第8章 离子交换法1.ppt

第八章 离子交换法 概 述 离子交换技术常用于水处理，食品、生物制品的提取精制和金属的回收。 离子交换剂：一种能与其他物质发生离子交换的物质，分为： 无机离子交换剂：沸石 有机离子交换剂(离子交换树脂)：合成材料。 生物工业中，广泛用于抗生素、氨基酸、有机酸等工业。 离子交换法 优点： 树脂无毒性且可反复使用，成本低，工艺操作方便，提取效率高，设备结构简单，节约大量有机溶剂等。 缺点： 生产周期长，生产过程中pH变化大，不一定能找到合适树脂。 第一节 离子交换原理及分类 一、离子交换原理 1、离子交换树脂 离子交换树脂： 一种具有网状立体结构的不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子化合物，其化学稳定性良好，有一定孔隙度，且有离子交换能力。 结构组成：树脂骨架（不溶性的三维空间网状结构）、功能基团（与骨架相连）、活性离子（与功能基团所带电荷相反的可移动的离子）。 离子交换树脂 树脂浸在水中，活性离子在因热运动在树脂周围一定距离内运动，扩散到溶液中； 溶液中的同类型离子，从溶液中扩散到骨架的网格或孔内； 两种离子浓度差较大，产生交换推动力，浓度差越大，交换速度越快； 利用浓度差推动力，使树脂上的可交换离子发生可逆交换反应。 交换按物质等当量进行。 离子交换树脂 离子交换树脂可交换官能团中的活性离子决定此树脂的主要性能，故树脂可按活性离子来分类。 离子交换树脂的功能团的电离程度决定树脂的酸性或碱性的强弱。 二、离子交换树脂分类 分类方法很多： 按树脂的化学组成分：聚苯乙烯系、聚丙烯酸系、酚醛系。 按树脂物理结构分 ：凝胶型、均孔型、大孔型树脂等。 按聚合反应类型分：缩聚型、加聚型树脂等。 我国按活性离子来分类：强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性、氧化还原等7类。 离子交换树脂 离子交换树脂的可交换的官能团中的活性离子决定此树脂的主要性能。 1、强酸性阳离子交换树脂 含有强酸性基团，如—SO3H，能在溶液中离解H+而呈强酸性； 反应简式： RSO3H RSO3 - + H+ RSO3- +Na+ RSO3 Na 此类树脂离解能力强，使用无pH值限制。 再生处理：用化学药品使离子交换树脂的官能团回复原来状态再次使用。用强酸进行再生处理。 2、弱酸性阳离子交换树脂 含弱酸性官能团（—COOH，酚羟基—OH）能在水中离解出H+呈弱酸性。 反应简式： RCOOH RCOO- + H+ 树脂离解性较弱，只能在碱性、中性、微酸性下作用； 用酸再生。 3、强碱性阴离子交换树脂 含有强碱性基团（季铵基—NR3OH），在水中离解出—OH- 而呈强碱性。 反应简式： RNR3OH RNR3+ + OH- 树脂离解性很强，使用无pH限制。 再生用强碱（NaOH）进行。 4、弱碱性阴离子交换树脂 功能团：伯胺基-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N、吡啶基，离解出OH-而呈弱碱性。 反应简式： RNH2 + H2O RNH3+ + OH- 树脂离解能力弱，在低pH下工作(pH1~9)，pH越低，交换能力越大。 用Na2CO3、NH4OH进行再生。 离子交换树脂型式 树脂的四种基本类型，使用时常转化为其他离子型式： 强酸性阳离子树脂转化成钠型树脂，用盐水再生； 弱酸性阳离子树脂转化成钠型，再生成氢型； 强碱性阴离子树脂转化成氯型，用食盐水再生； 弱碱性阴离子树脂转化成氯型，再生成羟型。 强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性和工作的pH范围宽等。 5、树脂性能的比较 三、其他类型的树脂 1、两性离子交换树脂 将两种性质相反的阴、阳离子交换官能团连接在同一树脂骨架上，构成两性树脂。 优点： 两类官能团彼此接近，发生交换反应后，只要通水 ，稍稍改变体系酸碱条件，即可发生相反水解反应，使树脂复原。 2、选择性离子交换树脂 又称螯合性离子交换树脂，与金属离子形成螯合物基团，一种对某些离子有特殊选择性的树脂。 选择性高于一般强酸、弱酸性树脂。 如用含汞的树脂分离含巯基的化合物（辅酶A、半胱氨酸，谷胱甘肽等） 3、吸附树脂 吸附树脂（脱色树脂）： 有较大表面积，具多孔性，吸附能力强； 但交换离子的能力很小，甚至不能交换； 多用于脱色、吸附大分子产物和除去蛋白质等。 如：大网格树脂 4、电子交换树脂 不是进行离子交换而是电子转移； 能起氧化还原作用（又称氧化还原树脂）。 按活性基团性质分，有两种类型： 活性基团是