1、關于離子交換在食品及有關工業的應用第一張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月離子交換技術的發展1814年，英國人開始認識了交換現象利用離子交換技術法軟化水始于20世紀初期在30年代，由于離子交換樹脂的出現，離子交換技術的應用迅速發展，廣泛應用于化工、醫藥、食品等領域第二張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月離子交換在食品及有關工業的應用制糖工業：采用陽離子交換樹脂。如Na型陽離子交換劑進行糖汁一級提純的方法。水解工業：對木材和各種農業廢物水解時所得糖溶液進行凈化。酵母工業：廢蜜的提純水處理：水的軟化、水的軟化和部分脫鹽、水的脫鹽。制藥工業的應用廢水處理其他：碘的提取、電解質和非電解質的

2、分離第三張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月一、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放出另一種相同電荷的離子的特點，使這種交換劑和溶液之間進行的同號離子相互交換現象叫離子交換。第四張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月二、離子交換樹脂 (一)離子交換劑的基本概況1定義：凡具有離子交換能力的物質，統稱為離子交換劑。一種多孔狀的固體，不溶于水，也不溶于電解質溶液，但能從溶液中吸取離子而進行離子交換。第五張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月2、離子交換劑的構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構成。 第六張，PPT共四十七頁，創作于20

3、22年6月3、分類：按“骨架”成分分：可分為無機和有機兩大類。第七張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月有機合成離子交換樹脂根據樹脂所含有的活性基團的不同，樹脂的分類如下 ：第八張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(1)、陽離子交換樹脂cation-exchange resin 陽離子交換樹脂：合成樹脂的本體上帶有酸性活性基團，可以被陽離子所交換的樹脂。不能交換的離子稱固定離子，可交換的離子稱平衡離子。磺酸型離子交換樹脂所含有的活性基團磺酸基 (一SO3H)中，含有一個可被交換的陽離子H+和一個不能交換的陰離子S03 -第九張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月能交換陽離子的活性

4、基團，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)。酸性強弱由活性基團決定，根據活性基團酸性強弱的不同，順序如下： 第十張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月強酸性陽離子交換樹脂：磺酸基 (一SO3H)弱酸性陽離子交換樹脂 ：羧基(一COOH)、酚基(一OH) 。第十一張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(2)、陰離子交換樹脂anion exchange resin 陰離子交換樹脂：本體上帶有堿性活性基團，可以被陰離子所交換的樹脂。其活性基團，都含有一個可以交換的陰離子和一個不能交換的陽離子。第十二張，PPT共四十

5、七頁，創作于2022年6月強堿性陰離子交換樹脂：季胺基（聚苯乙烯型季胺基強堿性陰離子交換樹脂）弱堿性陰離子交換樹脂 ：伯胺基 (一NH2 )仲胺基 (一NH(CH3)及叔胺基(一N(CH3)2的樹脂。第十三張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(3).特殊的離子交換樹脂 螯合樹脂：氨基二乙酸基的樹脂對Cu2+、Co2+、Ni2+有很高的選擇性 大孔徑離子交換吸附樹脂：合成過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度大孔徑樹脂。樹脂在極性和非極性溶劑中溶脹程度的差異較一般樹脂小，對氧化劑的穩定性好，對大離子的交換較快。因此，

6、可以在非水溶液和混合介質中進行離子交換，可用于交換相對分子質量高的離子。第十四張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月萃淋樹脂(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。第十五張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月第十六張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月型號為了區別離子交換樹脂同一類型的不同品種，有三位阿拉伯數字表示，第一位：代表產品分類；第二位：代表骨架的差異；第三位：為順序號，用以區別基團。第十七張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月第十八張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(二)離子交換樹脂的基本性

7、能含水量和密度粒度交聯度溶脹變化 交換容量 選擇性 第十九張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月1含水量和密度商品離子交換樹脂具有親水性，常含有一定的結合水分。結合水的含量與其官能基的性質及交聯度有關，并隨著空氣濕度變化而改變。第二十張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月測定樹脂含水分的方法可用烘干法，或用Karl Fisher試劑滴定法。樹脂的濕真密度，是指樹脂在水中充分膨脹后，樹脂顆粒本身的密度 (g/cm3)，一般在1.041.3g/cm3左右。 第二十一張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月2、粒度 樹脂的粒度關系到離子交換速度、樹脂床中液流分布均勻性和液流壓強降，以及反洗

8、時樹脂流失等 。通常樹脂床使用的樹脂，其顆粒粒徑約0.31.2mm。特殊用途的細磨樹脂，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)表示。標準篩又有兩種即：美國篩和英國標準篩（BSS) 。第二十二張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月第二十三張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月3、交聯度 將樹脂的骨架用交聯法形成一個巨大且可與熱固性塑料相比擬的分子網。這種交聯的程度稱為交聯度。 樹脂的交聯度是按合成時所用單體中含有交聯劑的質量分數來表示的。例如，聚苯乙烯樹脂的交聯度為8%DVB，它的意義是這種樹脂合成時單體中苯乙烯占92%，二乙烯苯占8%。離子交換樹脂的

9、交聯度與其許多性質 (溶解度、交換容量、膨脹性、選擇性、含水量，穩定性等)都有關系。 第二十四張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月交聯度大的樹脂特點空隙率小，相對密度大，含水率高交聯網孔直徑小，因而離子交換選擇性大，但交換速度變慢導入活性基團較困難，故交換容量較小樹脂機械強度較大 穩定性好第二十五張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月4、溶脹變化干的離子交換樹脂浸入純水后，水即擴散入樹脂交聯網孔內。此時，樹脂交換基團在水中即發生解離，并形成水合離子，從而使樹脂交聯網孔增大，發生膨脹，稱為樹脂膨脹。 溶脹變化通常按干樹脂所吸取的水的百分率來表示，或稱溶脹率 第二十六張，PPT共四十七頁

10、，創作于2022年6月樹脂溶脹影響因素所接觸的介質 (空氣、水、溶劑)樹脂本身的結構特征電荷密度 (離子時的性質和濃度)反離子的種類第二十七張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月5、交換容量交換容量是說明樹脂的交換能力，通常按每克干樹脂所能交換的離子的毫摩爾來表示.在工業上，常按單位體積樹脂所能交換的物質的量 (摩爾)表示。第二十八張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月交換容量的表示法 全交換容量 它是指樹脂活性基團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 它是指動態工作狀態下的交換容量，其影響因素主要是:進液的離子濃度、交換操作的控

11、制指標、樹脂層的高度、交換速度、樹脂粒度以及活性基團的形式等。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。第二十九張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月6、選擇性 選擇性是指離子交換劑對不同離子的親和力。在低濃度的水溶液中和室溫條件下，多價離子比單價離子優先交換。等價離子的選擇性隨著原子序數的增加而增加 在高濃度溶液中，多價離子的選擇性隨著濃度的提高而減小 第三十張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月三、離子交換的基本原理1、作用實質上是一種溶液中的電解質和不溶性電解質的固、液兩相接觸時所進行的復分解

12、反應。離子交換反應是可逆的，逆反應稱之為再生。因此，離子交換劑經再生后可反復使用。 第三十一張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月例如以泡沸石軟化水，泡沸石可以用Na2R來表示，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，水中的Ca2+被離子交換劑吸附而水被軟化。 第三十二張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月2、唐南理論 (Donnan Theory)認為離子交換樹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脂內部看作是一滴濃的電解質溶液，樹脂顆粒和外部溶液的界面看作是一種半透膜。樹脂內部活性基團上電離出來的平

13、衡離子和外部溶液中帶同種電荷的離子可以通過半透膜往來擴散進行交換，樹脂骨架上的固定離子是不能擴散的。 第三十三張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月對于陽離子交換樹脂，它的平衡離子是陽離子，因而可以和外部溶液中的陽離子進行交換，它的固定離子是帶負電荷的陰離子。由于陽離子交換樹脂內部存在著眾多的帶負電荷的固定離子，它們所產生的排斥力使溶液中的陰離子不能進入樹脂顆粒內部進行交換。這種現象稱為唐南排斥。這就是陽離子交換樹脂能交換陽離子，不能交換陰離子的原因。第三十四張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月3、離子交換動力學 離子交換過程包括下面5個步驟:交換離子從溶液主體中擴散到樹脂顆粒與溶液

14、的界面上交換離子在樹脂顆粒內部交換網孔中的擴散交換離子與樹脂基團上離子進行交換反應被交換下來的離子，在樹脂交聯網內向界面擴散被交換下來的離子從界面向溶液主體擴散因此，交換過程包括：交換反應和一系列擴散過程。第三十五張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月5、離子交換速率 外部擴散速率 內部擴散速率離子交換過程 的總傳質系數第三十六張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月6、影響離子交換速率的因素 考慮流體力學條件的影響 樹脂直徑也影響交換的機理樹脂粒度一定，增加溶液中交換離子的濃度，將會增加外部擴散速率，但對內部速率則幾乎無影響。另外，樹脂的結構和化學性質以及交換離子的價數等也是影響離子交

15、換速率的因素第三十七張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月四、離子交換的操作過程、裝置及其設計原理 (一)離子交換的操作過程大致可分為4個階段，即交換、反洗、再生、正洗。第三十八張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月交換柱內的再生反洗的目的松動壓緊的樹脂床層，使床層膨脹清除截留在樹脂層內的懸浮物和有機雜質沖洗細小的樹脂碎粉再生的目的：使交換終了失效的樹脂上已吸附的離子除去，并代之以新的被交換離子，從而達到反復使用的目的。第三十九張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(二)裝置分類：可粗分為間歇式、固定床、連續式移動床及連續式流動床離子交換設備。第四十張，PPT共四十七頁，創作于20

16、22年6月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，加以適當攪拌，使之達到適當交換平衡，然后濾出溶液使之分離的一種操作方式。通常用于實驗室或小型工業生產。最簡單的裝置就是采用一個具有攪拌器的罐。 第四十一張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月2、固定床離子交換 是把離子交換劑放在交換柱內處于固定態，被處理的溶液在動態下流過交換柱。固定床的優點：設備簡單，操作方便，適用于各種規模的生產；固定床的缺點是離子交換劑的利用率低，再生費用大；濾速增高時，壓強降增大也快。第四十二張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月柱式固定床剖視圖 結構特點：有一個合適的離子交換樹脂床支撐體；有一個分布器，使進料能均勻分布流過樹脂床；有反洗控制裝置，要使反洗壓力分布均勻。第四十三張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月3、連續式離子交換原理：離子交換和再生的過程在單元裝置的不同部位同時進行。真正的連續過程應是從交換柱出來的已飽和樹脂被連續地轉移并與新鮮再生劑接觸，經過再生和清洗的樹脂在循環回到交換柱使用。第四十四張，PPT共四十七頁，創作于2022年6月(三)設計主要解決下面幾個問題:選擇離子交換劑的類型和操作方式確定操作條件和計算離子交換劑的用量確定離子交換單元設備的尺寸考慮