離子交換分離法

化工工藝分離過程--離子交換分離法11.基本概念概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。離子交換法是液相中的離子和固相中離子間所進(jìn)行的一種可逆性化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時(shí)，便會(huì)被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價(jià)離子回溶液中。

2離子交換樹脂的構(gòu)成

離子交換樹脂是一種不溶于酸堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能高分子化合物.具有三維空間離體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）3離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團(tuán)酚醛樹脂聚乙烯樹脂交聯(lián)劑酸性基團(tuán)堿性基團(tuán)—SO3H—COOH—N+R3—NR2特殊基團(tuán)4樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架56離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cationexchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anionexchange)（含堿性基團(tuán)）。具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽強(qiáng)陰、弱陰7常用的離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基(N(CH3)3或二甲基-?-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；8新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂9其它離子交換樹脂類型均孔型離子交換樹脂：主要是陰離子型凝膠離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量高、機(jī)械強(qiáng)度好；兩性樹脂：同時(shí)含有酸、堿兩種基團(tuán)的樹脂；螯合樹脂：樹脂上含有具有螯合能力的集團(tuán)，既可以形成離子鍵，又可以形成配位鍵；主要用于脫除金屬離子；多糖基離子交換樹脂：固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對生物大分子物致變性作用10影響離子交換的主要因素離子的水化半徑半徑較小的離子易吸附離子的化合價(jià)化合價(jià)愈高愈易吸附溶液的pH

要綜合考慮樹脂及被分離物質(zhì)的酸堿穩(wěn)定性樹脂的交聯(lián)度交聯(lián)度大，膨脹度小的樹脂選擇性較好。11影響離子交換選擇性的因素水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；離子強(qiáng)度：越低越好；有機(jī)溶劑：不利于吸附；交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少；樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；12影響交換速度的因素顆粒大?。河≡娇旖宦?lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快溫度：越高越快離子化合價(jià)：化合價(jià)與高，交換越快離子大?。涸叫≡娇鞌嚢杷俣龋涸谝欢ǔ潭壬?，越大越快溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，濃度越大，交換速度越快13離子交換過程離子交換過程是可逆多相化學(xué)反應(yīng)：離子交換是借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換,以達(dá)到提取或去除溶液中某些離子的目的。它是一種屬于傳質(zhì)分離過程的單元操作。

14離子交換機(jī)理A+自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴(kuò)散到溶液中交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制.15離子交換操作方法樹脂預(yù)處理及裝柱離子交換吸附洗脫樹脂再生16實(shí)驗(yàn)室17樹脂預(yù)處理應(yīng)用最多的為強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。生產(chǎn)上出廠的交換樹脂顆粒大小往往不夠均勻，故使用時(shí)應(yīng)當(dāng)先過篩以除去太大和太小的顆拉，也可以用水泡脹后用篩在水中選取大小一定的顆粒備用。一般商品樹脂韌含有一定量的雜質(zhì)，所以在使用前必須進(jìn)行凈化處理。對強(qiáng)堿性和強(qiáng)酸性陰陽離子交換樹脂，通常用4mol/LHCl溶液浸泡1-2天，以溶解各種雜質(zhì)，然后用蒸餾水洗滌至中性。這樣就得到在活性基團(tuán)上含有可被交換的H+或Cl-的氫型陽離子交換樹脂或氯型陰離子交換樹脂。如果需要鈉型陽離子交換樹脂，則用NaCl處理氫型陽離子交換樹脂。物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡18裝柱進(jìn)行離子交換通常在離子交換柱中進(jìn)行。離子交換柱一般用玻璃制成，裝置交換柱時(shí)，先在交換柱的下端鋪上一層玻璃絲，灌入少量水，然后傾入帶水的樹脂，樹脂就下沉而形成交換層。裝柱時(shí)應(yīng)防止樹脂層中存留氣泡，以免交換時(shí)試液與樹脂無法充分接觸。樹脂高度一般約為柱高的90%。為防止加試液時(shí)樹脂被沖起，在柱的上端亦應(yīng)鋪一層玻璃纖維。交換枝裝好后，再用蒸餾水洗滌，關(guān)上活塞，以備使用。應(yīng)當(dāng)注意不能使樹脂露出水面，因?yàn)闃渲队诳諝庵?，?dāng)加入溶液時(shí)，樹脂間隙中會(huì)產(chǎn)生氣抱，而使交換不完全。19離子交換將試液加到交換柱上，用活塞控制一定的流速進(jìn)行交換。經(jīng)過一段時(shí)間之后，上層樹脂全部被交換、下層未被交換，中間則部分被交換，這一段稱為“交界層”。隨著交換的進(jìn)行，交界層逐漸下移，至流出液中開始出現(xiàn)交換離子時(shí)，稱為始漏點(diǎn)，此時(shí)交換柱上被交換離子的物質(zhì)的量數(shù)稱為始漏量。在到達(dá)始漏點(diǎn)時(shí)，交界層的下端剛到達(dá)交換柱的底部，而交換層中尚有未被交換的樹脂存在，所以始漏量總是小于總交換量。靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組分分離常用柱式固定床在分析工作中，為了分離或富集某種離子。一般采用動(dòng)態(tài)交換。這種交換方法在交換柱中進(jìn)行。20強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂分離示例Cl-,K+,Na+,Ag+

的分離K：親和力H+<Na+<K+<Ag+H2O游離狀態(tài)交換反應(yīng)21洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法當(dāng)交換完畢之后，一般用蒸餾水洗去殘存溶液，然后用適當(dāng)?shù)南疵撘哼M(jìn)行洗脫。在洗脫過程中、上層被交換的離子先被洗脫下來，經(jīng)過下層未被交換的樹脂時(shí)，又可以再度被交換。因此最初洗脫液中被交換離子的濃度等于零，隨著洗脫的進(jìn)行，洗出液離子濃度逐漸增大，達(dá)到最大值之后又逐漸減小，至完全洗脫之后，被洗出之離子濃度又等于零。洗脫方法（1）改變?nèi)芤簆H值（2）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度22H+<Na+<K+<Ag+CtNa+K+Ag+前一狀態(tài)洗脫淋洗曲線23樹脂再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程對于陽離子交換樹脂常采用HCl溶液作為洗脫液，經(jīng)過洗脫之后樹脂轉(zhuǎn)為氫型；陰離子交換樹脂常采用NaCl或NaOH溶液作為洗脫液，經(jīng)過洗脫之后，樹脂轉(zhuǎn)為氯型或氫氧型。因此洗脫之后的樹脂得到再生，蒸餾水洗滌干凈即可再次使用。酸性陽離子樹脂酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生24離子交換應(yīng)用實(shí)例軟水和純水制備蛋白質(zhì)的純化抗生素的提取25水處理離子交換：包括水的軟化和純化：軟化主要是原水中含有的硬度如CaCO3、MgCO3等鈣鎂鈉離子類，在流經(jīng)交換樹脂層時(shí)，陽離子Ca2+、Mg2+等被陽樹脂的活性基團(tuán)置換，從而使水的硬度降低就得到軟化，而純化是原水中含有的鹽類如Ca(HCO3)2、MgSO4等鈣鎂鈉鹽類，在流經(jīng)交換樹脂層時(shí)，陽離子Ca2+、Mg2+等被陽樹脂的活性基團(tuán)置換，陰離子HCO3-、SO42-等被陰樹脂的活性基團(tuán)置換，從而水就得到純化。26軟水機(jī)的工作原理：軟水機(jī)是應(yīng)用離子交換技術(shù)，通過樹脂上的功能離子與水中的鈣、鎂離子進(jìn)行交換，從而吸附水中多余的鈣、鎂離子，達(dá)到去除水垢（碳酸鈣或碳酸鎂）的目的。

軟水機(jī)中裝有軟化劑樹脂，這種人造的離子交換樹脂上有軟性礦物質(zhì)鈉，可以與溶解在水中的鈣、鎂等硬性礦物質(zhì)發(fā)生離子交換反應(yīng)，而鈉不會(huì)以水垢的形式堆積在物體表面上，所以對與它接觸的物體危害很小。樹脂是一種多孔的、不可溶性交換材料。在現(xiàn)代的軟水機(jī)中裝有千百萬顆微細(xì)的塑料球（珠），所有小球都含有許多吸收正離子的負(fù)電荷交換位置。當(dāng)樹脂處在新生狀態(tài)時(shí)，這些電荷交換位置被帶正電荷的鈉離子占據(jù)。樹脂優(yōu)先結(jié)合帶較強(qiáng)電荷的陽離子，鈣和鎂離子的電荷比鈉離子強(qiáng)，當(dāng)含有鈣、鎂離子的水經(jīng)過樹脂貯槽時(shí)，鈣、鎂離子與樹脂小珠接觸，從交換位置上取代鈉離子。經(jīng)過離子交換后，鈣、鎂離子就被吸附在軟水機(jī)內(nèi)的樹脂上，流出的水就變軟了。最后，所有樹脂都吸附滿鈣、鎂離子后，就不能再進(jìn)行工作了，而需要再生處理。

軟水機(jī)樹脂的再生是用氯化鈉和水的稀溶液進(jìn)行的。在再生過程中，首先停止軟水機(jī)的工作水流，從鹽水槽引出的鹽水與另外的稀釋水流混合，稀鹽水溶液流經(jīng)樹脂，與附有鈣、鎂離子的樹脂接觸。盡管鈣和鎂離子帶有的電比鈉離子強(qiáng)，但濃鹽溶液含有千百萬個(gè)較弱電荷的鈉離子，有取代數(shù)目較少的鈣和鎂離子的能力。這樣，當(dāng)鈣、鎂離子被取代交換后，樹脂就再生了，便為下一次軟化工作做好了準(zhǔn)備。如此循環(huán)往復(fù)。27軟水機(jī)：28軟水機(jī)結(jié)構(gòu)圖：29純水制備離子交換：3031離子交換法提取蛋白質(zhì)較無機(jī)離子的離子交換平衡復(fù)雜，其吸附行為與離子間的靜電引力、氫鍵、疏水作用以及范德華力有關(guān)蛋白質(zhì)是生物大分子物質(zhì)，因此，其擴(kuò)散行為也較無機(jī)離子復(fù)雜32蛋白質(zhì)離子交換分離的基本步驟平衡上樣吸附洗脫再生33SampleapplicationandwashElutionEquilibrationRegeneration-