1、離子交換法,離子交換劑是一類能與其他物質(zhì)發(fā)生離子交換的物質(zhì)，分為無機(jī)離子交換劑（如沸石）和有機(jī)離子交換劑（離子交換樹脂）。 根據(jù)物質(zhì)的酸堿度、極性和分子大小的差異，用于分離吸附有價(jià)值的離子。用于水的處理，食品、生物制品的提取精制及金屬的回收。 在生物工業(yè)中，離子交換劑用于抗生素、氨基酸、有機(jī)酸等工業(yè)。 優(yōu)點(diǎn)：成本低、操作方便、提煉效率較高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單以及節(jié)約大量的有機(jī)溶液等； 缺點(diǎn)：不一定能找到合適的樹脂，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)過程中pH值變化較大。,一、離子交換原理及分類,1. 原理,離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的固態(tài)高分子材料。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)有三部

2、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)和官能團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。骨架上的活性離子在水溶液中發(fā)生離解，可在較大的范圍內(nèi)自由移動(dòng)，擴(kuò)散到溶液中，同時(shí)，在溶液中的同類型離子也能從溶液中擴(kuò)散到骨架的網(wǎng)格或孔內(nèi)。當(dāng)這兩種離子濃度差較大時(shí)，就產(chǎn)生一種交換的推動(dòng)力，使它們之間產(chǎn)生交換作用，利用這種濃度差的推動(dòng)力使樹脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反應(yīng)。 樹脂按活性離子分類，如果活性離子是陽離子（和陽離子發(fā)生交換）就稱為陽離子交換樹脂；如果是陰離子，則稱為陰離子交換樹脂。,含有強(qiáng)酸性基團(tuán)，如磺酸基SO3H，能在溶液中離解H+而呈強(qiáng)酸性。 樹脂中的SO3基團(tuán)能吸附溶液中的其它陽離子，這兩個(gè)

3、反應(yīng)，使樹脂中的H+與溶液中的陽離子互相交換。 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)生離子交換作用，因此使用時(shí)的pH沒有限制。 以磷酸基PO(OH)2和次磷酸基PHO（OH）作為活性基團(tuán)的樹脂具有中等強(qiáng)度的酸性。強(qiáng)酸性陽離子樹脂是用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理，此時(shí)樹脂放出被吸附的陽離子，再與H+結(jié)合而復(fù)原。,2. 離子交換樹脂分類,1）強(qiáng)酸性陽離子樹脂,這類樹脂含有弱酸性基團(tuán)，如羧基-COOH、酚羥基-OH，能在水中離解出H+而呈弱酸性，R-COO能與溶液中的其它陽離子吸附結(jié)合，而產(chǎn)生陽離子交換作用。 這類樹脂由于離解性較弱，在低pH值下，難以離解和進(jìn)行離子交換，只能在堿性、中性或微

4、酸性溶液中發(fā)揮作用（R-COOH應(yīng)在pH6的溶液中操作，R-OH應(yīng)在9的溶液中操作）。 這類樹脂也是用酸進(jìn)行再生。,2）弱酸性陽離子樹脂,這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季銨基，能在水中離解出而呈堿性，樹脂中的離解基團(tuán)能與溶液中其它陰離子吸附結(jié)合，產(chǎn)生陰離子交換作用。 這類樹脂的離解性很強(qiáng)，使用的pH范圍無限制，再生一般用強(qiáng)堿（如NaOH）進(jìn)行。,3）強(qiáng)堿性陰離子樹脂,這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基（-NH2）、仲胺基（-NHR）或叔胺基（-NR2），它們?cè)谒心茈x解出OH-而呈弱堿性。 這類樹脂的離解能力較弱，只能在低pH（1-9）下工作，可以用Na2CO3、NH4OH等進(jìn)行再生。,4）弱堿性陰

5、離子樹脂,這類樹脂的作用不是進(jìn)行離子交換而是電子轉(zhuǎn)移，能起氧化還原作用。,3. 其它類型的樹脂,1）兩性離子交換樹脂 2）選擇性離子交換樹脂（螯合性離子交換樹脂） 3）吸附樹脂（脫色樹脂） 4）電子交換樹脂（氧化還原樹脂）,將兩種性質(zhì)相反的陰、陽離子交換官能團(tuán)連接在同一樹脂骨架上，就構(gòu)成兩性樹脂。,它與金屬離子形成螯合物的基團(tuán)，是一種對(duì)某些離子有特殊選擇性的樹脂，其選擇性高于一般的強(qiáng)酸性和弱酸性樹脂。,有較大的表面積，具多孔性，吸附能力強(qiáng)，但交換離子的能力很小，甚至不能交換。在發(fā)酵工業(yè)中多用于脫色，吸附大分子的產(chǎn)物和除去蛋白質(zhì)等。如大網(wǎng)格樹脂，孔隙大，樹脂內(nèi)表面積大，適宜于吸附大分子和用作催化

6、劑。,1.外觀 2.交聯(lián)度 3.化學(xué)穩(wěn)定性 4.機(jī)械強(qiáng)度 5.交換量,二、離子交換樹脂的理化性能和測定,離子交換樹脂是一種透明或半透明的物質(zhì)，有白、黃、黑、赤褐色等幾種顏色。 為了便于觀察，要求樹脂顏色較淡。樹脂球形，大小20-60目（0.25-0.84mm）。,樹脂在結(jié)構(gòu)中必須具有一定的交聯(lián)度，使其不溶于一般的酸、堿及有機(jī)溶劑。大多數(shù)離子交換樹脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的。 交聯(lián)度是二乙烯苯在樹脂母體總量中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 交聯(lián)度的大小決定著樹脂機(jī)械強(qiáng)度以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的疏密。交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹脂機(jī)械強(qiáng)度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，結(jié)構(gòu)疏松，樹脂機(jī)械強(qiáng)度小。,樹脂不僅交換容量和選擇性要

7、好，而且要容易解吸，一般吸附容易的解吸就比較困難。,1.離子價(jià)數(shù) 2.溶液濃度的影響 3.離子的水化半徑,三、離子交換選擇性,影響離子交換樹脂選擇性的因素,離子交換樹脂總是優(yōu)先選擇高價(jià)離子，而低價(jià)離子被吸附時(shí)則較弱。 陽離子被吸附的順序?yàn)椋篎e3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ Na+ ， 陰離子順序?yàn)椋簷幟仕岣蛩岣跛岣?樹脂對(duì)離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中比較大，而在濃溶液中選擇性較小。,水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。,4.有機(jī)溶劑的影響 5.樹脂與交換離子間的輔助力,有機(jī)溶劑會(huì)使樹脂對(duì)有機(jī)離子的選擇性降低，而容易吸附無機(jī)離子， 可利用有機(jī)溶劑從樹脂上洗脫難洗脫的有機(jī)物質(zhì)。,凡能與樹脂間

8、形成輔助力，如氫鍵、范德華力等輔助力的離子，樹脂對(duì)其吸附力就大；反之，能破壞這些輔助力的溶液就能容易地將離子從樹脂上洗脫下來。,柱式操作。 離子交換柱。 柱中樹脂層的高度為11.5m，柱體總高度約為樹脂層的2倍，柱的有效高度與直徑之比以（4：1）（5：1）為好。樹脂層高度為柱有效高度的1/22/3為好。,四、離子交換裝置,1.樹脂預(yù)處理 2.上柱交換 3.洗脫 4.樹脂的再生,A. 離子交換樹脂的工作過程：,新樹脂在制造過程中，常有某些未參與聚合反應(yīng)的低分子和高分子成分的分解產(chǎn)物及一些鐵、銅、鋁等金屬物質(zhì)。在樹脂表面還有灰塵等污物。新樹脂裝入柱后，先用去離子水浸泡12h左右，使樹脂充分吸水膨脹

9、，再用2-3倍樹脂體積的10%左右食鹽水浸泡4h以上。用水洗凈殘留的NaCl，再根據(jù)樹脂類型和使用所需要的型號(hào)分別用酸和堿處理，最后調(diào)pH值至所需范圍。,交換方式采用順流和逆流進(jìn)行。,用親和力更強(qiáng)的同性離子取代樹脂上吸附的目的產(chǎn)物。,先用清水洗滌，然后用再生劑再生，最后用清水洗至所需pH值。 鈉型強(qiáng)酸性樹脂用NaCl溶液再生； 氫型強(qiáng)酸性樹脂用強(qiáng)酸再生； 氯型強(qiáng)堿性陰樹脂主要用NaCl溶液再生； 羥型強(qiáng)堿性陰樹脂用NaOH溶液再生。,強(qiáng)堿性離子宜用弱酸性樹脂， 弱堿性離子宜用強(qiáng)酸性樹脂， 強(qiáng)酸性離子宜用弱堿性樹脂， 弱酸性離子宜用強(qiáng)堿性樹脂； 吸附大分子離子，應(yīng)選擇交聯(lián)度較低的樹脂，便于大分子擴(kuò)散到樹脂內(nèi)部。,B. 樹脂和操作條件的選擇：,選擇合適的操作條件：,合適的pH值，在產(chǎn)物的穩(wěn)定范圍內(nèi)，使產(chǎn)物