离子交换在食品以及有关工业应用.ppt

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1、关于离子交换在食品及有关工业的应用第一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月离子交换技术的发展离子交换技术的发展1814年，英国人开始认识了交换现象年，英国人开始认识了交换现象利利用用离离子子交交换换技技术术法法软软化化水水始始于于20世世纪纪初初期期在在30年年代代，由由于于离离子子交交换换树树脂脂的的出出现现，离离子子交交换换技技术术的的应应用用迅迅速速发发展展，广广泛泛应应用用于于化工、医药、食品等领域化工、医药、食品等领域第二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月离子交换在食品及有关工业的应用离子交换在食品及有关工业的应用制糖工业：采用阳离子交换树脂。如制糖工业：采用阳离子交换

2、树脂。如Na型阳离子交换剂型阳离子交换剂进行糖汁一级提纯的方法。进行糖汁一级提纯的方法。水解工业：对木材和各种农业废物水解时所得糖溶水解工业：对木材和各种农业废物水解时所得糖溶液进行净化。液进行净化。酵母工业：废蜜的提纯酵母工业：废蜜的提纯水处理：水的软化、水的软化和部分脱盐、水的水处理：水的软化、水的软化和部分脱盐、水的脱盐。脱盐。制药工业的应用制药工业的应用废水处理废水处理其他：碘的提取、电解质和非电解质的分离其他：碘的提取、电解质和非电解质的分离第三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月一、离子交换的基本概念一、离子交换的基本概念 定义：利用定义：利用离子交换剂离子交换剂能吸附溶液中

3、一种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离子同时放出另一种相同电荷的离子的特点，使这种点，使这种交换剂和溶液交换剂和溶液之间进行的之间进行的同号同号离子离子相互相互交换交换现象叫离子交换。现象叫离子交换。第四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月二、离子交换树脂(一一)离子交换剂的基本概况离子交换剂的基本概况1 1定义：凡具有离子交换能力的物质，统称定义：凡具有离子交换能力的物质，统称为离子交换剂。为离子交换剂。一种多孔状的固体，不溶一种多孔状的固体，不溶于水，也不溶于电解质溶液，但能从溶液于水，也不溶于电解质溶液，但能从溶液中吸取离子而进行离子交换。中吸取离子而进行离子交

4、换。第五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2 2、离子交换剂的构成、离子交换剂的构成离子交换剂是由固定的离子交换剂是由固定的”骨架骨架”本体本体成分成分和可交换的离子基团构成。和可交换的离子基团构成。第六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3、分分类类：按按“骨骨架架”成成分分分分：可可分分为为无无机和有机两大类。机和有机两大类。第七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月有机合成离子交换树脂根据树脂所含有的活有机合成离子交换树脂根据树脂所含有的活性基团的不同，树脂的分类如下性基团的不同，树脂的分类如下：第八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(1)、阳离子交换树脂cat

5、ion-exchange resin 阳离子交换树脂：合成树脂的本体上带有阳离子交换树脂：合成树脂的本体上带有酸性活性基团，可以被阳离子所交换的树酸性活性基团，可以被阳离子所交换的树脂。脂。不能交换的离子称固定离子，可交换的离不能交换的离子称固定离子，可交换的离子称平衡离子。子称平衡离子。磺酸型离子交换树脂所含有的活性基团磺磺酸型离子交换树脂所含有的活性基团磺酸基酸基(一一SO3H)中，含有一个可被交换的中，含有一个可被交换的阳离子阳离子H+和一个不能交换的阴离子和一个不能交换的阴离子S03-第九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月能交换阳离子的活性基团，除磺酸基以外，能交换阳离子的活性

6、基团，除磺酸基以外，还有次甲基磺酸基还有次甲基磺酸基(一一CH2SO3H)、磷酸基、磷酸基(一一PO3H2).羧基羧基(一一COOH)、酚基、酚基(一一0H)。酸性强弱由活性基团决定，根据活性基团酸性强弱由活性基团决定，根据活性基团酸性强弱的不同，顺序如下：酸性强弱的不同，顺序如下：第十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月强酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂：磺酸基磺酸基(一一SO3H)弱弱酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂：羧羧基基(一一COOH)、酚基酚基(一一OH)。第十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(2)、阴离子交换树脂anion exchange resin

7、 阴离子交换树脂：本体上带有碱性活性基阴离子交换树脂：本体上带有碱性活性基团，可以被阴离子所交换的树脂。团，可以被阴离子所交换的树脂。其活性基团，都含有一个可以交换的阴离其活性基团，都含有一个可以交换的阴离子和一个不能交换的阳离子。子和一个不能交换的阳离子。第十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月强碱性阴离子交换树脂：季胺基（聚苯乙强碱性阴离子交换树脂：季胺基（聚苯乙烯型季胺基强碱性阴离子交换树脂）烯型季胺基强碱性阴离子交换树脂）弱弱碱碱性性阴阴离离子子交交换换树树脂脂：伯伯胺胺基基(一一NH2)仲仲胺胺基基(一一NH(CH3)及及叔叔胺胺基基(一一N(CH3)2的树脂。的树脂。第十三

8、张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(3).特殊的离子交换树脂 螯合树脂：氨基二乙酸基的树脂对螯合树脂：氨基二乙酸基的树脂对Cu2+、Co2+、Ni2+有很高的选择性有很高的选择性大孔径离子交换吸附树脂：大孔径离子交换吸附树脂：合成过程中加入了一定合成过程中加入了一定量的致孔剂，如汽油或苯等，待聚合完毕后，再将量的致孔剂，如汽油或苯等，待聚合完毕后，再将这些惰性溶剂从聚合物中赶走，由此而形成海绵状这些惰性溶剂从聚合物中赶走，由此而形成海绵状的高强度大孔径树脂。的高强度大孔径树脂。树脂在极性和非极性溶剂中溶胀程度的差异较树脂在极性和非极性溶剂中溶胀程度的差异较一般树脂小，对氧化剂的稳定性好

9、，对大离子一般树脂小，对氧化剂的稳定性好，对大离子的交换较快。因此，可以在非水溶液和混合介的交换较快。因此，可以在非水溶液和混合介质中进行离子交换，可用于交换相对分子质量质中进行离子交换，可用于交换相对分子质量高的离子。高的离子。第十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月萃淋树脂萃淋树脂(Levextrelresin)它是将液体萃取它是将液体萃取剂加入到苯乙烯和二乙烯苯单体混合物中，剂加入到苯乙烯和二乙烯苯单体混合物中，用特殊的悬浮聚合法制成。用特殊的悬浮聚合法制成。第十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月型号为了区别离子交换树脂同

10、一类型的不同品种，有三型号为了区别离子交换树脂同一类型的不同品种，有三位阿拉伯数字表示，第一位：代表产品分类；第二位：位阿拉伯数字表示，第一位：代表产品分类；第二位：代表骨架的差异；第三位：为顺序号，用以区别基团。代表骨架的差异；第三位：为顺序号，用以区别基团。第十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月第十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(二二)离子交换树脂的基本性能离子交换树脂的基本性能含水量和密度含水量和密度粒度粒度交联度交联度溶胀变化溶胀变化 交换容量交换容量 选择性选择性 第十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月1含水量和密度含水量和密度商品离子交换树脂具有亲

11、水性，常含有一定的结合水分。商品离子交换树脂具有亲水性，常含有一定的结合水分。结合水的含量与其官能基的性质及交联度有关，并随着结合水的含量与其官能基的性质及交联度有关，并随着空气湿度变化而改变。空气湿度变化而改变。第二十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月测定树脂含水分的方法可用烘干法，或用测定树脂含水分的方法可用烘干法，或用KarlFisher试剂滴定法。试剂滴定法。树脂的湿真密度，是指树脂在水中充分膨树脂的湿真密度，是指树脂在水中充分膨胀后，树脂颗粒本身的密度胀后，树脂颗粒本身的密度(g/cm3)，一般，一般在在1.041.3g/cm3左右。左右。第二十一张，PPT共四十七页，创作于

12、2022年6月2 2、粒度、粒度 树脂的粒度关系到离子交换速度、树脂床树脂的粒度关系到离子交换速度、树脂床中液流分布均匀性和液流压强降，以及反中液流分布均匀性和液流压强降，以及反洗时树脂流失等洗时树脂流失等。通常树脂床使用的树脂，通常树脂床使用的树脂，其颗粒粒径约其颗粒粒径约0.31.2mm。特殊用途的细。特殊用途的细磨树脂，其半径可小至磨树脂，其半径可小至0.04mm粒度的方法有两种粒度的方法有两种：以颗粒半径表示以颗粒半径表示以筛子以筛子(目数目数)表示。标准筛又有两种即：美国表示。标准筛又有两种即：美国筛和英国标准筛（筛和英国标准筛（BSS)BSS)。第二十二张，PPT共四十七页，创作于

13、2022年6月第二十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3、交联度 将树脂的骨架用交联法形成一个巨大且可与热固性塑料将树脂的骨架用交联法形成一个巨大且可与热固性塑料相比拟的分子网。这种交联的程度称为交联度。相比拟的分子网。这种交联的程度称为交联度。树脂的交联度是按合成时所用单体中含有交联剂的质量树脂的交联度是按合成时所用单体中含有交联剂的质量分数来表示的。分数来表示的。例如，聚苯乙烯树脂的交联度为例如，聚苯乙烯树脂的交联度为8%DVB，它的意义是这，它的意义是这种树脂合成时单体中苯乙烯占种树脂合成时单体中苯乙烯占92%，二乙烯苯占，二乙烯苯占8%。离子交换树脂的交联度与其许多性质离子交

14、换树脂的交联度与其许多性质(溶解度、交溶解度、交换容量、膨胀性、选择性、含水量，稳定性等换容量、膨胀性、选择性、含水量，稳定性等)都都有关系。有关系。第二十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月交联度大的树脂特点空隙率小，相对密度大，含水率高空隙率小，相对密度大，含水率高交交联联网网孔孔直直径径小小，因因而而离离子子交交换换选选择择性性大大，但交换速度变慢但交换速度变慢导入活性基团较困难，故交换容量较小导入活性基团较困难，故交换容量较小树脂机械强度较大树脂机械强度较大稳定性好稳定性好第二十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4、溶胀变化干的离子交换树脂浸入纯水后，水即扩散干的离子

15、交换树脂浸入纯水后，水即扩散入树脂交联网孔内。此时，树脂交换基团入树脂交联网孔内。此时，树脂交换基团在水中即发生解离，并形成水合离子，从在水中即发生解离，并形成水合离子，从而使树脂交联网孔增大，发生膨胀，称为而使树脂交联网孔增大，发生膨胀，称为树脂膨胀。树脂膨胀。溶胀变化通常按干树脂所吸取的水的百分溶胀变化通常按干树脂所吸取的水的百分率来表示，或称溶胀率率来表示，或称溶胀率第二十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月树脂溶胀影响因素所接触的介质所接触的介质(空气、水、溶剂空气、水、溶剂)树脂本身的结构特征树脂本身的结构特征电荷密度电荷密度(离子时的性质和浓度离子时的性质和浓度)反离子的种

16、类反离子的种类第二十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月5、交换容量交交换换容容量量是是说说明明树树脂脂的的交交换换能能力力，通通常常按按每每克克干干树树脂脂所所能能交交换换的的离离子子的的毫毫摩摩尔尔来来表表示示.在在工工业业上上，常常按按单单位位体体积积树树脂脂所所能能交交换换的的物质的量物质的量(摩尔摩尔)表示。表示。第二十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月交换容量的表示法 全全交交换换容容量量它它是是指指树树脂脂活活性性基基团团中中所所有有可可交交换换离离子子全全部部被被交交换换的的交交换换容容量量，其其单单位位常常用用mol/kg或或mol/m3表示。表示。工工作作

17、交交换换容容量量它它是是指指动动态态工工作作状状态态下下的的交交换换容容量量，其其影影响响因因素素主主要要是是:进进液液的的离离子子浓浓度度、交交换换操操作作的的控控制制指指标标、树树脂脂层层的的高高度度、交交换换速速度度、树树脂脂粒粒度度以以及及活活性性基基团团的的形形式式等等。工工作作交交换换容容量量的的单单位位常常用用mmol/cm3表示。表示。有有效效交交换换容容量量它它为为工工作作交交换换容容量量减减去去因因正正洗洗损损失失的的交换容量。单位常用交换容量。单位常用mmol/cm3表示。表示。第二十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月6、选择性 选择性是指离子交换剂对不同离子的

18、亲和选择性是指离子交换剂对不同离子的亲和力。力。在低浓度的水溶液中和室温条件下，多价在低浓度的水溶液中和室温条件下，多价离子比单价离子优先交换。等价离子的选离子比单价离子优先交换。等价离子的选择性随着原子序数的增加而增加择性随着原子序数的增加而增加在高浓度溶液中，多价离子的选择性随着在高浓度溶液中，多价离子的选择性随着浓度的提高而减小浓度的提高而减小 第三十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月三、离子交换的基本原理三、离子交换的基本原理1 1、作用实质上是一种溶液中的电解质和、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不溶性电解质的固、液两相接触时所进行的复分解

19、反应。的复分解反应。离子交换反应是可逆的，逆反应称之为再离子交换反应是可逆的，逆反应称之为再生。因此，离子交换剂经再生后可反复使生。因此，离子交换剂经再生后可反复使用。用。第三十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例如以泡沸石软化水，泡沸石可以用例如以泡沸石软化水，泡沸石可以用Na2R来表示，其中来表示，其中R表示极大的阴离子部分，表示极大的阴离子部分，而而Na+则是可被置换的离子。则是可被置换的离子。泡沸石中的泡沸石中的Na+和水中的和水中的Ca2+起了交换反起了交换反应，水中的应，水中的Ca2+被离子交换剂吸附而水被被离子交换剂吸附而水被软化。软化。第三十二张，PPT共四十七页，创

20、作于2022年6月2、唐南理论(Donnan Theory)认为离子交换树脂是一种具有弹性的凝胶，认为离子交换树脂是一种具有弹性的凝胶，因吸收水分而溶胀。溶胀后的离子交换树因吸收水分而溶胀。溶胀后的离子交换树脂内部看作是一滴浓的电解质溶液，树脂脂内部看作是一滴浓的电解质溶液，树脂颗粒和外部溶液的界面看作是一种半透膜。颗粒和外部溶液的界面看作是一种半透膜。树脂内部活性基团上电离出来的平衡离子树脂内部活性基团上电离出来的平衡离子和外部溶液中带同种电荷的离子可以通过和外部溶液中带同种电荷的离子可以通过半透膜往来扩散进行交换，树脂骨架上的半透膜往来扩散进行交换，树脂骨架上的固定离子是不能扩散的。固定离

21、子是不能扩散的。第三十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月对对于于阳阳离离子子交交换换树树脂脂，它它的的平平衡衡离离子子是是阳阳离离子子，因因而而可可以以和和外外部部溶溶液液中中的的阳阳离离子子进进行行交交换换，它它的的固固定定离离子子是是带带负负电电荷荷的的阴阴离离子子。由由于于阳阳离离子子交交换换树树脂脂内内部部存存在在着着众众多多的的带带负负电电荷荷的的固固定定离离子子，它它们们所所产产生生的的排排斥斥力力使使溶溶液液中中的的阴阴离离子子不不能能进进入入树树脂脂颗颗粒粒内部进行交换。这种现象称为唐南排斥。内部进行交换。这种现象称为唐南排斥。这这就就是是阳阳离离子子交交换换树树脂脂

22、能能交交换换阳阳离离子子，不不能交换阴离子的原因。能交换阴离子的原因。第三十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3、离子交换动力学 离子交换过程包括下面离子交换过程包括下面5个步骤个步骤:交交换换离离子子从从溶溶液液主主体体中中扩扩散散到到树树脂脂颗颗粒粒与与溶溶液的界面上液的界面上交换离子在树脂颗粒内部交换网孔中的扩散交换离子在树脂颗粒内部交换网孔中的扩散交换离子与树脂基团上离子进行交换反应交换离子与树脂基团上离子进行交换反应被被交交换换下下来来的的离离子子，在在树树脂脂交交联联网网内内向向界界面面扩散扩散被交换下来的离子从界面向溶液主体扩散被交换下来的离子从界面向溶液主体扩散因因此

23、此，交交换换过过程程包包括括：交交换换反反应应和和一一系系列列扩散过程。扩散过程。第三十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月5、离子交换速率 外部扩散速率 内部扩散速率离子交换过程 的总传质系数第三十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月6、影响离子交换速率的因素 考虑流体力学条件的影响考虑流体力学条件的影响树脂直径也影响交换的机理树脂直径也影响交换的机理树树脂脂粒粒度度一一定定，增增加加溶溶液液中中交交换换离离子子的的浓浓度度，将将会会增增加加外外部部扩扩散散速速率率，但但对对内内部部速速率则几乎无影响。率则几乎无影响。另另外外，树树脂脂的的结结构构和和化化学学性性质质以以及及

24、交交换换离离子的价数等也是影响离子交换速率的因素子的价数等也是影响离子交换速率的因素第三十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月四、离子交换的操作过程、装置及其设计原四、离子交换的操作过程、装置及其设计原理理(一一)离子交换的操作过程离子交换的操作过程大致可分为大致可分为4个阶段，即交换、反洗、再个阶段，即交换、反洗、再生、正洗。生、正洗。第三十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月交换柱内的再生交换柱内的再生反洗的目的反洗的目的松动压紧的树脂床层，使床层膨胀松动压紧的树脂床层，使床层膨胀清除截留在树脂层内的悬浮物和有机杂质清除截留在树脂层内的悬浮物和有机杂质冲洗细小的树脂碎粉冲洗

25、细小的树脂碎粉再生的目的：使交换终了失效的树脂上已再生的目的：使交换终了失效的树脂上已吸附的离子除去，并代之以新的被交换离吸附的离子除去，并代之以新的被交换离子，从而达到反复使用的目的。子，从而达到反复使用的目的。第三十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(二二)装置分类：装置分类：可粗分为间歇式、固定床、连续式移动床可粗分为间歇式、固定床、连续式移动床及连续式流动床离子交换设备。及连续式流动床离子交换设备。第四十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月1、间歇式离子交换是是指指把把离离子子交交换换剂剂与与被被处处理理的的溶溶液液混混合合，加加以以适适当当搅搅拌拌，使使之之达达到到适

26、适当当交交换换平平衡衡，然然后后滤滤出出溶溶液液使使之之分分离离的的一一种种操操作作方方式式。通常用于实验室或小型工业生产。通常用于实验室或小型工业生产。最简单的装置就是采用一个具有搅拌器的最简单的装置就是采用一个具有搅拌器的罐。罐。第四十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2 2、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固定态，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换柱。被处理的溶液在动态下流过交换柱。固定床的优点：设备简单，操作方便，适固定床的优点：设备简单，操作方便，适用于各种规模的生产；用于各种规模的生产；固定床的缺点是离子交换剂

27、的利用率低，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，压强降增大也再生费用大；滤速增高时，压强降增大也快。快。第四十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月柱式固定床剖视图 结构特点：结构特点：有一个合适的离子有一个合适的离子交换树脂床支撑体；交换树脂床支撑体；有一个分布器，使有一个分布器，使进料能均匀分布流过进料能均匀分布流过树脂床；树脂床；有反洗控制装置，有反洗控制装置，要使反洗压力分布均要使反洗压力分布均匀。匀。第四十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3、连续式离子交换、连续式离子交换原理：离子交换和再生的过程在单元装置原理：离子交换和再生的过程在单元装置

28、的不同部位同时进行。真正的连续过程应的不同部位同时进行。真正的连续过程应是从交换柱出来的已饱和树脂被连续地转是从交换柱出来的已饱和树脂被连续地转移并与新鲜再生剂接触，经过再生和清洗移并与新鲜再生剂接触，经过再生和清洗的树脂在循环回到交换柱使用。的树脂在循环回到交换柱使用。第四十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月(三三)设计主要解决下面几个问题设计主要解决下面几个问题:选择离子交换剂的类型和操作方式选择离子交换剂的类型和操作方式确定操作条件和计算离子交换剂的用量确定操作条件和计算离子交换剂的用量确定离子交换单元设备的尺寸确定离子交换单元设备的尺寸考虑各种附属装置考虑各种附属装置第四十五

29、张，PPT共四十七页，创作于2022年6月复习题什么是离子交换？离子交换剂能吸附溶液中一种离什么是离子交换？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，这种交换剂合子同时放出另一种相同电荷的离子，这种交换剂合溶液之间进行的同号离子相互交换现象溶液之间进行的同号离子相互交换现象离子交换的操作过程大致可分为离子交换的操作过程大致可分为4个阶段，即个阶段，即交换交换、反、反洗、再生、洗、再生、正洗正洗。其中反洗和再生的目的是什么。其中反洗和再生的目的是什么？阳离子交换树脂只能交换阳离子交换树脂只能交换阳离子阳离子，不能交换，不能交换阴离阴离子子。反映离子交换树脂的基本性能的有：含水量和密度、反映离子交换树脂的基本性能的有：含水量和密度、粒度、交联度、溶胀变化、交换容量、选择性粒度、交联度、溶胀变化、交换容量、选择性 。第四十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月感谢大家观看第四十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月