第十章 吸附和离子交换

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1、第十章第十章 吸附和离子交换吸附和离子交换第十章第十章 吸附和离子交换吸附和离子交换本章重点和难点本章重点和难点p掌握掌握吸附吸附原理、型类、特点及影响因素原理、型类、特点及影响因素; ;p离子交换作用原理、型类、特点、性能指标及影响因素离子交换作用原理、型类、特点、性能指标及影响因素; ;p了解吸附和离子交换过程机理、设备；了解吸附和离子交换过程机理、设备；p熟悉吸附和离子交换在食品工业中的应用和设计方法。熟悉吸附和离子交换在食品工业中的应用和设计方法。概述概述 吸附和离子交换的应用历史(1)圣经中摩西用枯树枝将苦水变甜的故事。(2)明朝嘉靖年间（15221566年），我国制糖工人在生产实践

2、中发现黄泥吸附除去粗糖中的色素，制出质量洁白的沙糖。(3)1850年，英国农业化学家H.S.Tompson和J.T.Way发现离子交换现象。用硫酸铵或碳酸铵处理土壤时，铵离子被吸收而析出钙；土壤也是一种无机离子交换剂；无机离子交换剂不能在酸性条件下使用。(4) 1935年，B.A.Adams和E.L.Holmes合成离子交换树脂。 合成了高分子材料聚酚醛系强酸性阳离子交换树脂和聚苯胺醛系弱碱性阴离子交换树脂； 这是离子交换分离技术的最重要的里程碑； 第二次世界大战期间，德国大量合成离子交换树脂，并用于水处理； 第二次世界大战结束后,英、美、苏、日等国也大力发展离子交换技术。(5) 1945年，

3、美国人G.F.dAlelio合成聚苯乙烯阳离子交换树脂。 后来又合成了性能良好的聚苯乙烯系和聚丙烯酸系的离子交换树脂； 离子交换分离成为低能耗、高效率的分离技术。(6) 20世纪60年代以后，离子交换树脂的合成与离子交换分离技术取得了突飞猛进的发展。 R.Kunin等合成了一系列大孔离子交换树脂，该类树脂的多孔结构兼具离子交换和吸附两种功能。 19561960年间，南开大学何炳林院士在世界上首次制备出大孔型离子交换树脂，为吸附树脂的问世奠定了基础。 2. 吸附过程 吸附(Adsorption)是溶质从液相或气相转移到固相的现象。利用吸附的原理从液相或者气相中浓缩富集有效成分或者除去有害物质的分

4、离过程可统称为吸附过程吸附过程。 3. 食品工业中吸附过程的应用。 物理吸附物理吸附和离子交换吸附离子交换吸附。第一节第一节 吸附剂及性能参数吸附剂及性能参数 一、吸附剂分类一、吸附剂分类 吸附剂按照其结构可分为无机吸附剂和有机吸附剂两大类，有机吸附剂又分为天然有机吸附剂和合成有机吸附剂。二、大孔吸附树脂物理性能及测定二、大孔吸附树脂物理性能及测定1. 平均孔径和孔径分布2. 比表面3. 骨架密度（真密度）4. 视密度5. 孔容 三、三、 大孔吸附树脂应用中的基本原则大孔吸附树脂应用中的基本原则 一般非极性吸附剂适宜于从极性溶剂（如水）中吸附非极性物质。相反，高极性吸附剂适宜于从非极性溶剂中吸

5、附极性物质。而中等极性的吸附剂则对上述两种情况都具有吸附能力。第二节第二节 离子交换剂及性能参数离子交换剂及性能参数 一、离子交换剂的基本概况一、离子交换剂的基本概况 定义：定义：凡具有离子交换能力的物质，统称为离子交换剂。一种多孔状的固体，不溶于水，也不溶于电解质溶液，但能从溶液中吸取离子而进行离子交换。 构成：构成：离子交换剂是由固定的“骨架”本体成分和可交换的离子基团构成。 1. 按照骨架分类二、离子交换剂的分类二、离子交换剂的分类2. 有机合成离子交换树脂的分类1. 离子交换树脂的结构n骨架（载体） 三维网状空间结构，载体不参与离子交换反应。n功能基团（交换基团） 离子交换反应位置n固

6、定离子（惰性离子） 与载体牢固结合，不能自由移动的离子。n反离子（可交换离子） 三、合成类离子交换树脂三、合成类离子交换树脂各类型离子交换树脂示意图各类型离子交换树脂示意图聚苯乙烯型树脂骨架结构图2. 离子交换树脂的分类与命名（1） 按功能基团分类按功能基团分类 阴离子交换树脂(Anion-exchange resin)：含有碱性基团(通常为季铵基)，在溶液中可离解出阴离子。 强碱性阴离子交换树脂： 含-N(CH3)3OH, -N(CH3)2C2H4OH等功能基团 弱碱性阴离子交换树脂: 含-NH2, -NHR, -NR2等功能基团 阳离子交换树脂（Cation-exchange resin

7、）：含有酸性基团（多为羧酸基），在溶液中可离解出阳离子。 强酸性阳离子交换树脂： 功能基为-SO3H, -CH2SO3H等强酸基团 中等酸性阳离子交换树脂: 功能基为-PO3H2, -PO3H3 , -SO3H2等中等强度酸基团 弱酸性阳离子交换树脂: 功能基为-COOH, -OH, -CH2OH2等弱酸基团 螯合树脂 功能基为胺羧基-N(CH2COOH)2，能与金属离子生成六元环螯合物。 氧化还原树脂 功能基具有氧化还原能力，如-CH2SH，对苯二酚基等。 两性树脂 同时具有阴离子交换基团和阳离子交换基团。如同时具有-N(CH3)3和-COOH。（2） 按孔型分类按孔型分类 凝胶型树脂 具有

8、均相高分子凝胶结构，颗粒内部由单体聚合成的链状大分子在交联剂的连接下，组成了空间结构，化学结构中的空隙称为凝胶孔或化学孔，孔径很小，在300nm以下。 大孔型树脂 在制造过程中加入致孔剂，使之形成大量毛细孔，凝胶骨架被毛细孔道分割成非均相凝胶结构，颗粒内既有凝胶孔，也有毛细孔，毛细孔孔径较大，在几百纳米至几百微米。（3）按反离子种类命名）按反离子种类命名如：RSO3H H型强酸阳离子交换树脂 RN(CH3)3OH OH-型强碱阴离子交换树脂3. 离子交换树脂命名规则离子交换树脂产品分类代号离子交换树脂产品分类代号 代号 分类名称 0 强酸性 1 弱酸性 2 强碱性 3 弱酸性 4 螯合性 5

9、两性 6 氧化还原性离子交换树脂产品骨架代号离子交换树脂产品骨架代号 代号 分类名称 0 苯乙烯系 1 丙烯酸系 2 酚醛系 3 环氧系 4 乙烯吡啶系 5 脲醛系 6 脲乙烯系4. 离子交换树脂的理化性能和测定方法 颜色颜色： 苯乙烯系黄色；其他赤褐色、黑色。 形状形状： 球型颗粒，要求圆球率90以上 粒度粒度： 分离用树脂粒径通常为数百微米； 要求粒径分布范围窄。 密度密度： 湿视密度湿视密度单位视体积视体积（树脂本身的体积与颗粒间隙体积之和）内紧密无规排列的湿态离子交换树脂的质量。 湿真密度湿真密度单位真体积真体积（仅包括树脂本身的体积）内湿态离子交换树脂的质量。 交联度交联度 树脂中交

10、联剂二乙烯苯的百分含量。通常为8%12。 含水率含水率 在水中充分膨胀的湿树脂中含水分百分数。 与树脂的类别、结构、酸碱性、交联度交换容量、离子形态等有关。一般树脂的含水率在40%60。 转型膨胀率转型膨胀率 从一种单一离子型转为另一种单一离子型时树脂体积变化的百分数。例如，树脂在交换和再生时都会发生体积变化，经长时间不断胀缩，树脂会发生老化。 湿真密度湿真密度 树脂在水中充分膨胀后树脂颗粒的密度。 交换容量交换容量 交换容量是表征树脂性能的重要数据，它用单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附一价离子的毫摩尔数来表示。 滴定曲线滴定曲线 离子交换树脂也有滴定曲线，它较全面地表征树脂功能团的性质

11、。以每克干树脂所加入的KOH或HCl的量为横坐标，以平衡pH值为纵坐标，就得到滴定曲线。 交换容量交换容量 交换容量是表征树脂性能的重要数据，它用单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能吸附一价离子的毫摩尔数来表示。 滴定曲线滴定曲线 离子交换树脂也有滴定曲线，它较全面地表征树脂功能团的性质。以每克干树脂所加入的KOH或HCl的量为横坐标，以平衡pH值为纵坐标，就得到滴定曲线。5. 离子交换树脂的化学性能1.酸碱性酸碱性 离子交换树脂含酸性或碱性基团时，在水中离解。 RSO3H RSO3- H+ R=NHOH R=NH+ OH- 离子交换树脂含弱酸盐或弱碱盐基团时，在水中水解。 RCOONa H2O