第九章 离子交换设备

第九章 离子交换设备,离子交换是利用交换剂（树脂）与被提取物间的离子互相交换而进行的。被提取物通常是极性化合物，即在溶液中能离解成阴、阳离子。 优点是：提取周期短、成本低、设备简单、操作方便。 缺点是：辅助时间长、酸碱耗量大、产品质量差，pH变化范围大。,第一节 离子交换原理,一、离子交换基本用法： 1、杂质除去：将被提取物中不需要的杂质用离交树脂吸附除去。水处理、食品中去杂； 2、产品吸附：把溶液中的产品用离交树脂吸附，杂质仍留在溶液中；氨基酸、酶制剂、抗菌素； 3、分离：溶液中含有多种产品时，用不同类型离交树脂分别吸附分离。氨基酸；,二、离子交换树脂 离子交换剂分有无机和有机两类。 无机交换剂：天然海绿砂、合成沸石，由于只能进行表面交换，交换能力低，已不用。 有机交换剂：由人工合成的带有可交换离子的高分子化合物，又叫做离子交换树脂。,（1）离子交换树脂的组成 由高分子化合物（聚苯乙烯）和交联剂（二乙烯苯）组成的高分子共聚物。 它具有特殊的、疏松的、多孔的或象海绵状的网状分子结构。 其分子结构可分为两部分：一部分是不能移动的基团，构成树脂的骨架；另一部分是具有交换作用的活性基团；,（2）离子交换树脂分类 活性基团决定了离子交换树脂的主要特性，根据活性基团的性质可将离子交换树脂分类： 1、阳离子交换树脂：可交换阳离子的酸性解离基团。根据离解基团的解离度大小又分为强弱两种： a、强酸性阳离子树脂：活性基团是磺酸基、磷酸基、亚磷酸基； b、弱酸性阳离子树脂：活性基团是羧基、酚羟基；,2、碱性阴离子树脂：可交换阴离子的碱性解离基团。根据离解基团的解离度大小由分为强弱两种： a、强碱性阴离子树脂：活性基团为季胺盐； b、弱碱性阴离子树脂：活性基团为伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐； 常用的离交树脂为球状，也有不规则的颗粒和粉状。,（3）特殊类型的离交树脂 1、大（多）孔树脂：制备时，降低其交联度而得到。可以吸附较大的离子和有机物； 2、两性离子交换树脂：带有酸性和碱性基团，可同时进行阴、阳离子的交换。适合于两性电解质的吸附； 3、电子交换树脂：又叫氧化-还原树脂。树脂上有能被氧化或还原的基团，发生电子交换反应； 4、螯合型树脂：树脂能与金属离子起作用，形成螯合物；,（4）交换的影响因素 1、离子的水化半径：离子的体积越小，越易被吸附，但必须以水化半径来表示； 2、离子的化合价：在低温和普通温度时，离子的化合价越高，越易被吸附； 3、溶液的酸碱度：强性树脂在整个PH范围中都能起作用，但弱酸性只能在碱性条件下，弱碱性只能在酸性条件下起作用； 4、交联度：交联度不同所能交换的离子的大小不同； 5、交换容量：树脂不同交换容量不同；,（5）离子交换数值的选择原则 1、强碱性的分离物质（Ca 2+、Na+、Mg2+）选用弱酸性树脂； 2、弱碱性的分离物质（谷氨酸）选用强酸性树脂； 3、强酸性的分离物质选用弱碱性树脂； 4、弱酸性的分离物质选用强碱性树脂； 在操作中，洗脱条件一般应和吸附条件相反，吸附在酸性条件下进行，洗脱则应在碱性条件下进行。,（6）树脂层中离子的分布 进行离子交换时，被交换离子自起始浓度降至零的这一段树脂层称为交换带。 当交换带到达交换柱底部，而流出液中出现被交换离子时为漏出点。此时已交换的被交换离子的量为总工作交换容量。 当多种离子上柱时，根据离子被树脂吸附的能力而分层，且交换能力差异越大，分层越明显。在柱中，最上部为交换能力最大的离子，最下部为交换能力最小的离子。,第二节 离子交换装置,一、离子交换装置的方式 按照树脂在交换柱中的放置及联结流程，离子交换装置有以下几种： 1、单床式：一种树脂装于一个交换柱中； 2、多床式：一种树脂装于多个串联的交换柱中； 3、复床式：多个交换柱串联，每个柱中分别放置一种类型的树脂；,4、混合床式：一个交换柱中同时放置不同类型的树脂； 5、其他更为复杂的型式：复床-混合床、电渗析-混合床、多级混合床等；二、装置的类型 主要是动态交换。 分批操作采用固定式，即在交换柱内让液体不断流动而树脂处于静止状态。 连续操作采用移动式和流动式。,移动式：是一种半连续操作，将树脂依次送入不同设备中完成交换、洗脱、再生和清洗等过程。在每个设备内处于间歇操作。 流动式：装置中树脂、被处理液、再生液、清洗水等均完全处于连续的流动状态。分为重力式和压力式。 重力式：由再生洗涤塔和交换塔组成，交换塔为多室式，每室树脂与溶液呈顺流，而全塔来说却为逆流。在装置内树脂呈沸腾状态，具有沸腾床的作用。,压力式：装置的最大特点是处理液与树脂的流向为逆流。三、离子交换树脂 的再生 再生方法有化学药剂法和电解再生法两种。 化学药剂法：又称酸碱再生法，是将一定浓度的酸、碱溶液加入失效的树脂中，利用酸碱溶液中的H+、OH将饱和树脂上所吸附的阴阳离子置换下来，使树脂重新获得交换能力。,电解再生法：利用电离作用将水离解成H和OH，并分别和树脂上的阴阳离子进行置换而使树脂再生。 再生方式：动态法、静态法 1、动态法：再生剂不断流入柱中并不断流出，在交换柱或再生柱中进行。又分为顺流、逆流和对流； 2、静态法：多在容器中进行，通过搅拌混合加速再生，间歇操作； 再生步骤：交换、水洗、反洗、再生、水洗、交换。,四、离子交换设备 离子交换设备从设备外形和内部结构上来说和层析设备、脱色设备相似，这样，我们在讲述离子交换设备时，也就讲到了层析和脱色设备。 不同之处是离子交换设备经常要和酸碱接触，它所用的材料要比其它的设备更耐腐蚀。同理，离子交换系统中的管道、管件、阀门和泵也要有很强的耐腐蚀能力。,（1）通用离子交换柱 柱体为圆柱体，上下封头为碟形。上封头不布置管口，便于拆卸封头。 1、溢流排污管的作用是在洗涤时溢出固体颗粒，兼作排气口。罐内开口紧贴上封头底，罐外开口在柱体上。 2、布液装置：在树脂层的上下边界都有布液装置。上布液装置作用是使进料液分布均匀，并防止反洗时树脂溢出。下布液装置作用是使进入柱内的反洗水或再生剂分布均匀。,常用的布液装置有网布、排水帽和分布盘。 3、视镜：在上布液装置和树脂分界处都应有视镜。 4、布酸（碱）排液管： 布酸碱排液管主要用于柱内再生的混合床离子交换柱。 当再生剂同时流经阴阳树脂两步法时，起布液作用；当采用酸碱分别通过阴阳树脂两步法时，起排除废液的作用。 排液管的位置比阴阳树脂的分界面低30-50mm。形式有单管、排管、环管三种。,（2）连续离子交换装置 筛板式连续离子交换装置 漩涡式连续离子交换装置 ISEP连续离子交换装置,（3）制造材料 制造材料有金属材料和非金属材料两大类。 非金属材料：有机玻璃和硬聚氯乙烯