擴(kuò)散越慢。大孔樹脂的內(nèi)孔擴(kuò)散速度比凝膠樹脂快得多。擴(kuò)散速度比凝膠樹脂快得多。 3）溶液流速：）溶液流速： 外擴(kuò)散隨溶液流速增加而增加，內(nèi)擴(kuò)散外擴(kuò)散隨溶液流速增加而增加，內(nèi)擴(kuò)散基

36、本不受影響?；静皇苡绊?。4）溶液濃度：）溶液濃度： 溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因溶液離子濃度是影響擴(kuò)散速度的重要因素，當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，濃度越素，當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，濃度越大，交換速度越快。大，交換速度越快。 5）溫度：）溫度： 提高水溫能使離子的動(dòng)能增加，水的粘提高水溫能使離子的動(dòng)能增加，水的粘度減小，液膜變薄，離子擴(kuò)散速度加快，度減小，液膜變薄，離子擴(kuò)散速度加快，交換速度也增加。交換速度也增加。 6）離子的大?。海╇x子的大?。?小離子的交換速度快，離子越小越快。小離子的交換速度快，離子越小越快。 7）離子的化合價(jià)：）離子的化合價(jià)： 化合價(jià)越高，與樹脂骨架的庫侖引力越化

37、合價(jià)越高，與樹脂骨架的庫侖引力越大，擴(kuò)散速度越慢。大，擴(kuò)散速度越慢。 被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑被交換離子的電荷數(shù)和水合離子的半徑越大，內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。陽離子每增加越大，內(nèi)孔擴(kuò)散速度越慢。陽離子每增加一個(gè)電荷，其擴(kuò)散速度就減慢到約為原來一個(gè)電荷，其擴(kuò)散速度就減慢到約為原來的的1/10。 第四節(jié)第四節(jié) 離子交換的應(yīng)用離子交換的應(yīng)用離子交換裝置離子交換裝置離子交換樹脂的工作過程離子交換樹脂的工作過程樹脂和操作條件的選擇樹脂和操作條件的選擇軟水和無鹽水的制備軟水和無鹽水的制備離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用 一、離子交換裝置一、離子交換裝置 離子交換法按操作方式分為

38、：間歇式分離子交換法按操作方式分為：間歇式分批操作、柱式操作兩種。批操作、柱式操作兩種。 間歇操作又稱靜態(tài)操作，離子交換劑在間歇操作又稱靜態(tài)操作，離子交換劑在溶液中達(dá)到平衡后，濾出介質(zhì)，再對(duì)樹脂溶液中達(dá)到平衡后，濾出介質(zhì)，再對(duì)樹脂進(jìn)行洗脫。進(jìn)行洗脫。 柱式操作又稱動(dòng)態(tài)法，離子交換、洗脫、柱式操作又稱動(dòng)態(tài)法，離子交換、洗脫、再生等步驟均在柱內(nèi)進(jìn)行。再生等步驟均在柱內(nèi)進(jìn)行。 工業(yè)生產(chǎn)一般用柱式操作。工業(yè)生產(chǎn)一般用柱式操作。 靜態(tài)：操作簡(jiǎn)單、但是分批操作，交換靜態(tài)：操作簡(jiǎn)單、但是分批操作，交換不完全；不完全； 動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離。全

39、，適宜多組份分離。 離子交換的主要裝置是離子交換柱，柱離子交換的主要裝置是離子交換柱，柱式固定床。式固定床。 離子交換柱分單床（只裝一只樹脂）、離子交換柱分單床（只裝一只樹脂）、復(fù)床（兩種以上樹脂分層裝在同一柱內(nèi)）復(fù)床（兩種以上樹脂分層裝在同一柱內(nèi)）和移動(dòng)床（樹脂的使用、再生和清洗在不和移動(dòng)床（樹脂的使用、再生和清洗在不同的柱內(nèi)）等。同的柱內(nèi)）等。 離子交換柱有開放離子交換柱有開放式和密閉式兩種。式和密閉式兩種。 柱內(nèi)裝有液體分柱內(nèi)裝有液體分布器、濾板。布器、濾板。 工業(yè)用柱的材料工業(yè)用柱的材料一般為鋼板，內(nèi)壁一般為鋼板，內(nèi)壁涂襯耐酸、堿的防涂襯耐酸、堿的防腐蝕物。腐蝕物。 發(fā)酵工業(yè)用的交發(fā)酵

40、工業(yè)用的交換柱的樹脂層高度換柱的樹脂層高度一般為一般為11.5m，柱，柱體總高度約為樹脂體總高度約為樹脂層的層的2倍。倍。 二、離子交換樹脂的工作過程二、離子交換樹脂的工作過程 樹脂預(yù)處理樹脂預(yù)處理上柱交換上柱交換洗脫洗脫樹脂再生樹脂再生 1、樹脂預(yù)處理、樹脂預(yù)處理 物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；粒度均勻的樹脂顆粒； 化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型） 陽離子樹脂陽離子樹脂 酸酸堿堿酸酸 陰離子樹脂陰離子樹脂 堿堿酸酸堿堿 最后用去離子水或緩沖液平衡。最后用去離子水或緩沖液平衡。2、上柱交換、上柱交換 上柱方式可采

41、用順流上柱和逆流上柱。上柱方式可采用順流上柱和逆流上柱。 順流上柱：正上柱，即原液自上向下流過順流上柱：正上柱，即原液自上向下流過樹脂層。樹脂層。 逆流上柱：倒上柱，即原液自下向上流過逆流上柱：倒上柱，即原液自下向上流過樹脂層。樹脂層。 通常為順流上柱。通常為順流上柱。 當(dāng)含當(dāng)含B離子的溶液流過樹脂時(shí)，被交離子的溶液流過樹脂時(shí)，被交換離子換離子B在離子交換柱中的分布情況如在離子交換柱中的分布情況如下：下： （1）樹脂上的活性離子）樹脂上的活性離子A逐漸被取代，逐漸被取代，在柱的上端形成飽和層（已交換層）；在柱的上端形成飽和層（已交換層）；上層中上層中A A離子濃度為離子濃度為0 0，B B為飽

42、和濃度為飽和濃度c cs s。飽和層飽和層不再發(fā)生交換反應(yīng)。不再發(fā)生交換反應(yīng)。 （2 2）下面的二層為交換帶，）下面的二層為交換帶，B B離子濃度離子濃度逐漸為逐漸為0 0，而，而A A濃度逐漸上升為濃度逐漸上升為CsCs。該區(qū)域。該區(qū)域稱為交換帶。稱為交換帶。 A A濃度為濃度為CsCs的區(qū)域未發(fā)生交換反應(yīng)，稱的區(qū)域未發(fā)生交換反應(yīng)，稱為非交換帶。為非交換帶。 （3 3）隨著含離子溶液不斷流入，交換帶）隨著含離子溶液不斷流入，交換帶逐漸下移，最后達(dá)到底部，使逐漸下移，最后達(dá)到底部，使B B離子漏出，離子漏出，此點(diǎn)稱為此點(diǎn)稱為漏出點(diǎn)。漏出點(diǎn)。 交換至漏出點(diǎn)時(shí)，應(yīng)停止交換，進(jìn)行交換至漏出點(diǎn)時(shí)，應(yīng)停

43、止交換，進(jìn)行洗脫或再生。洗脫或再生。 交換帶的寬度一般為交換帶的寬度一般為0.21m。 實(shí)際應(yīng)用中要求交換帶寬度越窄越好，實(shí)際應(yīng)用中要求交換帶寬度越窄越好，以便樹脂的有效交換容量大，柱的利用率以便樹脂的有效交換容量大，柱的利用率高。高。 影響交換帶寬度的因素：影響交換帶寬度的因素：B離子濃度高、離子濃度高、操作溫度低、料液流速高、樹脂老化等都操作溫度低、料液流速高、樹脂老化等都會(huì)使交換帶加寬；反之，變窄。會(huì)使交換帶加寬；反之，變窄。 3、洗脫、洗脫 離子交換完成后，用親和力更強(qiáng)的同離子交換完成后，用親和力更強(qiáng)的同性離子將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液性離子將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法。的方法

44、。 洗脫方法：洗脫方法： （1 1）改變?nèi)芤海└淖內(nèi)芤簆HpH值；值； （2 2）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度4、樹脂的再生、樹脂的再生 是指是離子交換樹脂重新獲得交換能是指是離子交換樹脂重新獲得交換能力的過程。力的過程。 酸性陽離子樹脂：酸酸性陽離子樹脂：酸- -堿堿- -酸酸- -緩沖溶緩沖溶液淋洗液淋洗 堿性陰離子樹脂：堿堿性陰離子樹脂：堿- -酸酸- -堿堿- -緩沖溶緩沖溶液淋洗液淋洗 方式有：順流再生和逆流再生方式有：順流再生和逆流再生 三、樹脂和操作條件的選擇三、樹脂和操作條件的選擇 離子型產(chǎn)品離子型產(chǎn)品/雜質(zhì)，可用離子交換法分離。雜質(zhì)，可用離子交換法分離。1、樹脂的選擇、

45、樹脂的選擇 1）強(qiáng)堿性離子用弱酸性樹脂；）強(qiáng)堿性離子用弱酸性樹脂； 2）弱堿性離子用強(qiáng)酸性樹脂；）弱堿性離子用強(qiáng)酸性樹脂； 3）弱酸性離子用強(qiáng)堿性樹脂；）弱酸性離子用強(qiáng)堿性樹脂； 4）強(qiáng)酸性離子用弱堿性樹脂；）強(qiáng)酸性離子用弱堿性樹脂； 5）大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的樹脂；）大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的樹脂； 6）小分子離子，樹脂應(yīng)有一定的交聯(lián)度。）小分子離子，樹脂應(yīng)有一定的交聯(lián)度。 2、操作條件的選擇、操作條件的選擇 1）交換時(shí)的）交換時(shí)的pH pH值應(yīng)在產(chǎn)物的穩(wěn)定范圍內(nèi)；使產(chǎn)物離子化；值應(yīng)在產(chǎn)物的穩(wěn)定范圍內(nèi)；使產(chǎn)物離子化；使樹脂能解離。使樹脂能解離。 2）樹脂的型式）樹脂的型式 酸性樹脂（

46、用氫型或鈉型）；堿性樹脂（用酸性樹脂（用氫型或鈉型）；堿性樹脂（用羥型或氯型）。羥型或氯型）。 一般對(duì)弱酸性和弱堿性樹脂，為使樹脂離子一般對(duì)弱酸性和弱堿性樹脂，為使樹脂離子化，采用鈉型或氯型；而對(duì)強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性樹脂，化，采用鈉型或氯型；而對(duì)強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性樹脂，可采用任何形式?？刹捎萌魏涡问健?但如果產(chǎn)物在酸性、堿性條件下易破壞，則但如果產(chǎn)物在酸性、堿性條件下易破壞，則不宜采用氫型或羥型樹脂。不宜采用氫型或羥型樹脂。 3）溶液中產(chǎn)物濃度）溶液中產(chǎn)物濃度 低價(jià)離子高濃度利于樹脂交換；高價(jià)離低價(jià)離子高濃度利于樹脂交換；高價(jià)離子低濃度易于被吸附。子低濃度易于被吸附。 4）洗脫條件）洗脫條件 和吸附條件

47、相反，酸性吸附和吸附條件相反，酸性吸附堿性解吸。堿性解吸。 為使解吸過程中，為使解吸過程中，pH變化不大，宜用緩變化不大，宜用緩沖液作洗脫劑。沖液作洗脫劑。 四、軟水和無鹽水的制備四、軟水和無鹽水的制備 1、軟水的制備、軟水的制備 工業(yè)用軟水主要是鍋爐用水，以免鍋爐工業(yè)用軟水主要是鍋爐用水，以免鍋爐結(jié)垢，主要用離子交換法處理自來水。結(jié)垢，主要用離子交換法處理自來水。 天然水中都不同程度地含有硬度離子天然水中都不同程度地含有硬度離子（Ca2+、MgMg2+2+），是鍋爐結(jié)垢的主要成分，），是鍋爐結(jié)垢的主要成分，利用鈉型陽離子交換樹脂去除鈣、鎂離子后利用鈉型陽離子交換樹脂去除鈣、鎂離子后的水稱為的

48、水稱為軟水軟水。 RSO3Na+ Ca2+.Cl- RSO3-.Ca2+NaCl 樹脂可用濃度為樹脂可用濃度為10%15%的食鹽水再的食鹽水再生為鈉型，反復(fù)使用。生為鈉型，反復(fù)使用。 經(jīng)過鈉鹽型離子交換樹脂床的原水，殘經(jīng)過鈉鹽型離子交換樹脂床的原水，殘余硬度可降至余硬度可降至0.05mmol/L以下，甚至可以以下，甚至可以使硬度完全消除。使硬度完全消除。 但原水中的堿度保持不變。但原水中的堿度保持不變。 2、無鹽水的制備、無鹽水的制備 無鹽水無鹽水是將原水中的所有溶解性鹽類、是將原水中的所有溶解性鹽類、游離的酸、堿離子去除后的水。游離的酸、堿離子去除后的水。 無鹽水是將原水通過氫型陽離子交換樹

49、無鹽水是將原水通過氫型陽離子交換樹脂和羥型陰離子交換樹脂，經(jīng)過離子交換，脂和羥型陰離子交換樹脂，經(jīng)過離子交換，將水中的陰、陽離子除去，從而制得純度將水中的陰、陽離子除去，從而制得純度很高的無鹽純水。很高的無鹽純水。 制備無鹽純水包括陽離子交換反應(yīng)和陰制備無鹽純水包括陽離子交換反應(yīng)和陰離子交換反應(yīng)。離子交換反應(yīng)。 （1）陽離子交換反應(yīng)）陽離子交換反應(yīng) 采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為交換劑：采用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂為交換劑： 2RSO3H+Ca2+.2Cl- 2RSO3-.Ca2+2HCl 經(jīng)陽離子樹脂交換后的水呈酸性，樹脂經(jīng)陽離子樹脂交換后的水呈酸性，樹脂用一定濃度的鹽酸或硫酸再生。用一定濃度的鹽酸

50、或硫酸再生。 （2）陰離子交換反應(yīng)）陰離子交換反應(yīng) 采用強(qiáng)堿或弱堿性樹脂作交換，與陽離采用強(qiáng)堿或弱堿性樹脂作交換，與陽離子床出水中的陰離子發(fā)生交換反應(yīng)：子床出水中的陰離子發(fā)生交換反應(yīng)： ROH+HCl RCl+H2O 樹脂用樹脂用5%8%濃度的氫氧化鈉再生。濃度的氫氧化鈉再生。 一般采用強(qiáng)酸一般采用強(qiáng)酸-弱堿或強(qiáng)酸弱堿或強(qiáng)酸-強(qiáng)堿樹脂。強(qiáng)堿樹脂。 （3）混合床離子交換系統(tǒng)）混合床離子交換系統(tǒng) 原水經(jīng)過陰、陽樹脂一次交換，稱為一原水經(jīng)過陰、陽樹脂一次交換，稱為一級(jí)交換。級(jí)交換。 該交換過程是由一個(gè)陽離子交換樹脂床該交換過程是由一個(gè)陽離子交換樹脂床和一個(gè)陰離子交換樹脂床完成的。該系統(tǒng)和一個(gè)陰離子交

51、換樹脂床完成的。該系統(tǒng)稱為一級(jí)復(fù)床系統(tǒng)。稱為一級(jí)復(fù)床系統(tǒng)。 混合床混合床：將陰、陽離子交換樹脂裝在同：將陰、陽離子交換樹脂裝在同一個(gè)交換器內(nèi)直接進(jìn)行離子交換除鹽的系一個(gè)交換器內(nèi)直接進(jìn)行離子交換除鹽的系統(tǒng)稱為混合床離子交換系統(tǒng)。統(tǒng)稱為混合床離子交換系統(tǒng)。 在混合床中，陰、陽離子樹脂均勻混合在混合床中，陰、陽離子樹脂均勻混合在一起，氫型陽樹脂交換反應(yīng)游離出來的在一起，氫型陽樹脂交換反應(yīng)游離出來的H+和羥型陰樹脂交換反應(yīng)游離出來的和羥型陰樹脂交換反應(yīng)游離出來的OH-，在交換器內(nèi)立即得到中和，故混合床的反在交換器內(nèi)立即得到中和，故混合床的反應(yīng)完全，脫鹽效果好。應(yīng)完全，脫鹽效果好。 脫鹽過程中可避免溶液

52、酸度、堿度的脫鹽過程中可避免溶液酸度、堿度的變化。變化。 混合床中的交換反應(yīng)式見混合床中的交換反應(yīng)式見p246。五、離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用五、離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用 生物技術(shù)的應(yīng)用范圍包括發(fā)酵、細(xì)胞生長(zhǎng)、酶的生物技術(shù)的應(yīng)用范圍包括發(fā)酵、細(xì)胞生長(zhǎng)、酶的固定化、生物傳感器以及微生物技術(shù)等?？傊?，它包固定化、生物傳感器以及微生物技術(shù)等?？傊?，它包括了所有涉及微生物、酶以及生物原材料的應(yīng)用。括了所有涉及微生物、酶以及生物原材料的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，離子交換樹脂在生在此基礎(chǔ)上，離子交換樹脂在生物技術(shù)中的應(yīng)用又超出了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，達(dá)到了物技術(shù)中的應(yīng)用又超出了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，達(dá)到了。事實(shí)上，大多數(shù)純化生物技術(shù)操作。事實(shí)上，大多數(shù)純化生物技術(shù)操作程序，由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)展到工業(yè)規(guī)模很少改變。程序，由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模發(fā)展到工業(yè)規(guī)模很少改變。 第五節(jié)第五節(jié) 生化用離子交換劑的特點(diǎn)和種類生化用離子交換劑的特點(diǎn)和種類一、生化用離子交換劑的特點(diǎn)一、生化用離子交換劑的特點(diǎn) 1、親水性及生物相溶性：親水性樹脂（以天然大、親水性及生物相溶性：親水性樹脂（以天然大分子為主）與生物大分子有很好的生物相溶性，為生分子為主）與生物大分子有很好的生物相溶性，為生化專用介質(zhì)?；瘜Ｓ媒橘|(zhì)。 2、孔結(jié)構(gòu)：樹脂兼有分子篩和離子