连续离子交换技术以及其应用PPT课件.ppt

关于连续离子交换技术及其应用第一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第一节第一节 离子交换技术概述及离子交换树脂离子交换技术概述及离子交换树脂一、离子交换技术的概述一、离子交换技术的概述1 1、定义、定义 离子交换技术：离子交换技术：根据某些溶质能解离为根据某些溶质能解离为阳离子或阴离子的特性，利用阳离子或阴离子的特性，利用离子交换离子交换剂与不同离子结合力强弱的差异剂与不同离子结合力强弱的差异，将溶，将溶质暂时交换到离子交换剂上，然后用适质暂时交换到离子交换剂上，然后用适合的洗脱剂将溶质离子洗脱下来，将溶合的洗脱剂将溶质离子洗脱下来，将溶质从原溶液中分离、浓缩和提纯的操作质从原溶液中分离、浓缩和提纯的操作技术。技术。第二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2 2、离子交换剂（、离子交换剂（ion exchanger ion exchanger）离子交换法主要是基于一种合成材料作为吸着剂，成为离子离子交换法主要是基于一种合成材料作为吸着剂，成为离子交换剂，以吸附有价值的离子。交换剂，以吸附有价值的离子。.离子交换剂分无机质类和有机质类两大类。无机质类又可离子交换剂分无机质类和有机质类两大类。无机质类又可分天然的分天然的如如海绿砂海绿砂；人造的；人造的如如合成沸石合成沸石。有机质类。有机质类又分碳质和合成树脂两类。其中碳质类如又分碳质和合成树脂两类。其中碳质类如磺化煤磺化煤等；等；合成树合成树脂脂类分阳离子型类分阳离子型如强酸性和弱酸性树脂；阳离子型如强酸性和弱酸性树脂；阳离子型如如强碱性和弱碱性树脂、两性树脂和螯合树脂等类。强碱性和弱碱性树脂、两性树脂和螯合树脂等类。第三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月二、离子交换树脂二、离子交换树脂1、离子交换树脂的发展背景、离子交换树脂的发展背景 早在早在18501850年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象，年就发现了土壤吸收铵盐时的离子交换现象，但但作为一种现代分离手段，是在作为一种现代分离手段，是在2020世纪世纪4040年代人工合成了离子年代人工合成了离子交换树脂后的事。交换树脂后的事。离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料，19351935年英年英国的国的AdamsAdams和和HolmesHolmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告，子交换性能的工作报告，开创了离子交换树脂领域，同时也开创了离子交换树脂领域，同时也开创了功能高分子领域。根据他们的发明，带有磺酸基和开创了功能高分子领域。根据他们的发明，带有磺酸基和氨基的酚醛树脂很快就实现氨基的酚醛树脂很快就实现 工业化生产并在水的脱盐中得工业化生产并在水的脱盐中得到应用。到应用。第四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 1944 1944年年 DAlelio DAlelio 合成了合成了具有优良物理和化学性能的具有优良物理和化学性能的磺磺化苯乙烯化苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂，奠定了现代离子交换树脂的基础。奠定了现代离子交换树脂的基础。此后，此后，DowDow化学公司的化学公司的 Bauman Bauman 等人开发了苯乙烯系等人开发了苯乙烯系 磺酸磺酸型强酸性离子交换树脂型强酸性离子交换树脂并实现了工业化；并实现了工业化；Rohm&HassRohm&Hass公司公司的的KuninKunin等人则进一步研制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树等人则进一步研制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂。这些离子交换树脂脂和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂。这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀土元除应用于水的脱盐精制外，还用于药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。第五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 2020世纪世纪5050年代末年代末，国内外包括我国的南开大学化学系在内的诸多单位同时，国内外包括我国的南开大学化学系在内的诸多单位同时合合成出了大孔型离子交换树脂成出了大孔型离子交换树脂。这是离子交换树脂发展史上的另一重大成果，这是离子交换树脂发展史上的另一重大成果，因此很快得到广泛的应用。因此很快得到广泛的应用。在在6060年代后期年代后期，离子交换树脂除了在品种和性能等方面得到了进一步的，离子交换树脂除了在品种和性能等方面得到了进一步的发展，更为突出的是发展，更为突出的是应用得到迅速的发展应用得到迅速的发展。除了传统的水的脱盐、软化外，。除了传统的水的脱盐、软化外，在分离、纯化、脱色、催化等方面得到广泛的应用。在分离、纯化、脱色、催化等方面得到广泛的应用。19641964年，英国还生产了一种均孔树脂年，英国还生产了一种均孔树脂，是一种交联度分布均匀的凝胶型阴，是一种交联度分布均匀的凝胶型阴离子交换树脂，抗有机污然能力强，交换能力并不低于一般的凝胶树脂，离子交换树脂，抗有机污然能力强，交换能力并不低于一般的凝胶树脂，据报道用于水处理效果极好。据报道用于水处理效果极好。第六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2、离子交换树脂定义及组成、离子交换树脂定义及组成 定义定义：离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的网状离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的网状结构的功能高分子化合物，化学稳定性良好，且具有离子交换能力。结构的功能高分子化合物，化学稳定性良好，且具有离子交换能力。可以把离子交换树脂看作是固体的酸或碱。可以把离子交换树脂看作是固体的酸或碱。组成组成：离子交换树脂是由三部分组成的：不溶性的三维离子交换树脂是由三部分组成的：不溶性的三维空间网状结构构成的空间网状结构构成的树脂构架树脂构架，使树脂具有化学稳定性；与骨，使树脂具有化学稳定性；与骨架相连的架相连的功能基团功能基团；与功能基团所带电荷相反的可移动的离；与功能基团所带电荷相反的可移动的离子，即子，即活性离子活性离子。第七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月离子交换树脂离子交换树脂第八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月3、离子交换树脂分类、离子交换树脂分类（1 1）按树）按树脂骨架化学成分脂骨架化学成分可分为：苯乙烯型树脂；丙烯酸可分为：苯乙烯型树脂；丙烯酸型树脂；酚醛型树脂；多乙烯多胺型树脂；酚醛型树脂；多乙烯多胺-环氧氯苯烷。环氧氯苯烷。（2 2）按制备树脂的）按制备树脂的聚合化学反应聚合化学反应分为：共聚型树脂；缩分为：共聚型树脂；缩聚型树脂。聚型树脂。（3 3）按骨架的）按骨架的物理结构物理结构可分为：凝胶型树脂（微孔型）可分为：凝胶型树脂（微孔型）；大网格树脂（大孔型）；均孔树脂；载体型树脂。；大网格树脂（大孔型）；均孔树脂；载体型树脂。第九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月1 1）凝胶型树脂）凝胶型树脂 凡外观透明、具有凡外观透明、具有均相高分子凝胶结构均相高分子凝胶结构的离子交换树脂统称的离子交换树脂统称为凝胶型离子交换树脂。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大为凝胶型离子交换树脂。在水中会溶胀成凝胶状，并呈现大分子链的间隙孔。在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分分子链的间隙孔。在无水状态下，凝胶型离子交换树脂的分子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，子链紧缩，体积缩小，无机小分子无法通过。所以，这类离这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能子交换树脂在干燥条件下或油类中将丧失离子交换功能第十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2 2）大网格或大孔树脂）大网格或大孔树脂 在大网格吸附剂上引入离子交换功能团所得。在大网格吸附剂上引入离子交换功能团所得。和通常和通常凝胶树脂不同，凝胶树脂不同，孔隙大，树脂内部表面积大孔隙大，树脂内部表面积大，因此适宜吸附，因此适宜吸附大分子和用作催化剂，且有大分子和用作催化剂，且有永久孔隙度永久孔隙度，即使完全失水也能，即使完全失水也能维持其多孔结构和巨大的内部表面积，适用于非水溶液的交维持其多孔结构和巨大的内部表面积，适用于非水溶液的交换，也适用于连续离子交换操作中。换，也适用于连续离子交换操作中。第十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月3 3）载体型树脂）载体型树脂 主要用作液相色谱的固定相，主要用作液相色谱的固定相，一般是将离子交换树脂包覆在一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面制成硅胶或玻璃珠等表面制成。可经受液相色谱中流动介质的。可经受液相色谱中流动介质的高压又具有离子交换功能。高压又具有离子交换功能。（4 4）按）按交换基团性质交换基团性质可分为可分为：阳离子交换树脂（强酸、：阳离子交换树脂（强酸、弱酸）；阴离子交换树脂（强碱、弱碱）弱酸）；阴离子交换树脂（强碱、弱碱）1 1）强酸型阳离子交换树脂强酸型阳离子交换树脂 一般是以磺酸基一般是以磺酸基-SO-SO3 3H H为活性基团，使用时的为活性基团，使用时的PHPH没有限制没有限制第十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2 2）弱酸型阳离子交换树脂弱酸型阳离子交换树脂 功能团可以是功能团可以是-COOH-COOH、酚羟基、酚羟基-OH-OH等，这种树脂的电离程度小，交换性能和溶液等，这种树脂的电离程度小，交换性能和溶液的的PHPH有很大的关系，交换能力随溶液有很大的关系，交换能力随溶液PHPH的升高而提高，和的升高而提高，和H H+的结合能力强，的结合能力强，故再生成氢型较容易。故再生成氢型较容易。3 3）强碱性阴离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂 根据功能团的不同可分为两型：根据功能团的不同可分为两型：型活性基团为型活性基团为-N(CH-N(CH3 3)3 3，碱性强，但碱性强，但再生困难；再生困难；型为型为-N(CH-N(CH3 3)2 2C C2 2H H4 4OHOH，稳定性差。，稳定性差。4 4）弱碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂 功能团为功能团为RNHRNH2 2、RNRHRNRH和，和，RNR”RNR”2 2或吡啶基等。溶液或吡啶基等。溶液PHPH越低，交换越低，交换能力就越大。能力就越大。第十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月4、树脂的命名、树脂的命名 对离子交换树脂的命名，我国石油化学工业部早在对离子交换树脂的命名，我国石油化学工业部早在19771977年年已制定了离子交换树脂产品分类、命名及型号部颁标已制定了离子交换树脂产品分类、命名及型号部颁标准，根据离子交换树脂功能基性质不同将其分为强酸、强准，根据离子交换树脂功能基性质不同将其分为强酸、强碱、弱酸、弱碱、螯合、两性、氧化还原等七类。碱、弱酸、弱碱、螯合、两性、氧化还原等七类。具体的命名规定为具体的命名规定为：离子交换树脂的全名由分类名称，骨：离子交换树脂的全名由分类名称，骨架（或基团）名称，基本名称排列组成。对大孔型离子交架（或基团）名称，基本名称排列组成。对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加换树脂，在型号的前面加“D”“D”表示，在型号的后面用表示，在型号的后面用“”“”接阿拉伯数字，表示交联度。接阿拉伯数字，表示交联度。第十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 交联度数值交联度数值顺序号顺序号骨架代号骨架代号分类代号分类代号分类代号分类代号顺序号顺序号骨架代号骨架代号大孔型代号大孔型代号强酸性强酸性苯乙烯系苯乙烯系交联度为交联度为%顺序号为顺序号为0017交联度为交联度为7%的苯乙烯的苯乙烯烯凝胶型强酸性阳离子交换树脂烯凝胶型强酸性阳离子交换树脂315-大孔型丙烯酸弱碱大孔型丙烯酸弱碱性阴离子交换树脂性阴离子交换树脂大大孔孔型型凝凝胶胶型型 离子交换树脂的命名第十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月5、树脂的合成方法、树脂的合成方法 现有树脂的制造方法可以分为两类：缩聚法和加聚法。现有树脂的制造方法可以分为两类：缩聚法和加聚法。（1 1）缩聚法缩聚法：有低分子产物（通常是水）产生，一般：有低分子产物（通常是水）产生，一般稳稳定性较差，多半为无定形，定性较差，多半为无定形，以甲醛等作为交联剂，交联度不以甲醛等作为交联剂，交联度不易控制，反应复杂，易控制，反应复杂，结构不十分确定，且多为多功能团的。结构不十分确定，且多为多功能团的。（2 2）加聚法加聚法：结构确定，常为单功能团的结构确定，常为单功能团的，一般性能好，多，一般性能好，多为球形，以二乙烯苯等作为交联剂。为球形，以二乙烯苯等作为交联剂。引入活性功能团可采用含功能团的单体也可在形成聚合物后引入活性功能团可采用含功能团的单体也可在形成聚合物后再引入再引入 第十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 树脂一般制成球形，可提高树脂是机械强度，并可使在树脂一般制成球形，可提高树脂是机械强度，并可使在柱中操作时，流体阻力减少，通常采用的是柱中操作时，流体阻力减少，通常采用的是悬浮聚合法悬浮聚合法。由于由于单体与水相之间存在较大的粘度差异，且反应器中搅拌剪单体与水相之间存在较大的粘度差异，且反应器中搅拌剪切力空间分布不均匀等诸多原因，会导致聚合球状物（白球）切力空间分布不均匀等诸多原因，会导致聚合球状物（白球）不均匀。不均匀。为了弥补此法的不足，国外采用了先进的全自动喷射法合为了弥补此法的不足，国外采用了先进的全自动喷射法合成技术，得率高且粒度均匀。离子交换树脂领域的国内外学成技术，得率高且粒度均匀。离子交换树脂领域的国内外学者一直积极致力于探索新型的合成工艺，现在已经开发出来者一直积极致力于探索新型的合成工艺，现在已经开发出来的新型工艺有的新型工艺有互贯聚合工艺互贯聚合工艺和和后交联工艺后交联工艺。第十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月（1）互贯聚合法互贯聚合法 是指将已经具有一定交联度的聚合物骨架再在相同交联度是指将已经具有一定交联度的聚合物骨架再在相同交联度的单体中溶胀，使单体吸入聚合物中，实现两个独立网格的的单体中溶胀，使单体吸入聚合物中，实现两个独立网格的互相贯穿和缠绕互相贯穿和缠绕。此法使得树脂密度增大、刚性增强、珠体。此法使得树脂密度增大、刚性增强、珠体合格率提高、工作交换容量也大大高于具有相同交联度的常合格率提高、工作交换容量也大大高于具有相同交联度的常规树脂。规树脂。（2）后交联法后交联法 也叫也叫附加交联法附加交联法，是用聚苯乙烯溶液或溶胀态低交联是用聚苯乙烯溶液或溶胀态低交联聚苯乙烯与交联剂氯甲醚等发生付氏反应，引入的氯甲聚苯乙烯与交联剂氯甲醚等发生付氏反应，引入的氯甲基在较高温度下，可与邻近的苯环进一步发生付氏反应，基在较高温度下，可与邻近的苯环进一步发生付氏反应，从而实现两个高分子链上苯环的交联。从而实现两个高分子链上苯环的交联。第十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月6、交换速率、交换速率影响离子交换树脂交换速率的因素有：影响离子交换树脂交换速率的因素有：（1 1）颗粒大小颗粒大小：颗粒小时交换速度有所提高：颗粒小时交换速度有所提高 （2 2）交联度交联度：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就较：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散就较容易容易 （3 3）温度温度：温度的升高有利于扩散，提高交换速率：温度的升高有利于扩散，提高交换速率 （4 4）离子的化合价离子的化合价：相反离子间存在库伦引力，离子化合价：相反离子间存在库伦引力，离子化合价越高，这种引力越大，因此扩散速度就越小越高，这种引力越大，因此扩散速度就越小 第十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月（5 5）离子的大小离子的大小：小离子的交换速度比较快，因大分子在树脂：小离子的交换速度比较快，因大分子在树脂内扩散时会与树脂骨架碰撞内扩散时会与树脂骨架碰撞 （6 6）搅拌速度搅拌速度：当液膜控制时，增加搅拌速度会使交换速度：当液膜控制时，增加搅拌速度会使交换速度增加增加（7 7）溶液浓度溶液浓度：溶液浓度逐渐升高会从外部扩散控制逐：溶液浓度逐渐升高会从外部扩散控制逐渐转变为内扩散控制渐转变为内扩散控制第二十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月7 7、离子交换过程的选择性、离子交换过程的选择性 集中体现在集中体现在交换常数交换常数K K的数值上，一般离子和树脂之间的的数值上，一般离子和树脂之间的亲和力越大，就越容易吸附，当吸附后树脂的膨胀度减小亲和力越大，就越容易吸附，当吸附后树脂的膨胀度减小时，则树脂对该离子的亲和力也越大。时，则树脂对该离子的亲和力也越大。K KBABA表示表示B B离子取代树脂上离子取代树脂上A A离子的交换常数，值越大就越离子的交换常数，值越大就越易吸附易吸附B B离子离子。影响因素有：。影响因素有：（1 1）离子的水化半径离子的水化半径：水化半径较小的离子越易吸附：水化半径较小的离子越易吸附（2 2）离子化合价离子化合价：在低浓度水溶液和普通温度时，离子的：在低浓度水溶液和普通温度时，离子的化合价越高就越易被吸附化合价越高就越易被吸附第二十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月（3 3）溶液的酸碱度溶液的酸碱度：PHPH对弱酸性树脂或弱碱性树脂的解对弱酸性树脂或弱碱性树脂的解离程度有影响离程度有影响（4 4）交联度、膨胀度和分子筛交联度、膨胀度和分子筛：对于吸收大离子有两个互：对于吸收大离子有两个互相矛盾的因素起作用，即选择性的影响和空间大小的影相矛盾的因素起作用，即选择性的影响和空间大小的影响响（5 5）树脂与交换离子之间的辅助力树脂与交换离子之间的辅助力：egeg：氢键、范德华力：氢键、范德华力（6 6）有机溶剂的影响有机溶剂的影响：有机溶剂存在时常常会使对有机离：有机溶剂存在时常常会使对有机离子的选择性降低，而容易吸附无机离子子的选择性降低，而容易吸附无机离子第二十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第二节第二节 离子交换的工作原理及装置分类离子交换的工作原理及装置分类一、离子交换法原理一、离子交换法原理 利用离子交换剂能吸附溶液中一种离子同时放出利用离子交换剂能吸附溶液中一种离子同时放出另一种相同电荷的离子的特点，使这种交换剂和溶液另一种相同电荷的离子的特点，使这种交换剂和溶液之间进行的同号离子相互交换现象叫离子交换。之间进行的同号离子相互交换现象叫离子交换。其作用实质上是一种溶液中的电解质和不溶性电其作用实质上是一种溶液中的电解质和不溶性电解质的固、液两相接触时所进行的复分解反应。解质的固、液两相接触时所进行的复分解反应。第二十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 胶体化学中关于半透膜两侧电解质平衡浓度关系的理论，胶体化学中关于半透膜两侧电解质平衡浓度关系的理论，19111911年由年由DonnanDonnan提出。提出。其要点是：同一电解质在半透膜两边的化学势相等，若膜的其要点是：同一电解质在半透膜两边的化学势相等，若膜的一侧有某种符号一侧有某种符号(正或负正或负)的非扩散性离子，则同号的扩散性离子在该侧的非扩散性离子，则同号的扩散性离子在该侧的浓度较另一侧小。的浓度较另一侧小。离子交换剂（通常是树脂）可视为某种弹性凝胶，吸水后溶胀，溶胀离子交换剂（通常是树脂）可视为某种弹性凝胶，吸水后溶胀，溶胀后的离子交换树脂内部可以看做是一滴浓的电解质溶液；树脂颗粒与外部后的离子交换树脂内部可以看做是一滴浓的电解质溶液；树脂颗粒与外部溶液间的界面可以看作是某种半透膜，膜的一侧是外部溶液主体，另一侧溶液间的界面可以看作是某种半透膜，膜的一侧是外部溶液主体，另一侧是树脂相，树脂相内活泼基团解离出来的离子和外部溶液主体相中的离子是树脂相，树脂相内活泼基团解离出来的离子和外部溶液主体相中的离子一样，均可以扩散通过半透膜一样，均可以扩散通过半透膜分离原理的理论依据分离原理的理论依据 道南平衡道南平衡第二十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月离子交换过程离子交换原理示意图外扩散内扩散交换反应第二十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 若将若将Na+型的磺酸基阳离子交换树脂浸入型的磺酸基阳离子交换树脂浸入NaCl溶液中，树脂相中的溶液中，树脂相中的Na+和和溶液主体相中的溶液主体相中的Na+、Cl-可以通过半透膜扩散达到平衡，此时溶液中可以通过半透膜扩散达到平衡，此时溶液中NaCl的浓度不再发生变化，则由外界溶液相主体到树脂相中的透过速度为：的浓度不再发生变化，则由外界溶液相主体到树脂相中的透过速度为：V1=KNa+外外Cl-外外 从树脂相到外界溶液相主体中的透过速度为：从树脂相到外界溶液相主体中的透过速度为：V2=K Na+内内Cl-内内 因为达到平衡时因为达到平衡时V1=V2，所以：，所以：KNa+外外Cl-外外=KNa+内内内内 （1）又又 Na+外外=Cl-外外 Cl-外外2=Cl-内内（Cl-内内+R-内内）Na+内内=Cl-内内+R-内内 由于有较多固定离子由于有较多固定离子R-存在，于是存在，于是 Cl-外外Cl-内内，Na+内内 Cl-内内，Na+内内Na+外外第二十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 由于阳离子树脂相中固定离子由于阳离子树脂相中固定离子R-的排斥作用，到达平衡后外界溶液中的排斥作用，到达平衡后外界溶液中Cl-外外将大大超过树脂相中的将大大超过树脂相中的Cl-内内，而，而Na+外外则远远小于则远远小于Na+内内的，即阳离子的，即阳离子可以进入阳离子交换树脂中进行交换，阴离子则不能，这就是道南原则。可以进入阳离子交换树脂中进行交换，阴离子则不能，这就是道南原则。若在外界溶液中加入其它其他离子，如若在外界溶液中加入其它其他离子，如K+，则随着，则随着K+扩散到中，有：扩散到中，有：K+内内Cl-内内K+外外Cl-外外，K+内内 K+外外（2）结合（结合（1）式和（）式和（2）得：）得：说明溶液中引入的说明溶液中引入的K+将与树脂相中的将与树脂相中的Na+发生交换作用，这种过程发生交换作用，这种过程将一直进行到树脂相与外界溶液相中的两种离子浓度之比相等为止。将一直进行到树脂相与外界溶液相中的两种离子浓度之比相等为止。第二十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月离子交换剂的离子交换功能离子交换剂的离子交换功能 离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，它们可发生下列三种类型的离子交换反应。它们可发生下列三种类型的离子交换反应。第二十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月中和反应：中和反应：第二十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月复分解反应：复分解反应：第三十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 中性盐反应：中性盐反应：第三十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 从上面的反应可见，从上面的反应可见，所有的阳离子交换树脂和阴所有的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂均可进行中和反应和复分解反应离子交换树脂均可进行中和反应和复分解反应。仅由。仅由于交换功能基团的性质不同，交换能力有所不同。于交换功能基团的性质不同，交换能力有所不同。中中性盐反应则仅在强酸型阳离子交换树脂和强碱型离子性盐反应则仅在强酸型阳离子交换树脂和强碱型离子交换树脂的反应中发生交换树脂的反应中发生。所有上述反应均是平衡可逆反应，这正是离子交所有上述反应均是平衡可逆反应，这正是离子交换树脂可以再生的本质。只要换树脂可以再生的本质。只要控制溶液的控制溶液的pH值、离子值、离子浓度和温度等因素，就可使反应向逆向进行，达到再浓度和温度等因素，就可使反应向逆向进行，达到再生的目的生的目的。第三十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 体系总的电中性原则体系总的电中性原则 交换容量与反离子的性质无关交换容量与反离子的性质无关 离子交换过程几乎都是可逆的离子交换过程几乎都是可逆的 离子交换是速率控制过程，通常由穿过交换剂外表面液离子交换是速率控制过程，通常由穿过交换剂外表面液膜的外扩散或在交换剂颗粒内部的内扩散过程来控制膜的外扩散或在交换剂颗粒内部的内扩散过程来控制离子交换原则离子交换原则第三十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月离子交换技术的操作过程离子交换技术的操作过程 料液的预处理料液的预处理 待分离料液与离子交换剂进行交换反应待分离料液与离子交换剂进行交换反应 淋洗，除去杂质淋洗，除去杂质 洗脱，收集目标物质洗脱，收集目标物质 离子交换剂的再生离子交换剂的再生 再生后离子交换剂的清洗再生后离子交换剂的清洗 离子交换技术的操作工程大致可以分为：离子交换技术的操作工程大致可以分为：交换、反洗、再生、正洗四个阶段。交换、反洗、再生、正洗四个阶段。第三十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月待分离料液与离子交换剂进行交换反应待分离料液与离子交换剂进行交换反应含水状态下的离子交换树脂內部存在着细孔，离子就在其间扩散并进行离子交换。固定之阴离子交换基，如SO3-对立之阳离子，如H+苯乙烯基体二乙烯苯架桥水合水Na+陽離子交換樹脂第三十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月2023/4/736交换柱内的再生交换柱内的再生树脂再生树脂再生：将树脂恢复到交换前的形式这将树脂恢复到交换前的形式这个过程称为树脂再生。有时洗脱过程就是再个过程称为树脂再生。有时洗脱过程就是再生过程。生过程。阳离子交换树脂可用阳离子交换树脂可用3mol/L盐酸处理，将其盐酸处理，将其转化为转化为H+型；型；阴离于交换树脂可用阴离于交换树脂可用l mol/L氢氧化钠处理，氢氧化钠处理，将其转化成将其转化成OH-型备用。型备用。第三十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月反洗的目的：松动压紧的树脂床层，使反洗的目的：松动压紧的树脂床层，使床层膨胀。床层膨胀。清除截留在树脂层内的悬浮物和有机杂清除截留在树脂层内的悬浮物和有机杂质质冲洗细小的树脂碎粉冲洗细小的树脂碎粉再生的目的：使交换终了失效的树脂上再生的目的：使交换终了失效的树脂上的吸附的离子除去，并代之以新的被交的吸附的离子除去，并代之以新的被交换离子，从而达到反复使用的目的。换离子，从而达到反复使用的目的。第三十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月离子交换装置分类离子交换装置分类 可粗分为可粗分为间歇式间歇式、固定床固定床、连续连续式移动床式移动床及及连续式流动床连续式流动床离子交换设离子交换设备备第三十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月间歇式离子交换间歇式离子交换 是指把离子交换剂与被处理的溶液是指把离子交换剂与被处理的溶液混合，加以适当的搅拌，使之达到适当混合，加以适当的搅拌，使之达到适当交换平衡，然后滤出溶液使之分离的一交换平衡，然后滤出溶液使之分离的一种操作方式。通常用于实验室或小型工种操作方式。通常用于实验室或小型工业生产。业生产。最简单的装置就是采用一个具有搅最简单的装置就是采用一个具有搅拌器的罐。拌器的罐。第三十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月固定床离子交换固定床离子交换 是把离子交换剂放在交换柱内处于是把离子交换剂放在交换柱内处于固定态，被处理的溶液在动态下流过交固定态，被处理的溶液在动态下流过交换柱。换柱。固定床的优点：设备简单，操作方固定床的优点：设备简单，操作方便，适用于各种规模生产；便，适用于各种规模生产；固定床的缺点是离子交换剂的利用固定床的缺点是离子交换剂的利用率低，再生费用大；滤速增高时，压强率低，再生费用大；滤速增高时，压强降增大也快。降增大也快。第四十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月柱式固定床剖视图柱式固定床剖视图 结构特点：结构特点：有一个合适的离有一个合适的离子交换树脂床支撑子交换树脂床支撑体；体；有一个分布器，有一个分布器，使进料能均匀分布使进料能均匀分布流过树脂床；流过树脂床；有反洗控制装置，有反洗控制装置，要使反洗压力分布要使反洗压力分布均匀。均匀。第四十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月第三节第三节 连续离子交换技术概述连续离子交换技术概述连续离子交换技术定义连续离子交换技术定义 连续离子交换技术是一种完全革新的连续离子交换技术是一种完全革新的分离工艺技术，不同于传统的固定床分离工艺技术，不同于传统的固定床（Fixed Bed）、脉冲床（）、脉冲床（Pulse Bed）、）、模拟移动床（模拟移动床（Simulated Moving Bed）等工艺。它是在等工艺。它是在传统的固定床传统的固定床树脂吸附和树脂吸附和离子交换工艺离子交换工艺的的基础基础上结合上结合连续逆流系统技连续逆流系统技术术优势开发而成。优势开发而成。第四十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月连续离子交换的背景连续离子交换的背景 连续离子交换是基于连续离子交换是基于固定床系统固定床系统，不，不能连续生产，能耗大，工艺繁杂，再生用化能连续生产，能耗大，工艺繁杂，再生用化学品量大、生产周期长的学品量大、生产周期长的缺点缺点，而开发研究，而开发研究的。的。ISEP 连续离子交换连续离子交换最先是由美国先进分最先是由美国先进分离技术公司离技术公司(Advanced Separation Technologies Inc.)于于1986 年开始开发年开始开发,经过不断完善，而形成的真正连续的离子经过不断完善，而形成的真正连续的离子交换技术。交换技术。第四十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月连续离子交换技术工作原理连续离子交换技术工作原理 连续离子交换系统连续离子交换系统由一个带有多个由一个带有多个树脂柱树脂柱的（的（16、20、30）的圆）的圆柱柱和一个和一个多孔分配阀多孔分配阀组成。组成。通过圆盘的转动和阀口通过圆盘的转动和阀口的转换，使分离柱在一的转换，使分离柱在一个工艺循环中完成了个工艺循环中完成了吸附、吸附、水洗、解吸、再生的全部水洗、解吸、再生的全部工艺过程。并且离子分工艺过程。并且离子分离的所有工艺步骤在离的所有工艺步骤在同时同时进行进行。第四十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月如何实现连续？如何实现连续？传统的离子交换传统的离子交换应用时采用应用时采用固定床固定床实现实现的，我们对固定床的工作过程进行分析发的，我们对固定床的工作过程进行分析发现，在交换过程中树脂床将分为三段，即现，在交换过程中树脂床将分为三段，即饱和区、活性区（传质区）和新鲜树脂区饱和区、活性区（传质区）和新鲜树脂区。随着交换进行，传质区不断下移直至随着交换进行，传质区不断下移直至底部交换完全。整个过程只有底部交换完全。整个过程只有传质区处于传质区处于工作状态工作状态，饱和区和新鲜树脂区闲置饱和区和新鲜树脂区闲置，因，因此树脂利用率低。此树脂利用率低。第四十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 为了提高树脂利用率，我们把传质为了提高树脂利用率，我们把传质区进行区进行抽象分割成几个小单元抽象分割成几个小单元，一旦上面，一旦上面的小单元饱和后就移出来进行洗水及再生的小单元饱和后就移出来进行洗水及再生操作，处理用的操作，处理用的新鲜树脂单元新鲜树脂单元又回到传质又回到传质区底部区底部循环使用循环使用，这样大大提高树脂的利，这样大大提高树脂的利用率。用率。第四十六张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 为了能够实现树脂单元自动高效的运作，为了能够实现树脂单元自动高效的运作，我们采用了全新的系统设计理念，把我们采用了全新的系统设计理念，把树脂柱树脂柱小单元放到一个转盘小单元放到一个转盘上，通过上，通过转盘转盘的转动来实的转动来实现现切换切换。第四十七张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 当物料通过一个当物料通过一个自动旋转分配法自动旋转分配法控制，控制，把树脂柱分成把树脂柱分成交换、水洗、再生、漂洗等功交换、水洗、再生、漂洗等功能区域能区域，当树脂单元到达，当树脂单元到达指定区域指定区域就就执行执行相相应的工艺过程，这样可以实现每个过程独立进应的工艺过程，这样可以实现每个过程独立进行，而整体工艺成连续运行行，而整体工艺成连续运行。第四十八张，PPT共七十八页，创作于2022年6月功能糖的简要介绍功能糖的简要介绍定义定义 功能糖其实是功能糖其实是指指功能性低聚糖功能性低聚糖、功功能性膳食纤维能性膳食纤维、功能功能性糖醇性糖醇等几种具有等几种具有特殊生理功效特殊生理功效的物的物质的统称。质的统称。第四节第四节 连续离子交换在功能糖生产中的应用连续离子交换在功能糖生产中的应用第四十九张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 这其中，功能性低聚糖是指对人这其中，功能性低聚糖是指对人体健康具有一定改善效果的功能性糖体健康具有一定改善效果的功能性糖类，多是由类，多是由210个单糖通过糖苷键个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的连接形成直链或支链的低度聚合糖低度聚合糖。并不是所有的低聚糖都成为功能糖，并不是所有的低聚糖都成为功能糖，只有在人体肠胃道内只有在人体肠胃道内不被消化吸收不被消化吸收而直而直接进入大肠内为双歧杆菌所利用低聚接进入大肠内为双歧杆菌所利用低聚糖才称为功能糖。糖才称为功能糖。第五十张，PPT共七十八页，创作于2022年6月功能糖制法功能糖制法 功能糖多是由玉米芯、蔗渣、麦功能糖多是由玉米芯、蔗渣、麦秆等富含半纤维素的物质经秆等富含半纤维素的物质经过酸法、酸过酸法、酸酶法或酶法酶法或酶法制取的糖，如低聚木糖；制取的糖，如低聚木糖；或是由一些淀粉糖类经过酸法、酸酶或是由一些淀粉糖类经过酸法、酸酶法或酶法制取的糖，如低聚异麦芽糖。法或酶法制取的糖，如低聚异麦芽糖。第五十一张，PPT共七十八页，创作于2022年6月功能糖功能简介功能糖功能简介1、改善肠道菌群的功能、改善肠道菌群的功能2、润肠通便润肠通便3、增强免疫力、增强免疫力4、促进矿物质的吸收、促进矿物质的吸收5、抗龋齿、抗龋齿6、降血脂、降血脂第五十二张，PPT共七十八页，创作于2022年6月工艺过程工艺过程传统的固定床离子交换设备传统的固定床离子交换设备 在功能糖生产工艺过程中的在功能糖生产工艺过程中的精制工序精制工序中需中需要要去除去除产品中的产品中的无机盐无机盐和和有机杂质有机杂质。粗糖液粗糖液经过经过阳离子交换柱、阴离子交换柱阳离子交换柱、阴离子交换柱和混合离子交换柱和混合离子交换柱,得到精制物料。采取的设备得到精制物料。采取的设备为两套并联的方式为两套并联的方式,一套正常运行一套正常运行,一套进行树脂一套进行树脂再生再生,交替进行交替进行,两套共两套共6台设备台设备,规格都比较大。规格都比较大。第五十三张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 用这种用这种间歇式离子交换技术进行物间歇式离子交换技术进行物料的精制料的精制，存在存在操作繁琐，树脂再生时操作繁琐，树脂再生时间难以控制，树脂再生所需酸碱及冲洗间难以控制，树脂再生所需酸碱及冲洗水用量都很大，水压不易控制，产生的水用量都很大，水压不易控制，产生的废液量大，树脂易流失以及物料品质不废液量大，树脂易流失以及物料品质不稳定稳定等缺点等缺点。第五十四张，PPT共七十八页，创作于2022年6月连续离子交换设备的应用连续离子交换设备的应用 为了为了脱除功能糖脱除功能糖生产过程中粗糖液中生产过程中粗糖液中的的阴阳杂质离子阴阳杂质离子，在离交生产工艺中设计，在离交生产工艺中设计采用了采用了两台两台ISEP 装置，装置，串联串联操作，一台操作，一台树脂装阳离子交换树脂，另一台树脂柱树脂装阳离子交换树脂，另一台树脂柱装阴离子交换树脂。流程如下装阴离子交换树脂。流程如下:第五十五张，PPT共七十八页，创作于2022年6月 (1)料液料液由泵打入由泵打入阳柱阳柱，再再经过经过阴柱阴柱，从，从阴柱出来的物料经段间加压泵加压后，阴柱出来的物料经段间加压泵加压后，再进入再进入阳柱阳柱，物料，物料完成精制完成精制过程，进入贮槽过程，进入贮槽;(2)将需进行再生的树脂柱中的将需进行再生的树脂柱中的糖液顶出糖液顶出，置换出来的糖液进入给料管置换出来的糖液进入给料管;(3)用用稀酸液再生阳树脂稀酸液再生阳树脂，用，用稀碱液再生稀碱液再生阴树脂阴树脂;(4)用水彻底清洗用水彻底清洗树脂中残留的酸和碱树脂中残留的酸和碱;(5)再生废液