佰源解答離子交換設(shè)備  公司電話  網(wǎng)站https://www.bayuan-water.com

利用離子交換技術(shù)法軟化水始于20世紀(jì)初期

¨在30年代，由于離子交換樹(shù)脂的出現(xiàn)，離子交換技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域

¨1814年，英國(guó)人開(kāi)始認(rèn)識(shí)了交換現(xiàn)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(shí)放出另一種相同電荷的離子的特點(diǎn)，使這種交換劑和溶液之間進(jìn)行的同號(hào)離子相互交換現(xiàn)象叫離子交換。

二、離子交換樹(shù)脂 

¨1定義：凡具有離子交換能力的物質(zhì)，統(tǒng)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(zhì)溶液，但能從溶液中吸取離子而進(jìn)行離子交換。

¨(一)離子交換劑的基本概況

2、離子交換劑的構(gòu)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(tuán)構(gòu)成。

?3、分類：

①按“骨架”成分分：可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類。

有機(jī)合成離子交換樹(shù)脂根據(jù)樹(shù)脂所含有的活性基團(tuán)的不同，樹(shù)脂的分類如下 ：

(1)、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂
cation-exchange resin

¨陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：合成樹(shù)脂的本體上帶有酸性活性基團(tuán)，可以被陽(yáng)離子所交換的樹(shù)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(shù)脂所含有的活性基團(tuán)磺酸基 (-SO₃H)中，含有一個(gè)可被交換的陽(yáng)離子H⁺和一個(gè)不能交換的陰離子S0₃ ^-

¨能交換陽(yáng)離子的活性基團(tuán)，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(qiáng)弱由活性基團(tuán)決定，根據(jù)活性基團(tuán)酸性強(qiáng)弱的不同，順序如下：

?強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂：磺酸基 (-SO₃H)

?弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 ：羧基(-COOH)、酚基(一OH) 。

(2)、陰離子交換樹(shù)脂
anion exchange resin

離子交換技術(shù)的發(fā)展

¨陰離子交換樹(shù)脂：本體上帶有堿性活性基團(tuán)，可以被陰離子所交換的樹(shù)脂。

¨其活性基團(tuán)，都含有一個(gè)可以交換的陰離子和一個(gè)不能交換的陽(yáng)離子。

?強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂：季胺基（聚苯乙烯型季胺基強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂）

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

(3).特殊的離子交換樹(shù)脂 

?螯合樹(shù)脂：氨基二乙酸基的樹(shù)脂對(duì)Cu²⁺、Co²⁺、

Ni²⁺有很高的選擇性

?大孔徑離子交換吸附樹(shù)脂：合成過(guò)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(qiáng)度大孔徑樹(shù)脂。

?樹(shù)脂在極性和非極性溶劑中溶脹程度的差異

較一般樹(shù)脂小，對(duì)氧化劑的穩(wěn)定性好，對(duì)大離子的交換較快。因此，可以在非水溶液和混合介質(zhì)中進(jìn)行離子交換，可用于交換相對(duì)分子質(zhì)量高的離子。

¨萃淋樹(shù)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(hào)為了區(qū)別離子交換樹(shù)脂同一類型的不同品種，有三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，位：代表產(chǎn)品分類；第二位：代表骨架的差異；第三位：為順序號(hào)，用以區(qū)別基團(tuán)。

(二)離子交換樹(shù)脂的基本性能

¨含水量和密度

¨粒度

¨交聯(lián)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(shù)脂具有親水性，常含有一定的結(jié)合水分。結(jié)合水的含量與其官能基的性質(zhì)及交聯(lián)度有關(guān)，并隨著空氣濕度變化而改變。

¨測(cè)定樹(shù)脂含水分的方法可用烘干法，或用Karl Fisher試劑滴定法。

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

2、粒度 

? 樹(shù)脂的粒度關(guān)系到離子交換速度、樹(shù)脂床中液流分布均勻性和液流壓強(qiáng)降，以及反洗時(shí)樹(shù)脂流失等 。通常樹(shù)脂床使用的樹(shù)脂，其顆粒粒徑約0.3～1.2mm。特殊用途的細(xì)磨樹(shù)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(shù))表示。標(biāo)準(zhǔn)篩又有兩種即：美國(guó)篩和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩（BSS) 。

3、交聯(lián)度 

?將樹(shù)脂的骨架用交聯(lián)法形成一個(gè)巨大且可與熱固性塑料相比擬的分子網(wǎng)。這種交聯(lián)的程度稱為交聯(lián)度。

?樹(shù)脂的交聯(lián)度是按合成時(shí)所用單體中含有交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示的。

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

?離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度與其許多性質(zhì) (溶解度、交換容量、膨脹性、選擇性、含水量，穩(wěn)定性等)都有關(guān)系。

交聯(lián)度大的樹(shù)脂特點(diǎn)

¨空隙率小，相對(duì)密度大，含水率高

¨交聯(lián)網(wǎng)孔直徑小，因而離子交換選擇性大，但交換速度變慢

¨導(dǎo)入活性基團(tuán)較困難，故交換容量較小

¨樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度較大

¨ 穩(wěn)定性好

4、溶脹變化

¨干的離子交換樹(shù)脂浸入純水后，水即擴(kuò)散入樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi)。此時(shí)，樹(shù)脂交換基團(tuán)在水中即發(fā)生解離，并形成水合離子，從而使樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)孔增大，發(fā)生膨脹，稱為樹(shù)脂膨脹。

¨溶脹變化通常按干樹(shù)脂所吸取的水的百分率來(lái)表示，或稱溶脹率

樹(shù)脂溶脹影響因素

¨所接觸的介質(zhì) (空氣、水、溶劑)

¨樹(shù)脂本身的結(jié)構(gòu)特征

¨電荷密度 (離子時(shí)的性質(zhì)和濃度)

¨反離子的種類

5、交換容量

¨交換容量是說(shuō)明樹(shù)脂的交換能力，通常按每克干樹(shù)脂所能交換的離子的毫摩爾來(lái)表示.

¨在工業(yè)上，常按單位體積樹(shù)脂所能交換的物質(zhì)的量 (摩爾)表示。

交換容量的表示法 

¨全交換容量  它是指樹(shù)脂活性基團(tuán)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(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的交換容量，其影響因素主要是:進(jìn)液的離子濃度、交換操作的控制指標(biāo)、樹(shù)脂層的高度、交換速度、樹(shù)脂粒度以及活性基團(tuán)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(duì)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(jià)離子比單價(jià)離子優(yōu)先交換。等價(jià)離子的選擇性隨著原子序數(shù)的增加而增加

¨在高濃度溶液中，多價(jià)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(shí)質(zhì)上是一種溶液中的電解質(zhì)和不溶性電解質(zhì)的固、液兩相接觸時(shí)所進(jìn)行的復(fù)分解反應(yīng)。

¨離子交換反應(yīng)是可逆的，逆反應(yīng)稱之為再生。因此，離子交換劑經(jīng)再生后可反復(fù)使用。

¨例如以泡沸石軟化水，泡沸石可以用Na₂R來(lái)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(yīng)，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(rèn)為離子交換樹(shù)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(shù)脂內(nèi)部看作是一滴濃的電解質(zhì)溶液，樹(shù)脂顆粒和外部溶液的界面看作是一種半透膜。

¨樹(shù)脂內(nèi)部活性基團(tuán)上電離出來(lái)的平衡離子和外部溶液中帶同種電荷的離子可以通過(guò)半透膜往來(lái)擴(kuò)散進(jìn)行交換，樹(shù)脂骨架上的固定離子是不能擴(kuò)散的。

¨對(duì)于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，它的平衡離子是陽(yáng)離子，因而可以和外部溶液中的陽(yáng)離子進(jìn)行交換，它的固定離子是帶負(fù)電荷的陰離子。由于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂內(nèi)部存在著眾多的帶負(fù)電荷的固定離子，它們所產(chǎn)生的排斥力使溶液中的陰離子不能進(jìn)入樹(shù)脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行交換。這種現(xiàn)象稱為唐南排斥。

¨這就是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂能交換陽(yáng)離子，不能交換陰離子的原因。

3、離子交換動(dòng)力學(xué) 

¨離子交換過(guò)程包括下面5個(gè)步驟:

?交換離子從溶液主體中擴(kuò)散到樹(shù)脂顆粒與溶液的界面上

?交換離子在樹(shù)脂顆粒內(nèi)部交換網(wǎng)孔中的擴(kuò)散

?交換離子與樹(shù)脂基團(tuán)上離子進(jìn)行交換反應(yīng)

?被交換下來(lái)的離子，在樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)向界面擴(kuò)散

?被交換下來(lái)的離子從界面向溶液主體擴(kuò)散    

?因此，交換過(guò)程包括：交換反應(yīng)和一系列擴(kuò)散過(guò)程。

5、離子交換速率 

¨外部擴(kuò)散速率

¨內(nèi)部擴(kuò)散速率

¨離子交換過(guò)程

  的總傳質(zhì)系數(shù)

6、影響離子交換速率的因素 

¨考慮流體力學(xué)條件的影響

¨樹(shù)脂直徑也影響交換的機(jī)理

¨樹(shù)脂粒度一定，增加溶液中交換離子的濃度，將會(huì)增加外部擴(kuò)散速率，但對(duì)內(nèi)部速率則幾乎無(wú)影響。

¨另外，樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)以及交換離子的價(jià)數(shù)等也是影響離子交換速率的因素

四、離子交換的操作過(guò)程、裝置及其設(shè)計(jì)原理 

¨(一)離子交換的操作過(guò)程

¨大致可分為4個(gè)階段，即交換、反洗、再生、正洗。

交換柱內(nèi)的再生

¨反洗的目的

?松動(dòng)壓緊的樹(shù)脂床層，，使床層膨脹

?清除截留在樹(shù)脂層內(nèi)的懸浮物和有機(jī)雜質(zhì)

?沖洗細(xì)小的樹(shù)脂碎粉

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

¨(二)裝置分類：

¨可粗分為間歇式、固定床、連續(xù)式移動(dòng)床及連續(xù)式流動(dòng)床離子交換設(shè)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(dāng)攪拌，使之達(dá)到適當(dāng)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(shí)驗(yàn)室或小型工業(yè)生產(chǎn)。

¨簡(jiǎn)單的裝置就是采用一個(gè)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(nèi)處于固定態(tài)，被處理的溶液在動(dòng)態(tài)下流過(guò)交換柱。

¨固定床的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適用于各種規(guī)模的生產(chǎn)；

¨固定床的缺點(diǎn)是離子交換劑的利用率低，再生費(fèi)用大；濾速增高時(shí)，壓強(qiáng)降增大也快。

柱式固定床剖視圖 

¨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

¨①有一個(gè)合適的離子交換樹(shù)脂床支撐體；

¨②有一個(gè)分布器，使進(jìn)料能均勻分布流過(guò)樹(shù)脂床；

¨③有反洗控制裝置，要使反洗壓力分布均勻。

3、連續(xù)式離子交換

¨原理：離子交換和再生的過(guò)程在單元裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行。真正的連續(xù)過(guò)程應(yīng)是從交換柱出來(lái)的已飽和樹(shù)脂被連續(xù)地轉(zhuǎn)移并與新鮮再生劑接觸，經(jīng)過(guò)再生和清洗的樹(shù)脂在循環(huán)回到交換柱使用。

¨(三)設(shè)計(jì)主要解決下面幾個(gè)問(wèn)題:

?選擇離子交換劑的類型和操作方式

?確定操作條件和計(jì)算離子交換劑的用量

?確定離子交換單元設(shè)備的尺寸

?考慮各種附屬裝置

吸附過(guò)程原理與設(shè)備

¨吸附是利用適當(dāng)?shù)奈絼?，在一定的操作條件下，使有用目標(biāo)產(chǎn)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(dāng)?shù)南疵摍C(jī)          將吸附的物質(zhì)從吸附劑上解吸下來(lái)，從而達(dá)到濃縮和提純的作用。

層析原理與設(shè)備

¨特點(diǎn)：

              純化倍數(shù)高

              操作規(guī)模小，放大困難

              終產(chǎn)品純化

              適用于價(jià)格昂貴的產(chǎn)品

分類

¨按溶質(zhì)分子與固定相相互作用機(jī)理：

               吸附層析

               分配層析

               凝膠過(guò)濾

分類

¨根據(jù)固定相形狀分類：

                柱層析

                紙層析

                薄層層析

¨根據(jù)流動(dòng)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(shù)

¨解離常數(shù)

¨分離因素

¨阻滯因子

層析介質(zhì)的要求

¨   不溶于流動(dòng)相

¨   化學(xué)穩(wěn)定

¨   機(jī)械強(qiáng)度

¨   大的表面積

¨   粒度均勻

親和層析

¨是利用生物體內(nèi)存在的特異性相互作用的分子對(duì)而設(shè)計(jì)的層析方法

¨生物體內(nèi)相互作用的分子對(duì)：

              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(jié)合蛋白 

 離子交換設(shè)備  去離子水 軟化水設(shè)備   超純水設(shè)備